摘要
- 地球科学中观测和数值模拟结果数据爆炸式的增长, 给可视化和分析这些海量数据带来极大的挑战, 将海量数据并行可视化技术应用到地球科学中是解决这一问题的有效手段.
- 地球科学中海量数据可视化是目前国际科学可视化研究的一个新方向.本文介绍了海量数据并行可视化的几个步骤, 总结了地球科学中海量数据的特点, 重点讨论了海量数据并行可视化在地幔对流、地震波传播以及海啸数值模拟等可视化研究中的应用实例.
HighLights
研究目标
研究内容
- 信息技术和高性能计算技术的发展，为地球科学研究提供了越来越多的试验及观测数据据。现代大规模计并行模拟技术在地球科学中也得到了广泛应用。
- 并行计算可视化技术，包括数据输入输出节点，处理节点，可视化绘制节点和显示节点，此外还包括存放数据的文件系统。将并行可视化分为以下3个步骤:数据预处理、并行绘制和并行显示。
- 数据的预处理过程是将超级计算机或并行计算机集群产生的海量数据进行各种操作, 如特征值提取、数据转化、同化、压缩、过滤等，以此来减少网络传输和可视化绘制的数据量。
- 可视化绘制是将几何数据转化成光栅中像素的过程, 绘制过程分为2 个阶段:几何处理和光栅化。
- 可视化的并行实现, 主要有3 种基本的处理方式[ 43] :作业并行( Task Parallelism) 、流水线并行( Pipeline Parallelism) 和数据并行( Data Parallelism) .
- 海量数据可视化面临着另一个问题是如何将处理好的数据以高精度高分辨图像显示出来.在地球科学数值模拟结果的可视化显示过程中, 也同样面临这样的问题.
- 地球科学中实际的物理问题的一个显著特点是研究对象都是多尺度特征, 数据规模庞大;既需要整体信息, 还需要局部放大信息。
- 地震波传播过程模拟的海量数据主要来源于前3 个方面.对地震波的传播过程有关的物理量进行可视化, 对于理解和发掘隐藏在结果中的信息有着极大的帮助, 特别是体绘制方法的应用, 可以让我们看到激发的地震波在三维空间中的整个传播过程, 大大提高了结果的真实感.但体绘制方法大大增加了绘制时的计算量[ 57 ～ 59] .
- 采用了以下几个手段来实现对大规模随时间变化的不规则数据场的绘制:
- 使用交叉式的负载分配来达到更好的负载平衡;
- 尽可能的避免对每一个时间步的预处理计算;
- 叠加通信和计算时间, 隐藏数据传输带来的过载;
- 压缩数据降低通信开销.在可视化系统中采用Sort-last 的并行绘制算法以及Octree 数据存储格式, 在绘制的过程中, 可以根据对最终图像分辨率和交互速度的要求来对数据进行不同等级的绘制, 平衡绘制时的负载.在图像合成的过程中, 采用了 Scheduled Linear Image Compositing ( SLIC) 的合成算法, 大大减少在合成图像过程中传输的信息量.Hongfeng Yu 等又在这一系统上应用增强绘制, 克服了因不同时间步数值的巨大变化而导致的直接体绘制的不透明度不随时间变化的缺点
研究方法
结论
- 地学中海量数据并行可视化技术是集计算机的软件硬件、并行技术、可视化技术, 以及地学背景为一体的一个研究新方向, 需要计算机、计算数学、可视化、地学等多个学科的研究人员的共同协作。
- 将海量数据的交互式的并行可视化技术应用到地学大规模数据的可视化中, 特别是高分辨的并行显示技术, 使地学家们可以深入观察试验结果的细节, 并在观察大尺度的模拟结果时对于发掘隐藏在结果中的信息有极大的帮助.中国在这个方面的研究工作还较少, 特别是软件方面的研究, 因此还需要各个学科科研人员的共同努力才能取得长足的进展.
解决的问题
正文