網格可視化

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摘要：科學計算可視化是數據和計算密集型應用，隨著計算機硬件和網絡技術的發展，科學計算可視化逐步從并行計算過渡到面向網格的分布式計算方式，促生了可視化領域的一個新研究點：面向網格的可視化。本文介紹了面向網格的可視化的研究內容、應用以及它的發展趨勢和的研究方向。

關鍵字：可視化；網格計算；體繪制；面向網格的可視化

AbstractScientificvisualizationisaprocesswhichinvolvesmassivedatasetsandhighlyintensivecomputation.Withthedevelopmentsofcomputerhardwareandnetworktechnologies,Scientificvisualizationhastransitedgraduallyfromtheparallelcomputationtothedistributedcomputationofgrid-enabled.Gridfavorsanewresearchdirection,i.e.，grid-enabledvisualization.Inthispaper,researchcontents,application，develop-menttrendandresearchdirectionofgrid-enabledvisualizationisintroduced.

KeywordsVisualization；GridComputing；VolumeRnedering；Grid-enabledVisualization

1．引言

科學計算可視化(VisualizationinScientificComputing，VISC)是20世紀80年代隨著計算機技術的迅速發展而出現的新興技術，其基本思想是“用圖形和圖像來表征科學計算數據”,來發現和理解科學計算過程中各種現象。科學計算可視化作為一種計算和數據密集型應用，往往需要較高的硬件配置，并常常利用并行技術進行加速。［1］隨著計算機硬件和網絡技術獲得長足發展，圖形硬件性能急速提升，科學計算分布范圍不斷拓展，計算規模不斷擴大。網格技術就是在這種條件下產生的一種面向互聯網的分布式計算方式，它是傳統的并行計算和分布式計算在深度和廣度上的拓展。其目的是利用分布在網絡上的存儲和計算資源，通過對它們的動態組合為解決超級計算問題提供支持。雖然網格技術仍在發展之中，但它所提供的資源匯聚、自治協調等功能將使得可視化應用在更廣的范圍內進行數據存儲和計算，更好地與科學計算程序集成，并讓更廣范圍的用戶通過網格以遠程或協作方式使用可視化應用。面向網格的可視化己經成為可視化領域的一個新的研究方向。

2．面向網格的可視化主要研究內容

面向網格的可視化，其含義是受網格支持的可視化，或網格驅動的可視化，指的是利用網格的功能，為并行/分布式可視化提供基礎性支撐。圖1為面向網格的可視化說明示意圖。網格技術支持互聯網范圍的可視化應用，它對于可視化應用的意義有以下幾個方面。［2］［3］

第一，隨著科學計算應用的發展，可視化數據集的存儲量和計算量不斷增大，而網格技術能夠通過動態的資源組織滿足數據存儲和計算的要求，它能提供自治和動態的資源管理，實現數據采集、存儲和計算的分布，因而可以利用更廣范圍內的資源，增強人們理解和使用科學數據的認知能力，擴充海量數據處理的能力，延伸人類科學活動的范圍。

第二，可視化應用的高資源需求性必然限制其可訪問性，近年來，雖然PC處理器和圖形硬件的性能在以驚人的速度成長，但是仍然難以處理較大型數據的繪制，因此，長期以來，大數據量的可視化應用只能運行在高端并行計算機和PC集群上，往往需要遠程使用。隨著互聯網的普及，遠程可視化的空間進一步擴大了。與基于Web的遠程可視化相比，網格提供了一個更為統一的資源共享和使用平臺，在這個平臺上協調各種資源提供遠程可視化服務存在很多新的挑戰，因為需要處理數據、計算和顯示等多種類型的分步。

圖1面向網格的可視化說明示意圖

第三，作為一種分布式可視化應用，面向網格的可視化應當支持多用戶多任務，多個不同用戶應該可以同時使用系統而互不干擾，同時每個用戶又可以提交多個任務。另外，面向網格的可視化還應該為多用戶間的協同提供支持。協同也是網格的一項重要特征。網格提供虛擬組織支持，這種虛擬組織的概念除表現為資源的虛擬化外，更突出表現為多個用戶之間的協作。

第四，科學計算和可視化都是網格的主要應用對象。可視化通常是科學計算的后續處理步驟，為了更好地對科學計算結果進行可視化和駕馭，需要在可視化流程和科學計算過程之間進行協調和集成。通過這種集成可以更好地獲得反饋并進行控制，提高資源的利用效率，方便問題求解環境的構建。

3．面向網格的可視化的探索及應用

由于科學計算可視化對于科研和生產的重要作用，面向網格的可視化己經成為一個新的研究方向，IEEECopmuterGraphics&Applications雜志為此在2003年3月出了網格可視化專專輯。美國，歐洲等在面向網格的可視化領域進行了較多研究，這些研究的側重點有所不同。

3．1基于網格技術支持的并行體繪制的研究應用。如美國愛荷華大學的Knosp等人提出了一個基于網格的體繪制框架［4］，他們使用Globus的資源管理、信息服務和數據傳輸工具支持并行體繪制框架；另外美國德克薩斯大學奧斯汀分校的計算可視化中心(CCV，ccvweb.csres.utexas.edu/ccv/)在己有的遠程并行繪制系統的基礎上使用Globus添加網格支持，在他們的設計中，可視化服務的實現由各個可視化服務器完成，并通過Globus的網格服務向用戶提供可視化服務。

3．2基于網格技術支持的可視化軟件的應用。如美國猶他大學科學計算研究所曾將他們的可視化問題求解環境SCIRun與NetSolve結合［5］。英國利茲大學和英國NAG公司等共同進行了GViz項目［6］，其主要目標是為NAG公司的可視化軟件IRISExplorer增加網格支持，實現可視化與仿真的聯合、計算駕馭、多用戶協同等功能。

3．3側重于大規模數據集傳輸的網格可視化研究及應用。如美國LawrenceBerkeley國家實驗室（LBNL）的Bethel等人使用UDP協議為Cactus設計了一個處理太（T）字節數據的并行可視化后端程序Visapult［7］。美國南加利福利亞大學的Thiebaux等人也對網格環境下海量數據的并行輸入/輸出處理進行了深入研究[8]。

3．4面向網格的可視化中間件和體系結構的研究及應用。如荷蘭阿姆斯特丹大學等單位在Globus上建立了虛擬實驗室網格中間件VLAM-G[9]，它是一個完整的面向網格的科學計算及可視化中間件和工具包.德國的愛因斯坦研究所（Cactus[10]的開發機構）和柏林Zuse研究所等聯合進行了GriKSL項目[11]，其目的是將使用Cactus的科學計算與可視化應用聯合起來，為大規模數據的科學計算提供遠程可視化和駕馭服務.美國高級計算基礎設施合作組織（NPACI）正在協調其成員聯合開發適用于超級計算的可視化工具（vistools.npaci.edu）和可視化服務（visservices.npaci.edu）.此外，美國伊利諾斯大學香檳分校的國家超級計算應用中心（NCSA）也正在實施網格相關的可視化服務計劃.歐洲CrossGrid項目開發了一個網格可視化中間件GridVisualisationKernel[12]，其目標是提供通用的可視化服務，將仿真程序和可視化連接起來并支持多種顯示設備.

在面向網格的可視化領域內，國內也正在進行著相關的探索，如浙江大學CAD&CG國家重點實驗室在2004年完成了GVis的初級原型系統，并對面向網格可視化領域的研究作了初步總結。基于此通過分析比較國內外研究工作，后來提出并實現了一個面向網格基于Java的交互式遠程并行可視化體系結構和系統Gvis[13]，GVis由網格支撐層、可視化層和網格門戶層組成，是一個基于Glbous的交互式遠程并行可視化系統，系統具有良好的交互性、跨平臺性和可擴展性。該體系結構（如圖2所示）與國內外面向網格可視化系統相比具有層次少，各層功能獨立，可擴展性、交互性和跨平臺性好等特點，支持面向網格的交互式并行可視化和遠程可視化，并可在進一步的擴展中支持協同可視化。是一個較為全面的面向網格的可視化系統。

圖2基于Java的Gvis體系結構

4．面向網格的可視化的發展方向

面向網格的可視化需要充分利用己有的研究成果，并在廣度、深度、通用性、互操作性和標準化方面更進一步。網格對于可視化的推動作用，在現階段并不主要體現在可視化應用性能的提高，而在于可視化應用方式的改變。簡單地講，面向網格的可視化可以支持更多的用戶，在更廣的范圍內使用更大的數據量。面向把應把握這一趨勢，在資源的動態性、異構性、多任務支持、可視化應用的交互性、系統的可擴展性等方向上做好面向網格的可視化應用研究工作。

5．總結

隨著科學計算逐漸向網格計算方向發展，可視化也必然會適應這種變化，從傳統的并行可視化走向支持網格、利用網格、服務網格的面向網格的可視化。當今，面向網格的可視化的研究具有一定的前瞻性.并取得了一定的成果，但在當前的硬件條件下，基于網格的可視化相比于傳統的可視化還有欠缺之處。有待于我們在更深、更廣的層次上基于應用背景更好繼續研究和發展。

[參考文獻]

[1]趙友兵，陳為，仇應俊，石教英，姜曉紅．并行/分布式直接體繪制算法綜述[R]．技術報告2004.

[2]石教英，趙友兵，仇應俊，陳為．面向網格的可視化系統研究JJ,計算機研究與發展，2004,41（12）：2231－2236.

[3]李燕梅，科學計算可視化技術的研究進展，2006-06.

[4]BKnosp，SWang，JNi.Grid-basedvolumerendering.The2002ACM/IEEEConferenceonSupercomputing，Baltimore，2002.

[5]MMiller，CMoulding，JDongarra，etal.Grid-enablingproblemsolvingenvironments:AcasestudyofSCIRunandnetsolve.HighPerformanceComputingSymp（HPC2001）inAdvancedSimulationTechnologiesConf2001，Seattle，2001。

[6]GViz:www.visualization.leeds.ac.uk/gviz/，2004-07.

[7]EWBethelJshalfCactus.Visapult:Anultra-highperformancegrid-distributedvisualizationarchitectureusingconnectionlessprotocols.IEEEComputerGraphicsandApplications，2003，23（2）:51-59.

[8]MThiebaux，HTangmunarunkit，KCzajkowski，etal.Scalablegrid-basedvisualizationframework[EB/OL].www.isi.edu/~hongsuda/publication/paper77.pdf,2004-07-12.

[9]ASZBelloum，DLGroep，ZWHendrikse，etal.VLAM-G：Agrid-basedvirtuallaboratoy.FutureGenerationComputerSystems，2003，19（2）：209~217.

[10]Cactus：http：，2004-06.

[11]GriKSL：www.aei.mpg.de／~tradke／GriKSL／，2004-07.

[12]DKranzlmuller，PHeinzlreiter，JVolkert.Grid-enabledvisualizationwithGVK.The1stEuropeanAcrossGridsConf2003，Santiago，Spain，2003.

[13]趙友兵面向網格基于Jvaa的交互式可視化系統GVis研究與實現2005-07.