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CN105676290B - 基于曲面细分的地震数据三维显示方法 - Google Patents

基于曲面细分的地震数据三维显示方法 Download PDF

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CN105676290B CN201610204785.3A CN201610204785A CN105676290B CN 105676290 B CN105676290 B CN 105676290B CN 201610204785 A CN201610204785 A CN 201610204785A CN 105676290 B CN105676290 B CN 105676290B
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Abstract

本发明属于计算机图形学和数据可视化领域，涉及一种基于曲面细分的地震数据三维显示方法。本发明使用Directx11编程工具，基于三阶贝塞尔曲面细分算法，实现了地震数据的三维显示方法。对于准备好的顶点缓存，设置GPU以面片的方式组装控制点，因此不需要索引缓存，从而省去了因确定索引缓冲而产生的槽和脊的问题。此外，基于GPU编程的曲面细分技术的运用，生成了更多的控制点，使得网格的显示更加细腻平滑并具有很好的实时性。

Description

基于曲面细分的地震数据三维显示方法
技术领域
本发明属于计算机图形学和数据可视化领域，涉及一种基于曲面细分的地震数据三维显示方法。
背景技术
随着地震勘探技术的应用与发展，勘探家对地震解释成果的要求也越来越高。伴随着计算机硬件的发展，尤其是GPU的快速发展，地震数据三维显示技术逐渐被人重视。传统的地震数据显示方法：波形显示、灰度变密度显示以及彩色变密度显示都属于二维显示方法，不能提供多个角度观察地震数据，往往该类地震数据解释系统会丢失很多细节。
2008年Steven Lynch博士在他的博士论文《More than Meets the Eye–A Studyin Seismic Visualization》提出了一种地震数据剖面三维显示方法，Steven Lynch博士把该方法分为三个步骤：网格化、光照以及颜色显示。第一步的网格化是关键部分，由于GPU渲染单元为三角形，因此在地震数据网格化时需要指定相应的顶点索引。Steven Lynch博士在确定地震数据的顶点索引时出现了如下问题，如图1所示，对于四个数据点组成的四边形，有两种方式产生两个渲染三角形单元，但是对于含有位置信息的顶点来说，这两种连接方式分别产生槽和脊，因此有时会对走势明显的地形产生破坏。如图2所示，由于槽的存在，使得地形走势显示错误。
1978年Edwin Catmull和Jim Clark提出经典的Catmull-Clark曲面细分算法，由于该算法的递归特性不适用于GPU编程，基于三角形的Loop细分算法也不适用GPU编程。近些年一大批适用于GPU编程的曲面细分算法被提出，比如：2008年CHARLES LOOP和SCOTTSCHAEFER两人于2008年提出了一种近似Catmull-Clark细分面的算法、同年TamyBoubekeur提出的Phong细分算法。2009年微软发布Directx11，Directx11带来了细分曲面管线，并且GPU在读取顶点缓存时可以以面片的方式读取，方便散乱点的曲面拟合以及曲面细分算法的实现。
地震数据采集时，是在地面上布置一条条侧线，按照一定的时间间隔进行采样，数据是离散化保存，在进行三维解释的时候，近距离观察地质结构时会发现严重的网格化，如图4所示。
发明内容
发明目的：以解决地震数据网格化时的索引连接问题以及近距离观察时的网格化问题。
本发明包括：至少支持Directx11的GPU。
本发明的特征在于，在计算机中是依次按以下步骤实现的：
步骤(1)，SEG-Y格式地震数据的解析：
SEG-Y格式是地震数据最为普遍的格式之一。一般包括三部分，分别为EBCDIC文件头、二进制文件头以及地震道。用N表示数据体的第N道数据道，则第N道道头和道数据读取位置分别为：
3600+(N-1) (240+sample_num*data_size)
3600+(N-1) (2400+sample_num*data_size)+240
SEG-Y结构是一样的，由于微机与和工作站的数据的存储格式不同，工作站高字节在前，低字节在后，而微机则是低字节在前，高字节在后。在数据读取时需要进行高、低位数据交换。
步骤(2)，初始化顶点缓存：
自定义顶点结构，保存数据体的三维信息，从SEG-Y读取数据到二维数组中，记为data[trace_num][sample_num]。采用三阶贝塞尔曲面进行数据点的拟合，三阶贝塞尔曲面的表达式为：
一个三阶贝塞尔曲面片的确定需要16个控制点，对于得到的二维数组数据源data[trace_num][sample_num]，GPU在进行读取时，是按照一维数组进行读取的，因此需要进行二维数组到一维数组的转换，面片N与面片M左右相邻，控制点分别记为：
N[0][0]，N[1][0]，N[2][0]，N[3][0] M[0][0]，M[1][0]，M[2][0]，M[3][0]
N[0][1]，N[1][1]，N[2][1]，N[3][1] M[0][1]，M[1][1]，M[2][1]，M[3][1]
N[0][2]，N[1][2]，N[2][2]，N[3][2] M[0][2]，M[1][2]，M[2][2]，M[3][2]
N[0][3]，N[1][3]，N[2][3]，N[3][3] M[0][3]，M[1][3]，M[2][3]，M[3][3]
为了消除N与M之间的裂缝，则需要N与M面片都包含相邻边的数据，因此N面片与M面片消除裂缝的条件如下：
M[0][0]＝N[3][0]，M[0][1]＝N[3][1]，M[0][2]＝N[3][2]，M[0][3]＝N[3][3]
面片的空间关系可以分为上下左右四个方位，消除裂缝算法如下：
For:i＝1,4,7…trace_num-3
For:j＝1,4,7…sample_num-3
Row1 data:data[i-1][j-1],data[i+0][j-1],data[i+1][j-1],data[i+2][j-1]
Row2 data:data[i-1][j],data[i+0][j],data[i+1][j],data[i+2][j]
Row3 data:data[i-1][j+1],data[i+0][j+1],data[i+1][j+1],data[i+2][j+1]
Row4 data:data[i-1][j+2],data[i+0][j+2],data[i+1][j+2],data[i+2][j+2]
步骤(3)，创建顶点布局：
在自定义顶点结构中定义顶点的相关属性，此处只需要一个三维坐标信息，保存地震数据点的位置信息。
步骤(4)，设置图元拓扑类型：
用IASetPrimitiveTopology设置
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST，使得GPU以面片的方式读取顶点缓存；
为了能启用Directx11的细分阶段，设置Input Assembler的图元拓扑类型，使其接收的是控制面片的结构，用IASetPrimitiveTopology设置
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST，使得GPU以面片的方式读取顶点缓存。
步骤(5)，曲面细分：
准备好顶点缓冲后，在GPU中实现曲面细分算法，GPU以
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST组装方式对输入的顶点缓存进行读取，对于给定的u，v，使用公式：
求出细分得到的顶点的三维坐标。具体步骤是：
第一步：设置一个静态缓冲来存储每一帧绘制时需要用到的数据，其中数据包括：透视矩阵、摄像机位置、细分因子、地震数据最大幅值和地震数据最小幅值。
第二步：patch静态函数，程序对由16个控制点组成的面片执行一次，在该函数中对每个面片的细分因子进行设置，为第一步中确定的细分因子。
第三步：hull着色程序，对每个输出控制点执行一次，设置细分domain为四边形，输出控制点的数量为16，并指定patch函数为第二步中的patch函数。
第四步：domain着色程序，在该程序中对tessellator阶段生成的顶点进行定位，使用公式
得到给定(u,v)坐标后相应的顶点坐标。
步骤(6)，顶点颜色插值：
在GPU的像素着色阶进行顶点颜色的确定，记步骤(5)第一步中得到的幅值最大值最小值分别为MAX，MIN。对于给定顶点V的地震幅值Z，若其幅值为正，求Z与MAX比例，记为a，则该顶点颜色为：(1-a,1-a,1)。若其幅值为负，求Z与MIN比例，记为b，则该顶点颜色为：(1,1-b,1-b)。
本发明使用Directx11编程工具，基于三阶贝塞尔曲面细分算法，实现了地震数据的三维显示方法。对于准备好的顶点缓存，设置GPU以面片的方式组装控制点，因此不需要索引缓存，从而省去了因确定索引缓冲而产生的槽和脊的问题。此外，基于GPU编程的曲面细分技术的运用，生成了更多的控制点，使得网格的显示更加细腻平滑并具有很好的实时性。
附图说明
图1为四个采样点，采用不同的方式会产生槽和脊
图2为由于槽的存在，破坏了原有地形结构
图3为进行曲面细分后的效果图
图4为近距离观察时的效果图
图5为曲面细分过后显示效果图
图6为原始数据绘制得到的网格
图7为细分因子为3时绘制得到的网格
图8为基于曲面细分的地震数据三维显示方法流程图
图9为SEG-Y文件数据格式示意图
图10为左右相邻面片控制点示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图8是本发明的流程图，在计算机中按如下步骤进行：
步骤(1)，SEG-Y格式地震数据的解析：
SEG-Y格式是地震数据一般包括三部分，分别为EBCDIC文件头、二进制文件头以及地震道，如图9所示。用N表示数据体的第N道数据道，则第N道道头和道数据读取位置分别为：
3600+(N-1) (240+sample_num*data_size)
3600+(N-1) (2400+sample_num*data_size)+240
SEG-Y结构是一样的，由于微机与和工作站的数据的存储格式不同，工作站高字节在前，低字节在后，而微机则是低字节在前，高字节在后。在数据读取时需要进行高、低位数据交换。
步骤(2)，初始化顶点缓存：
自定义顶点结构，保存数据体的三维信息，从SEG-Y读取数据到二维数组中。从二维数组中初始化顶点缓冲。采用三阶贝塞尔曲面进行数据点的拟合。
对贝塞尔曲面求偏导数，得到偏导数可以很方便的求解顶点的法向量。得到法向量后可以进行地震数据网格的光照显示。偏导数公式如下：
一个三阶贝塞尔曲面片的确定需要16个控制点，对于得到的二维数组数据源data[trace_num][sample_num]，GPU在进行读取时，是按照一维数组进行读取的，因此需要进行二维数组到一维数组的转换，面片N与面片M左右相邻，控制点分别记为：
N[0][0]，N[1][0]，N[2][0]，N[3][0] M[0][0]，M[1][0]，M[2][0]，M[3][0]
N[0][1]，N[1][1]，N[2][1]，N[3][1] M[0][1]，M[1][1]，M[2][1]，M[3][1]
N[0][2]，N[1][2]，N[2][2]，N[3][2] M[0][2]，M[1][2]，M[2][2]，M[3][2]
N[0][3]，N[1][3]，N[2][3]，N[3][3] M[0][3]，M[1][3]，M[2][3]，M[3][3]
为了消除N与M之间的裂缝，则需要N与M面片都包含相邻边的数据，因此N面片与M面片消除裂缝的条件如下：
M[0][0]＝N[3][0]，M[0][1]＝N[3][1]，M[0][2]＝N[3][2]，M[0][3]＝N[3][3]
如图10所示，面片N与面片M左右相邻，因此第四列显示为x的顶点在顶点初始化时为两个面片共享。
面片的空间关系可以分为上下左右四个方位，消除裂缝算法如下：
For:i＝1,4,7…trace_num-3
For:j＝1,4,7…sample_num-3
Row1 data:data[i-1][j-1],data[i+0][j-1],data[i+1][j-1],data[i+2][j-1]
Row2 data:data[i-1][j],data[i+0][j],data[i+1][j],data[i+2][j]
Row3 data:data[i-1][j+1],data[i+0][j+1],data[i+1][j+1],data[i+2][j+1]
Row4 data:data[i-1][j+2],data[i+0][j+2],data[i+1][j+2],data[i+2][j+2]
步骤(3)，创建顶点布局：
在自定义定点结构中定义顶点的相关属性，此处只需要一个三维坐标信息，保存地震数据点的位置信息。
步骤(4)，设置图元拓扑类型：
为了能启用Directx11的细分阶段，设置Input Assembler的图元拓扑类型，使其接收的是控制面片的结构，用IASetPrimitiveTopology设置D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST，使得GPU以面片的方式读取顶点缓存。
Directx11是微软公司2009年提供的多媒体编程接口，为了能启用Directx11的细分阶段，需要设置Input Assembler阶段的图元拓扑类型，使其接收的是控制面片的结构，在CPU代码中使用IASetPrimitiveTopology函数来设置GPU以面片的方式读取顶点缓存，Directx11提供了新的图元使得可以设置GPU以面片的方式组装顶点。
步骤(5)，曲面细分：
准备好顶点缓冲后，在GPU中实现曲面细分算法，GPU以
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST组装方式对输入的顶点缓存进行读取，对于给定的u，v，使用公式：
求出细分得到的顶点的三维坐标。具体步骤是：
第一步：设置一个静态缓冲来存储每一帧绘制时需要用到的数据，其中数据包括：透视矩阵、摄像机位置、细分因子、地震数据最大幅值和地震数据最小幅值。
第二步：patch静态函数，程序对由16个控制点组成的面片执行一次，在该函数中对每个面片的细分因子进行设置，为第一步中确定的细分因子。
第三步：hull着色程序，对每个输出控制点执行一次，设置细分domain为四边形，输出控制点的数量为16，并指定patch函数为第二步中的patch函数。
第四步：domain着色程序，在该程序中对tessellator阶段生成的顶点进行定位，使用公式
得到给定(u,v)坐标后相应的顶点坐标。
步骤(6)，顶点颜色插值：
在GPU的像素着色阶进行顶点颜色的确定，记步骤(5)第一步中得到的幅值最大值最小值分别为MAX，MIN。对于给定顶点V的地震幅值Z，若其幅值为正，求Z与MAX比例，记为a，则该顶点颜色为：(1-a,1-a,1)。若其幅值为负，求Z与MIN比例，记为b，则该顶点颜色为：(1,1-b,1-b)。
经过以上步骤后，实现了基于曲面细分的地震数据三维显示方法，图3展示了进行曲面细分后的显示效果，与图2相比，正确的显示出原有的地形走势。图4与图5在同一观察距离对地震数据进行观察，图5的显示效果明显更加细腻平滑。由对比可知，基于曲面细分的地震数据三维显示方法很好的解决了因确定索引缓冲而产生的槽和脊的问题以及近距离观察的网格化问题。

Claims (1)

1.基于曲面细分的地震数据三维显示方法；其特征在于，按以下步骤实现的：
步骤(1)，SEG-Y格式地震数据的解析：
SEG-Y格式是地震数据的格式之一；包括三部分，分别为EBCDIC文件头、二进制文件头以及地震道；用N表示数据体的第N道数据道，则第N道道头和道数据读取位置分别为：
3600+(N-1)(240+sample_num*data_size)
3600+(N-1)(2400+sample_num*data_size)+240
其中，sample_num表示SEG-Y格式数据的总采样点数，data_size表示存储一个数据点所占的字节数；
SEG-Y格式是统一的，但由于微机和工作站的数据的存储格式不同，工作站高字节在前，低字节在后，而微机则是低字节在前，高字节在后；在数据读取时需要进行高、低位数据交换；
步骤(2)，初始化顶点缓存：
自定义顶点结构，保存数据体的三维信息，从SEG-Y读取数据到二维数组中，保存数据的二维数组记为data[trace_num][sample_num]，其中trace_num表示SEG-Y地震数据总地震道数，sample_num表示总采样点数；采用三阶贝塞尔曲面进行数据点的拟合，三阶贝塞尔曲面的表达式为：
其中，表示伯恩斯坦多项式，pi,j是编号为i，j的控制顶点，表达式如下：
且为整数
且为整数
一个三阶贝塞尔曲面片的确定需要16个控制点，对于得到的二维数组data[trace_num][sample_num]，GPU在进行读取时，是按照一维数组进行读取的，因此需要进行二维数组到一维数组的转换，面片N与面片M左右相邻，控制点分别记为：
N[0][0]，N[1][0]，N[2][0]，N[3][0]M[0][0]，M[1][0]，M[2][0]，M[3][0]
N[0][1]，N[1][1]，N[2][1]，N[3][1]M[0][1]，M[1][1]，M[2][1]，M[3][1]
N[0][2]，N[1][2]，N[2][2]，N[3][2]M[0][2]，M[1][2]，M[2][2]，M[3][2]
N[0][3]，N[1][3]，N[2][3]，N[3][3]M[0][3]，M[1][3]，M[2][3]，M[3][3]
为了消除N与M之间的裂缝，则需要N与M面片都包含相邻边的数据，因此N面片与M面片消除裂缝的条件如下：
M[0][0]＝N[3][0]，M[0][1]＝N[3][1]，M[0][2]＝N[3][2]，M[0][3]＝N[3][3]
面片的空间关系分为上下左右四个方位，消除裂缝算法如下：
设m为当前地震道数，取值为1,4,7…trace_num-3，对于给定的地震道数m，n表示当前采样点数，取值为1,4,7…sample_num-3；对于给定的m,n，为了确定由16个顶点组成的面片，其中16个顶点共分为4行，每行由4个顶点组成，则有：
第一行顶点数据：data[m-1][n-1],data[m+0][n-1],data[m+1][n-1],data[m+2][n-1]
第二行顶点数据：data[m-1][n],data[m+0][n],data[m+1][n],data[m+2][n]
第三行顶点数据：data[m-1][n+1],data[m+0][n+1],data[m+1][n+1],data[m+2][n+1]
第四行顶点数据：data[m-1][n+2],data[m+0][n+2],data[m+1][n+2],data[m+2][n+2]；
步骤(3)，创建顶点布局：
在自定义顶点结构中定义顶点的相关属性，此处只需要一个三维坐标信息，保存地震数据点的位置信息；
步骤(4)，设置图元拓扑类型：
用IASetPrimitiveTopology设置D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST，使得GPU以面片的方式读取顶点缓存；D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST表示GPU会用以16个顶点组成的面片作为一个图元进行组装；
步骤(5)，曲面细分：
准备好顶点缓冲后，在GPU中实现曲面细分算法，GPU以
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST组装方式对输入的顶点缓存进行读取，设u，v为曲面参数，取值范围为[0,1]，对于给定的u，v使用公式：
求出细分得到的顶点的三维坐标；具体步骤是：
第一步：设置一个静态缓存来存储每一帧绘制时需要用到的数据，其中数据包括：透视矩阵、摄像机位置、细分因子、地震数据最大幅值和地震数据最小幅值；
第二步：patch静态函数，该函数对每个由16个控制点组成的面片执行一次，在该函数中对每个面片的细分因子进行设置，该值为第一步中确定的细分因子取值；
第三步：hull着色程序，该程序对每个输出控制点执行一次，设置细分domain为四边形，输出控制点的数量为16，并指定patch函数为第二步中的patch函数；
第四步：domain着色程序，在该程序中对细分着色器中生成的顶点进行定位，使用公式：
得到给定(u,v)取值后相应的顶点的坐标；
步骤(6)，顶点颜色插值：
在GPU的像素着色阶进行顶点颜色的确定，记步骤(5)第一步中得到的幅值最大值最小值分别为MAX，MIN；对于给定顶点V的地震幅值Z，若其幅值为正，求Z与MAX比例，记为a，则该顶点颜色为：(1-a,1-a,1)；若其幅值为负，求Z与MIN比例，记为b，则该顶点颜色为：(1,1-b,1-b)。
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Interpretive Tools for 3-D Structural Geological Modelling Part II: Surface Design from Sparse Spatial Data;KEVIN B. SPRAGUE et al.;《GeoInformatica》;20051231;第5－32页 *
基于OPENGL的曲面造型;李治国，等;《计算机仿真》;20080430;第25卷(第4期);第206－209页 *

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