網(wǎng)格可視化
          
						
						
						
						
						
          
						
						
					
          					
					 
           
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          摘要：科學(xué)計(jì)算可視化是數(shù)據(jù)和計(jì)算密集型應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化逐步從并行計(jì)算過渡到面向網(wǎng)格的分布式計(jì)算方式，促生了可視化領(lǐng)域的一個(gè)新研究點(diǎn)：面向網(wǎng)格的可視化。本文介紹了面向網(wǎng)格的可視化的研究?jī)?nèi)容、應(yīng)用以及它的發(fā)展趨勢(shì)和的研究方向。
           
          關(guān)鍵字：可視化；網(wǎng)格計(jì)算；體繪制；面向網(wǎng)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(xué)計(jì)算可視化(VisualizationinScientificComputing，VISC)是20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的新興技術(shù)，其基本思想是“用圖形和圖像來表征科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)”,來發(fā)現(xiàn)和理解科學(xué)計(jì)算過程中各種現(xiàn)象。科學(xué)計(jì)算可視化作為一種計(jì)算和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，往往需要較高的硬件配置，并常常利用并行技術(shù)進(jìn)行加速。［1］隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，圖形硬件性能急速提升，科學(xué)計(jì)算分布范圍不斷拓展，計(jì)算規(guī)模不斷擴(kuò)大。網(wǎng)格技術(shù)就是在這種條件下產(chǎn)生的一種面向互聯(lián)網(wǎng)的分布式計(jì)算方式，它是傳統(tǒng)的并行計(jì)算和分布式計(jì)算在深度和廣度上的拓展。其目的是利用分布在網(wǎng)絡(luò)上的存儲(chǔ)和計(jì)算資源，通過對(duì)它們的動(dòng)態(tài)組合為解決超級(jí)計(jì)算問題提供支持。雖然網(wǎng)格技術(shù)仍在發(fā)展之中，但它所提供的資源匯聚、自治協(xié)調(diào)等功能將使得可視化應(yīng)用在更廣的范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算，更好地與科學(xué)計(jì)算程序集成，并讓更廣范圍的用戶通過網(wǎng)格以遠(yuǎn)程或協(xié)作方式使用可視化應(yīng)用。面向網(wǎng)格的可視化己經(jīng)成為可視化領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向。
           
          2．面向網(wǎng)格的可視化主要研究?jī)?nèi)容
           
          面向網(wǎng)格的可視化，其含義是受網(wǎng)格支持的可視化，或網(wǎng)格驅(qū)動(dòng)的可視化，指的是利用網(wǎng)格的功能，為并行/分布式可視化提供基礎(chǔ)性支撐。圖1為面向網(wǎng)格的可視化說明示意圖。網(wǎng)格技術(shù)支持互聯(lián)網(wǎng)范圍的可視化應(yīng)用，它對(duì)于可視化應(yīng)用的意義有以下幾個(gè)方面。［2］［3］
           
          第一，隨著科學(xué)計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展，可視化數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)量和計(jì)算量不斷增大，而網(wǎng)格技術(shù)能夠通過動(dòng)態(tài)的資源組織滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的要求，它能提供自治和動(dòng)態(tài)的資源管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和計(jì)算的分布，因而可以利用更廣范圍內(nèi)的資源，增強(qiáng)人們理解和使用科學(xué)數(shù)據(jù)的認(rèn)知能力，擴(kuò)充海量數(shù)據(jù)處理的能力，延伸人類科學(xué)活動(dòng)的范圍。
           
          第二，可視化應(yīng)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(zhǎng)，但是仍然難以處理較大型數(shù)據(jù)的繪制，因此，長(zhǎng)期以來，大數(shù)據(jù)量的可視化應(yīng)用只能運(yùn)行在高端并行計(jì)算機(jī)和PC集群上，往往需要遠(yuǎn)程使用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，遠(yuǎn)程可視化的空間進(jìn)一步擴(kuò)大了。與基于Web的遠(yuǎn)程可視化相比，網(wǎng)格提供了一個(gè)更為統(tǒng)一的資源共享和使用平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上協(xié)調(diào)各種資源提供遠(yuǎn)程可視化服務(wù)存在很多新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰幚頂?shù)據(jù)、計(jì)算和顯示等多種類型的分步。
           
          圖1面向網(wǎng)格的可視化說明示意圖
           
          第三，作為一種分布式可視化應(yīng)用，面向網(wǎng)格的可視化應(yīng)當(dāng)支持多用戶多任務(wù)，多個(gè)不同用戶應(yīng)該可以同時(shí)使用系統(tǒng)而互不干擾，同時(shí)每個(gè)用戶又可以提交多個(gè)任務(wù)。另外，面向網(wǎng)格的可視化還應(yīng)該為多用戶間的協(xié)同提供支持。協(xié)同也是網(wǎng)格的一項(xiàng)重要特征。網(wǎng)格提供虛擬組織支持，這種虛擬組織的概念除表現(xiàn)為資源的虛擬化外，更突出表現(xiàn)為多個(gè)用戶之間的協(xié)作。
           
          第四，科學(xué)計(jì)算和可視化都是網(wǎng)格的主要應(yīng)用對(duì)象。可視化通常是科學(xué)計(jì)算的后續(xù)處理步驟，為了更好地對(duì)科學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化和駕馭，需要在可視化流程和科學(xué)計(jì)算過程之間進(jìn)行協(xié)調(diào)和集成。通過這種集成可以更好地獲得反饋并進(jìn)行控制，提高資源的利用效率，方便問題求解環(huán)境的構(gòu)建。
           
          3．面向網(wǎng)格的可視化的探索及應(yīng)用
           
          由于科學(xué)計(jì)算可視化對(duì)于科研和生產(chǎn)的重要作用，面向網(wǎng)格的可視化己經(jīng)成為一個(gè)新的研究方向，IEEECopmuterGraphics&Applications雜志為此在2003年3月出了網(wǎng)格可視化專專輯。美國(guó)，歐洲等在面向網(wǎng)格的可視化領(lǐng)域進(jìn)行了較多研究，這些研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同。
           
          3．1基于網(wǎng)格技術(shù)支持的并行體繪制的研究應(yīng)用。如美國(guó)愛荷華大學(xué)的Knosp等人提出了一個(gè)基于網(wǎng)格的體繪制框架［4］，他們使用Globus的資源管理、信息服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸工具支持并行體繪制框架；另外美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的計(jì)算可視化中心(CCV，ccvweb.csres.utexas.edu/ccv/)在己有的遠(yuǎn)程并行繪制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用Globus添加網(wǎng)格支持，在他們的設(shè)計(jì)中，可視化服務(wù)的實(shí)現(xiàn)由各個(gè)可視化服務(wù)器完成，并通過Globus的網(wǎng)格服務(wù)向用戶提供可視化服務(wù)。
           
          3．2基于網(wǎng)格技術(shù)支持的可視化軟件的應(yīng)用。如美國(guó)猶他大學(xué)科學(xué)計(jì)算研究所曾將他們的可視化問題求解環(huán)境SCIRun與NetSolve結(jié)合［5］。英國(guó)利茲大學(xué)和英國(guó)NAG公司等共同進(jìn)行了GViz項(xiàng)目［6］，其主要目標(biāo)是為NAG公司的可視化軟件IRISExplorer增加網(wǎng)格支持，實(shí)現(xiàn)可視化與仿真的聯(lián)合、計(jì)算駕馭、多用戶協(xié)同等功能。
           
          3．3側(cè)重于大規(guī)模數(shù)據(jù)集傳輸?shù)木W(wǎng)格可視化研究及應(yīng)用。如美國(guó)LawrenceBerkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的Bethel等人使用UDP協(xié)議為Cactus設(shè)計(jì)了一個(gè)處理太（T）字節(jié)數(shù)據(jù)的并行可視化后端程序Visapult［7］。美國(guó)南加利福利亞大學(xué)的Thiebaux等人也對(duì)網(wǎng)格環(huán)境下海量數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出處理進(jìn)行了深入研究[8]。
           
          3．4面向網(wǎng)格的可視化中間件和體系結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用。如荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)等單位在Globus上建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)格中間件VLAM-G[9]，它是一個(gè)完整的面向網(wǎng)格的科學(xué)計(jì)算及可視化中間件和工具包.德國(guó)的愛因斯坦研究所（Cactus[10]的開發(fā)機(jī)構(gòu)）和柏林Zuse研究所等聯(lián)合進(jìn)行了GriKSL項(xiàng)目[11]，其目的是將使用Cactus的科學(xué)計(jì)算與可視化應(yīng)用聯(lián)合起來，為大規(guī)模數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)算提供遠(yuǎn)程可視化和駕馭服務(wù).美國(guó)高級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施合作組織（NPACI）正在協(xié)調(diào)其成員聯(lián)合開發(fā)適用于超級(jí)計(jì)算的可視化工具（vistools.npaci.edu）和可視化服務(wù)（visservices.npaci.edu）.此外，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)香檳分校的國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心（NCSA）也正在實(shí)施網(wǎng)格相關(guān)的可視化服務(wù)計(jì)劃.歐洲CrossGrid項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)網(wǎng)格可視化中間件GridVisualisationKernel[12]，其目標(biāo)是提供通用的可視化服務(wù)，將仿真程序和可視化連接起來并支持多種顯示設(shè)備.
           
          在面向網(wǎng)格的可視化領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)內(nèi)也正在進(jìn)行著相關(guān)的探索，如浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在2004年完成了GVis的初級(jí)原型系統(tǒng)，并對(duì)面向網(wǎng)格可視化領(lǐng)域的研究作了初步總結(jié)。基于此通過分析比較國(guó)內(nèi)外研究工作，后來提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向網(wǎng)格基于Java的交互式遠(yuǎn)程并行可視化體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)Gvis[13]，GVis由網(wǎng)格支撐層、可視化層和網(wǎng)格門戶層組成，是一個(gè)基于Glbous的交互式遠(yuǎn)程并行可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)具有良好的交互性、跨平臺(tái)性和可擴(kuò)展性。該體系結(jié)構(gòu)（如圖2所示）與國(guó)內(nèi)外面向網(wǎng)格可視化系統(tǒng)相比具有層次少，各層功能獨(dú)立，可擴(kuò)展性、交互性和跨平臺(tái)性好等特點(diǎn)，支持面向網(wǎng)格的交互式并行可視化和遠(yuǎn)程可視化，并可在進(jìn)一步的擴(kuò)展中支持協(xié)同可視化。是一個(gè)較為全面的面向網(wǎng)格的可視化系統(tǒng)。
           
          圖2基于Java的Gvis體系結(jié)構(gòu)
           
          4．面向網(wǎng)格的可視化的發(fā)展方向
           
          面向網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)化方面更進(jìn)一步。網(wǎng)格對(duì)于可視化的推動(dòng)作用，在現(xiàn)階段并不主要體現(xiàn)在可視化應(yīng)用性能的提高，而在于可視化應(yīng)用方式的改變。簡(jiǎn)單地講，面向網(wǎng)格的可視化可以支持更多的用戶，在更廣的范圍內(nèi)使用更大的數(shù)據(jù)量。面向把應(yīng)把握這一趨勢(shì)，在資源的動(dòng)態(tài)性、異構(gòu)性、多任務(wù)支持、可視化應(yīng)用的交互性、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性等方向上做好面向網(wǎng)格的可視化應(yīng)用研究工作。
           
          5．總結(jié)
           
          隨著科學(xué)計(jì)算逐漸向網(wǎng)格計(jì)算方向發(fā)展，可視化也必然會(huì)適應(yīng)這種變化，從傳統(tǒng)的并行可視化走向支持網(wǎng)格、利用網(wǎng)格、服務(wù)網(wǎng)格的面向網(wǎng)格的可視化。當(dāng)今，面向網(wǎng)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(dāng)前的硬件條件下，基于網(wǎng)格的可視化相比于傳統(tǒng)的可視化還有欠缺之處。有待于我們?cè)诟睢⒏鼜V的層次上基于應(yīng)用背景更好繼續(xù)研究和發(fā)展。
           
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