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摘要：科學計算可視化是數(shù)據(jù)和計算密集型應用，隨著計算機硬件和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，科學計算可視化逐步從并行計算過渡到面向網(wǎng)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(wǎng)格的可視化。本文介紹了面向網(wǎng)格的可視化的研究內(nèi)容、應用以及它的發(fā)展趨勢和的研究方向。

關鍵字：可視化；網(wǎng)格計算；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(fā)展而出現(xiàn)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(shù)據(jù)”,來發(fā)現(xiàn)和理解科學計算過程中各種現(xiàn)象?？茖W計算可視化作為一種計算和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡技術獲得長足發(fā)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(guī)模不斷擴大。網(wǎng)格技術就是在這種條件下產(chǎn)生的一種面向互聯(lián)網(wǎng)的分布式計算方式，它是傳統(tǒng)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(wǎng)絡上的存儲和計算資源，通過對它們的動態(tài)組合為解決超級計算問題提供支持。雖然網(wǎng)格技術仍在發(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用在更廣的范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)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(wǎng)格以遠程或協(xié)作方式使用可視化應用。面向網(wǎng)格的可視化己經(jīng)成為可視化領域的一個新的研究方向。

2．面向網(wǎng)格的可視化主要研究內(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)格技術支持互聯(lián)網(wǎng)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(fā)展，可視化數(shù)據(jù)集的存儲量和計算量不斷增大，而網(wǎng)格技術能夠通過動態(tài)的資源組織滿足數(shù)據(jù)存儲和計算的要求，它能提供自治和動態(tài)的資源管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲和計算的分布，因而可以利用更廣范圍內(nèi)的資源，增強人們理解和使用科學數(shù)據(jù)的認知能力，擴充海量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的繪制，因此，長期以來，大數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)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(wǎng)格提供了一個更為統(tǒng)一的資源共享和使用平臺，在這個平臺上協(xié)調(diào)各種資源提供遠程可視化服務存在很多新的挑戰(zhàn)，因為需要處理數(shù)據(jù)、計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用，面向網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)格的可視化還應該為多用戶間的協(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)為多個用戶之間的協(xié)作。

第四，科學計算和可視化都是網(wǎng)格的主要應用對象?？梢暬ǔＪ强茖W計算的后續(xù)處理步驟，為了更好地對科學計算結(jié)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(xié)調(diào)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(huán)境的構建。

3．面向網(wǎng)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(chǎn)的重要作用，面向網(wǎng)格的可視化己經(jīng)成為一個新的研究方向，IEEECopmuterGraphics&Applications雜志為此在2003年3月出了網(wǎng)格可視化專專輯。美國，歐洲等在面向網(wǎng)格的可視化領域進行了較多研究，這些研究的側(cè)重點有所不同。

3．1基于網(wǎng)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(wǎng)格的體繪制框架［4］，他們使用Globus的資源管理、信息服務和數(shù)據(jù)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(tǒng)的基礎上使用Globus添加網(wǎng)格支持，在他們的設計中，可視化服務的實現(xiàn)由各個可視化服務器完成，并通過Globus的網(wǎng)格服務向用戶提供可視化服務。

3．2基于網(wǎng)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(huán)境SCIRun與NetSolve結(jié)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(wǎng)格支持，實現(xiàn)可視化與仿真的聯(lián)合、計算駕馭、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)格可視化研究及應用。如美國LawrenceBerkeley國家實驗室（LBNL）的Bethel等人使用UDP協(xié)議為Cactus設計了一個處理太（T）字節(jié)數(shù)據(jù)的并行可視化后端程序Visapult［7］。美國南加利福利亞大學的Thiebaux等人也對網(wǎng)格環(huán)境下海量數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出處理進行了深入研究[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(wǎng)格中間件VLAM-G[9]，它是一個完整的面向網(wǎng)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(fā)機構）和柏林Zuse研究所等聯(lián)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(lián)合起來，為大規(guī)模數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)其成員聯(lián)合開發(fā)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(wǎng)格相關的可視化服務計劃.歐洲CrossGrid項目開發(fā)了一個網(wǎng)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(wǎng)格的可視化領域內(nèi)，國內(nèi)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(tǒng)，并對面向網(wǎng)格可視化領域的研究作了初步總結(jié)。基于此通過分析比較國內(nèi)外研究工作，后來提出并實現(xiàn)了一個面向網(wǎng)格基于Java的交互式遠程并行可視化體系結(jié)構和系統(tǒng)Gvis[13]，GVis由網(wǎng)格支撐層、可視化層和網(wǎng)格門戶層組成，是一個基于Glbous的交互式遠程并行可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)具有良好的交互性、跨平臺性和可擴展性。該體系結(jié)構（如圖2所示）與國內(nèi)外面向網(wǎng)格可視化系統(tǒng)相比具有層次少，各層功能獨立，可擴展性、交互性和跨平臺性好等特點，支持面向網(wǎng)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(xié)同可視化。是一個較為全面的面向網(wǎng)格的可視化系統(tǒng)。

圖2基于Java的Gvis體系結(jié)構

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、互操作性和標準化方面更進一步。網(wǎng)格對于可視化的推動作用，在現(xiàn)階段并不主要體現(xiàn)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(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。面向把應把握這一趨勢，在資源的動態(tài)性、異構性、多任務支持、可視化應用的交互性、系統(tǒng)的可擴展性等方向上做好面向網(wǎng)格的可視化應用研究工作。

5．總結(jié)

隨著科學計算逐漸向網(wǎng)格計算方向發(fā)展，可視化也必然會適應這種變化，從傳統(tǒng)的并行可視化走向支持網(wǎng)格、利用網(wǎng)格、服務網(wǎng)格的面向網(wǎng)格的可視化。當今，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。有待于我們在更深、更廣的層次上基于應用背景更好繼續(xù)研究和發(fā)展。

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