面向网格可视化分析论文

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1．面向网格的可视化主要研究内容

面向网格的可视化，其含义是受网格支持的可视化，或网格驱动的可视化，指的是利用网格的功能，为并行/分布式可视化提供基础性支撑。图1为面向网格的可视化说明示意图。网格技术支持互联网范围的可视化应用，它对于可视化应用的意义有以下几个方面。［2］［3］

第一，随着科学计算应用的发展，可视化数据集的存储量和计算量不断增大，而网格技术能够通过动态的资源组织满足数据存储和计算的要求，它能提供自治和动态的资源管理，实现数据采集、存储和计算的分布，因而可以利用更广范围内的资源，增强人们理解和使用科学数据的认知能力，扩充海量数据处理的能力，延伸人类科学活动的范围。

第二，可视化应用的高资源需求性必然限制其可访问性，近年来，虽然PC处理器和图形硬件的性能在以惊人的速度成长，但是仍然难以处理较大型数据的绘制，因此，长期以来，大数据量的可视化应用只能运行在高端并行计算机和PC集群上，往往需要远程使用。随着互联网的普及，远程可视化的空间进一步扩大了。与基于Web的远程可视化相比，网格提供了一个更为统一的资源共享和使用平台，在这个平台上协调各种资源提供远程可视化服务存在很多新的挑战，因为需要处理数据、计算和显示等多种类型的分步。

图1面向网格的可视化说明示意图

第三，作为一种分布式可视化应用，面向网格的可视化应当支持多用户多任务，多个不同用户应该可以同时使用系统而互不干扰，同时每个用户又可以提交多个任务。另外，面向网格的可视化还应该为多用户间的协同提供支持。协同也是网格的一项重要特征。网格提供虚拟组织支持，这种虚拟组织的概念除表现为资源的虚拟化外，更突出表现为多个用户之间的协作。

第四，科学计算和可视化都是网格的主要应用对象。可视化通常是科学计算的后续处理步骤，为了更好地对科学计算结果进行可视化和驾驭，需要在可视化流程和科学计算过程之间进行协调和集成。通过这种集成可以更好地获得反馈并进行控制，提高资源的利用效率，方便问题求解环境的构建。

3．面向网格的可视化的探索及应用

由于科学计算可视化对于科研和生产的重要作用，面向网格的可视化己经成为一个新的研究方向，IEEECopmuterGraphics&Applications杂志为此在2003年3月出了网格可视化专专辑。美国，欧洲等在面向网格的可视化领域进行了较多研究，这些研究的侧重点有所不同。

2．1基于网格技术支持的并行体绘制的研究应用。如美国爱荷华大学的Knosp等人提出了一个基于网格的体绘制框架［4］，他们使用Globus的资源管理、信息服务和数据传输工具支持并行体绘制框架；另外美国德克萨斯大学奥斯汀分校的计算可视化中心(CCV，ccvweb.csres.utexas.edu/ccv/)在己有的远程并行绘制系统的基础上使用Globus添加网格支持，在他们的设计中，可视化服务的实现由各个可视化服务器完成，并通过Globus的网格服务向用户提供可视化服务。

2．2基于网格技术支持的可视化软件的应用。如美国犹他大学科学计算研究所曾将他们的可视化问题求解环境SCIRun与NetSolve结合［5］。英国利兹大学和英国NAG公司等共同进行了GViz项目［6］，其主要目标是为NAG公司的可视化软件IRISExplorer增加网格支持，实现可视化与仿真的联合、计算驾驭、多用户协同等功能。

2．3侧重于大规模数据集传输的网格可视化研究及应用。如美国LawrenceBerkeley国家实验室（LBNL）的Bethel等人使用UDP协议为Cactus设计了一个处理太（T）字节数据的并行可视化后端程序Visapult［7］。美国南加利福利亚大学的Thiebaux等人也对网格环境下海量数据的并行输入/输出处理进行了深入研究[8]。

2．4面向网格的可视化中间件和体系结构的研究及应用。如荷兰阿姆斯特丹大学等单位在Globus上建立了虚拟实验室网格中间件VLAM-G[9]，它是一个完整的面向网格的科学计算及可视化中间件和工具包.德国的爱因斯坦研究所（Cactus[10]的开发机构）和柏林Zuse研究所等联合进行了GriKSL项目[11]，其目的是将使用Cactus的科学计算与可视化应用联合起来，为大规模数据的科学计算提供远程可视化和驾驭服务.美国高级计算基础设施合作组织（NPACI）正在协调其成员联合开发适用于超级计算的可视化工具（vistools.npaci.edu）和可视化服务（visservices.npaci.edu）.此外，美国伊利诺斯大学香槟分校的国家超级计算应用中心（NCSA）也正在实施网格相关的可视化服务计划.欧洲CrossGrid项目开发了一个网格可视化中间件GridVisualisationKernel[12]，其目标是提供通用的可视化服务，将仿真程序和可视化连接起来并支持多种显示设备.

在面向网格的可视化领域内，国内也正在进行着相关的探索，如浙江大学CAD&CG国家重点实验室在2004年完成了GVis的初级原型系统，并对面向网格可视化领域的研究作了初步总结。基于此通过分析比较国内外研究工作，后来提出并实现了一个面向网格基于Java的交互式远程并行可视化体系结构和系统Gvis[13]，GVis由网格支撑层、可视化层和网格门户层组成，是一个基于Glbous的交互式远程并行可视化系统，系统具有良好的交互性、跨平台性和可扩展性。该体系结构（如图2所示）与国内外面向网格可视化系统相比具有层次少，各层功能独立，可扩展性、交互性和跨平台性好等特点，支持面向网格的交互式并行可视化和远程可视化，并可在进一步的扩展中支持协同可视化。是一个较为全面的面向网格的可视化系统。

图2基于Java的Gvis体系结构

3．面向网格的可视化的发展方向

面向网格的可视化需要充分利用己有的研究成果，并在广度、深度、通用性、互操作性和标准化方面更进一步。网格对于可视化的推动作用，在现阶段并不主要体现在可视化应用性能的提高，而在于可视化应用方式的改变。简单地讲，面向网格的可视化可以支持更多的用户，在更广的范围内使用更大的数据量。面向把应把握这一趋势，在资源的动态性、异构性、多任务支持、可视化应用的交互性、系统的可扩展性等方向上做好面向网格的可视化应用研究工作。

4．总结

随着科学计算逐渐向网格计算方向发展，可视化也必然会适应这种变化，从传统的并行可视化走向支持网格、利用网格、服务网格的面向网格的可视化。当今，面向网格的可视化的研究具有一定的前瞻性.并取得了一定的成果，但在当前的硬件条件下，基于网格的可视化相比于传统的可视化还有欠缺之处。有待于我们在更深、更广的层次上基于应用背景更好继续研究和发展。

[参考文献]

[1]赵友兵，陈为，仇应俊，石教英，姜晓红．并行/分布式直接体绘制算法综述[R]．技术报告2004.

[2]石教英，赵友兵，仇应俊，陈为．面向网格的可视化系统研究JJ,计算机研究与发展，2004,41（12）：2231－2236.

[3]李燕梅，科学计算可视化技术的研究进展，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]赵友兵面向网格基于Jvaa的交互式可视化系统GVis研究与实现2005-07.

摘要：科学计算可视化是数据和计算密集型应用，随着计算机硬件和网络技术的发展，科学计算可视化逐步从并行计算过渡到面向网格的分布式计算方式，促生了可视化领域的一个新研究点：面向网格的可视化。本文介绍了面向网格的可视化的研究内容、应用以及它的发展趋势和的研究方向。

关键字：可视化；网格计算；体绘制；面向网格的可视化