專利名稱：用于實時可視化多卷數(shù)據(jù)集的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及多卷(multiple volume)數(shù)據(jù)集——也稱為三維卷數(shù)據(jù)集的可視化。圖像處理器(“GPU”)，有時也稱為顯卡，用于以交互率可視化(協(xié)同繪制)三維體數(shù)據(jù)集——意味著實時。
背景技術(shù)：
在應(yīng)用科學(xué)中，學(xué)習(xí)的各種領(lǐng)域需要二維或三維卷數(shù)據(jù)集的分析，其中每個數(shù)據(jù)卷可具有多種表示不同物理性質(zhì)的屬性。屬性，有時稱為數(shù)據(jù)值，表示在確定的二維或三維空間內(nèi)對象的一種特定的物理性質(zhì)。數(shù)據(jù)值可能是例如包括256個可能值的8字節(jié)的數(shù)據(jù)字。屬性的位置由&，7，數(shù)據(jù)值)或者(x，y，z，數(shù)據(jù)值)表示。如果該屬性表示特定位置的壓力，那么該屬性位置可表示為&，7，2，壓力)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，計算計軸向斷層掃描(CAT)掃描儀或磁共振成像(MRI)設(shè)備用于制作人體一些特定區(qū)域的圖片或診斷圖像，典型地表示坐標(biāo)以及確定的屬性。通常，在預(yù)先確定的位置內(nèi)的每種屬性必須單獨成像且除開另外的屬性。例如，表示預(yù)先確定的位置的溫度的屬性典型地與在同一位置表示壓力的另一屬性分離成像。因此，基于這些屬性的特定條件的診斷受限于顯示預(yù)先確定的地點的單一屬性的能力。從最早的工具使用重力測量鑒定潛在含烴巖的19世紀(jì)末以來，地球物理學(xué)的方法已用于石油和天然氣的尋找。在20世紀(jì)20年代，反射與地震折射數(shù)據(jù)最先用于勘探。地質(zhì)學(xué)者或地球物理學(xué)者，以下簡稱地球?qū)W家或解釋者的早期解釋通過在地震記錄膠片上以及后來的大紙“床單”上的手工記錄做出。這個過程是冗長且耗時的。二維地震探測最初通過在大區(qū)域上鋪設(shè)包含爆破點以及接收機的長線纜的網(wǎng)格狀線產(chǎn)生，稱之為探測。每個線纜代表一個“線”。爆破點發(fā)出聲音(由炸藥或其它形式的爆破產(chǎn)生)，地震波到達(dá)接收機時接收機或地音探聽器記錄地震波。聲波的距離以及傳播時間在每個地音探聽器記錄，并圖形化表示為地震子波。起初，只有模擬數(shù)據(jù)可用，但是隨著計算機時代的發(fā)展模擬數(shù)據(jù)被數(shù)字信息取代。對于二維地震解釋，地球?qū)W家基于實線上子波的特性做出解釋，并在線間區(qū)域插入信息。在20世紀(jì)70年代，技術(shù)進(jìn)步允許三維地震的使用。地震探測設(shè)計為密集網(wǎng)格，且數(shù)據(jù)可表示為三維卷或立方體。20世紀(jì)80年代的計算機改進(jìn)使在工作站上的三維地震解釋成為可能。早期三維地震解釋只允許地球?qū)W家觀測并在垂直截面或者水平切面解釋數(shù)據(jù)。在石油和天然氣工業(yè)，三維地震數(shù)據(jù)集(3D地震數(shù)據(jù))由有規(guī)律的間隔的數(shù)據(jù)樣本的矩形體組成。數(shù)據(jù)在二維平面內(nèi)顯示為垂直地震截面或者水平地震切片。依次，垂直地震截面經(jīng)常相連顯示，平坦的平面形成一個穿過感興趣的三維地質(zhì)區(qū)域的聯(lián)鎖“圍欄”。 解釋者研究多個地震顯示以解釋位置、地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)、地層界線、以及很好地規(guī)劃位置。
緣于現(xiàn)代計算機加速的處理能力，密集的三維地震數(shù)據(jù)在石油勘探中的使用優(yōu)于二維地震的使用。卷可視化也已成為主流解釋應(yīng)用中的基本特征。典型地，應(yīng)用通過使用不同的卷描繪技術(shù)將地震卷表現(xiàn)為切片、圍欄、殼結(jié)構(gòu)立方體(shell cube)、以及半透明立方體。卷可視化的挑戰(zhàn)主要是速度和大小。今天的標(biāo)準(zhǔn)計算機提供比以往的超級計算機更大的計算功率。64位計算機輕易地在存儲器中加載幾十億字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且計算機群擴展體大小更大?，F(xiàn)今這樣加速的計算功率使多個地震卷的可視化成為可能。可視化多個原始卷以及屬性卷能夠增進(jìn)它們之間關(guān)系的理解并提高石油和天然氣可能性的解釋。多個卷結(jié)合的重要性是眾所周知的?，F(xiàn)今的工作站以及可視化技術(shù)使解釋者在真正逼真的三維環(huán)境看到數(shù)據(jù)，更接近地類似實際的地球表面下的巖石。通過三維卷，在各個方向接近地采樣地下地震波動域，導(dǎo)致更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)化且地層學(xué)的解釋。計算機允許地震卷顯示為三維像素(voxel)或體元素，接著繪制為具有不同程度的不透明度，以及通過特定屬性算法計算。收集并處理地震數(shù)據(jù)以制作包括“三維像素”或卷元素的三維卷數(shù)據(jù)集，憑此每個三維像素可通過它的八角之一或中心的X，y, Z坐標(biāo)確認(rèn)。每個三維像素也表示一個與一些量過的或計算而得的特定位置的物理特性有關(guān)的數(shù)字的數(shù)據(jù)值(屬性)。地質(zhì)地震數(shù)據(jù)值的例子包括振幅、相位、頻率以及相似性。不同的數(shù)據(jù)值存儲于不同的三維卷數(shù)據(jù)集，其中每個三維卷數(shù)據(jù)集表示不同的數(shù)據(jù)值。使用多個數(shù)據(jù)集時，對于同樣的地理空間，每個數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)值可表示不同的物理參數(shù)或特性。舉例來說，多個數(shù)據(jù)集可能包括地震卷、溫度卷、以及水飽和度卷。在地震卷中，三維像素可表示為(χ，ι, z，地震振幅)形式。在溫度卷中，三維像素可表示為(χ，y，ζ, V )形式。在水飽和度卷中，三維像素可表示為(χ，y, ζ, %飽和度)。由這些卷每一個中的三維像素確定的物理或地理空間是一樣的。盡管如此，對于任何特殊的空間位置( ，y0, ，地震振幅包含在地震卷內(nèi)，溫度在溫度卷內(nèi)，以及水飽和度在水飽和度卷內(nèi)。為了分析一定的地表下面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時稱為“特征”或“事件”，來自不同三維卷數(shù)據(jù)集的信息可單獨成像以分析特征或時間。地球?qū)W家檢查地震數(shù)據(jù)以確認(rèn)通常表示巖層(horizons)的連續(xù)反射，以及表示斷層或能夠捕獲烴類的其他結(jié)構(gòu)成分的間斷的反射。如“亮點”這樣的巖層中的異常經(jīng)常表明石油或天然氣的存在。軟件技術(shù)允許解釋者使用多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)算法計算地震卷上的屬性。目的是提取關(guān)于可確認(rèn)烴類的地震巖層(horizon)的信息。例如，屬性可包含地震數(shù)據(jù)的時間、振幅、 頻率、以及衰減信息。地球?qū)W家選擇算法以及計算地震數(shù)據(jù)以揭示那些不然仍然會模糊不清的感興趣的區(qū)域。一些普通的屬性計算測量頻率、相位、方位角、傾斜方位角、以及邊緣檢測。帶通濾波只允許被選擇的頻率通過計算窗口。近來，算法也測量地震數(shù)據(jù)的譜分解。在可視化中多個卷的使用是烴類探測以及生產(chǎn)運作的主導(dǎo)趨勢之一?？梢暬軌蚝喜碜远鄠€三維探測以及時移四維地震探測的信息為單一的顯示。關(guān)于可視化多個三維卷數(shù)據(jù)集有若干方式。最簡單的方式是分開顯示來自每個數(shù)據(jù)集的相應(yīng)顯示，用耦合的光標(biāo)連接視角。另一種方式是結(jié)合多個數(shù)據(jù)集為單一的顯示。同樣地，相干性以及振幅卷能夠通過凹凸映射結(jié)合，其中，每個像素的色度由反射振幅控制，明暗(凸點效果)由相干值控制。數(shù)據(jù)動畫可顯示四維時移序列；這種技術(shù)對于油藏仿真(reservoir simulation)特別有效，導(dǎo)致隨時比較地震數(shù)據(jù)、油藏流體、以及測井曲線中的變化。習(xí)慣地，軟件在分開的窗口顯示每個卷。這種方式使得分析相干性以及卷間關(guān)系困難。利用卷的疊加以及結(jié)合使解釋數(shù)據(jù)更簡單。有關(guān)怎樣利用基于卷的技術(shù)計算、控制、以及解釋卷屬性的方法在有本領(lǐng)域是已知的，對于油藏允許解釋以定量估算巖石以及流體性質(zhì)。對石油和天然氣數(shù)據(jù)可視化結(jié)合多個卷，以及利用可視化過程中多個屬性和學(xué)科幫助地球?qū)W家根據(jù)地質(zhì)以及巖石物理信息的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)分類油藏?，F(xiàn)代軟件應(yīng)用允許多地震卷的同步使用。例如，解釋者可以看標(biāo)準(zhǔn)時間域地震卷的同時觀察間斷卷內(nèi)的同樣的數(shù)據(jù)。多個卷解釋的概念使地球?qū)W家迅速地以更大的準(zhǔn)確性和速度解釋大的數(shù)據(jù)域。二維繪畫程序中的“模板”示例結(jié)合多個卷先前已存在。包括RGBA顏色、不透明度、以及亮度的三種可能的方式已用于定義傳遞函數(shù)。每個卷可與傳遞函數(shù)的這三種形式中的一種有關(guān)，且圖層在片級(fragment level)結(jié)合。每個圖層的傳遞函數(shù)獨立地預(yù)先集成，是復(fù)合的。除石油與天然氣勘探之外，其他領(lǐng)域，特別是醫(yī)學(xué)，大大地有助于多卷繪制研究。 放射治療計劃包含三個卷計算機斷層掃描(CT)卷、劑量卷、以及分段對象卷。然后提供了光纖投射方向卷繪制。已確認(rèn)了數(shù)據(jù)混合的三級成像級，積累，照度(illumination)混合。正電子發(fā)射層析成像(PET)、CT、以及磁共振成像(MRI)醫(yī)療卷的結(jié)合先前已存在。也已使用光線投射卷繪制。這樣的應(yīng)用結(jié)合切割技術(shù)以及數(shù)據(jù)混合技術(shù)。過去的十年，三維制圖計算功率以及現(xiàn)成的顯卡內(nèi)主板上的存儲器維持迅速的發(fā)展。圖形處理器(GPU)的可編程性開拓了為了提高性能和質(zhì)量移動中央處理器(CPU)的一些算法到GPU的可能性。例如，屬于Landmark Graphics公司，且通過引用并入于此的美國專利NO. 7，298, 376( “ ‘376專利”)，使用顯卡實時協(xié)同繪制多個屬性卷作為一個增強圖像。 然而，這種技術(shù)受限于用于通過凹凸映射執(zhí)行像素混合的特定算法。本領(lǐng)域用于在單一的顯示中成像多個三維卷數(shù)據(jù)集的其它的技術(shù)已有發(fā)展， 盡管如此，不無相當(dāng)?shù)南拗?。例子包括Jack Lee在The Leading Edge上發(fā)表的稱為 "Constructing Faults from Seed Picksby Voxel Tracking，，白勺 *。g禾中白勺顯示中結(jié)合兩個三維卷數(shù)據(jù)集，由此限制每個原始256-值屬性在全部256-值范圍的1 值之內(nèi)。因此顯示的分辨率明顯地降低，由此限制區(qū)分一定的事件或特征與其余數(shù)據(jù)的能力。另一個傳統(tǒng)的方法通過使一些數(shù)據(jù)值比其它的更透明，結(jié)合包含兩種不同的屬性的兩個三維卷數(shù)據(jù)集的顯示。在多于兩種屬性結(jié)合時，這種技術(shù)變得站不住腳。屬于Landmark Graphics公司并通過引用并入于此的美國專利NO. 6，690，820說明了另一種用于在相同圖像內(nèi)結(jié)合兩個不同的三維卷數(shù)據(jù)集的技術(shù)。這項專利描述了一種用于通過對比第一以及第二三維卷數(shù)據(jù)集中的每一個與預(yù)先選擇的數(shù)據(jù)值范圍或標(biāo)準(zhǔn)，在單一的增強的三維卷數(shù)據(jù)集內(nèi)結(jié)合表示第一屬性的第一三維卷數(shù)據(jù)集與表示第二屬性的第二三維卷數(shù)據(jù)集。對于每個數(shù)據(jù)值滿足標(biāo)準(zhǔn)的地方，在增強的三維卷數(shù)據(jù)集內(nèi)符合各自數(shù)據(jù)值的位置插入最初選擇的數(shù)據(jù)值。對于每一個數(shù)據(jù)值不滿足標(biāo)準(zhǔn)的地方，在增強的三維卷數(shù)據(jù)集內(nèi)符合各自數(shù)據(jù)值的位置插入其次選擇的數(shù)據(jù)值。最初選擇的數(shù)據(jù)值與第一屬性有關(guān)，其次選擇的數(shù)據(jù)值與第二屬性有關(guān)。作為結(jié)果的圖像是包括最初的第一三維卷數(shù)據(jù)集以及第二三維卷數(shù)據(jù)集的結(jié)合或混合的增強的三維卷數(shù)據(jù)集。結(jié)果，需要生成增強的三維卷數(shù)據(jù)集的額外的處理環(huán)節(jié)引起解釋延遲以及性能減緩。進(jìn)一步地，這個預(yù)先處理技術(shù)因“損耗”影響而受損，使得為了成像另一地震屬性來自一個地震屬性的數(shù)據(jù)受損。結(jié)果， 有明顯的數(shù)據(jù)可視化的丟失。因此有實時成像多個三維卷數(shù)據(jù)集為一個最終結(jié)合圖像的替代技術(shù)的需求，不受限于用于混合三維像素、像素、與/或圖像的特定算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供用于實時可視化多個三維卷數(shù)據(jù)集的方法及系統(tǒng)滿足上述需要， 并克服先前技術(shù)的一個或多個缺陷。在一個實施方案中，本發(fā)明包括一種用于將多個三維卷數(shù)據(jù)集為成像最終圖像的方法包括(i)選擇多個表示不同屬性卷的三維卷數(shù)據(jù)集；(ii)通過數(shù)據(jù)混合來處理每個屬性卷，以形成第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷；(iii)利用顯卡對第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行取樣或插值；(iv)利用顯卡通過三維像素混合來處理第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷，形成第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷；(ν)利用顯卡對第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行顏色映射和過濾；(vi)利用顯卡通過像素混合來處理第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷，以形成第三結(jié)合屬性卷或第三多個相應(yīng)屬性卷；及(vii)利用顯卡通過圖像混合來處理第三結(jié)合屬性卷或第三多個相應(yīng)屬性卷，以形成最終圖像。在另一個實施方案中，本發(fā)明包括一種具有計算機執(zhí)行指令的可讀媒介，用于將多個三維卷數(shù)據(jù)集成像為最終圖像。指令時可執(zhí)行的以實施(i)選擇多個表示不同屬性卷的三維卷數(shù)據(jù)集；( )通過數(shù)據(jù)混合來處理每個屬性卷，以形成第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷；(iii)利用顯卡對第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行取樣或插值；(iv)利用顯卡通過三維像素混合來處理第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷，以形成第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷；(ν)利用顯卡對第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行顏色映射和過濾；(Vi)；利用顯卡通過像素混合來處理第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷，以形成第三結(jié)合屬性卷或第三多個相應(yīng)屬性卷；及(vii)利用顯卡通過圖像混合來處理第三結(jié)合屬性卷或第三多個相應(yīng)屬性卷，以形成最終圖像。另一方面，從下面各種實施方案以及相關(guān)圖的描述，本發(fā)明的實施方案以及優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見。


專利或申請文件包括至少一幅彩色制作的圖。本專利或?qū)＠暾埞_的有彩圖的副本，將根據(jù)請求以及必要的費用的支付由美國專利及商標(biāo)局提供。以下參照附圖描述本發(fā)明，其中圖1是說明多個三維數(shù)據(jù)對象的顯示的彩圖；圖2A是說明一種傳統(tǒng)的用于可視化單一三維卷數(shù)據(jù)集的方法的流程圖；圖2B是說明用于實施本發(fā)明的方法的一種實施方案的流程圖；圖3是說明用于實施本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)的一種實施方案的結(jié)構(gòu)圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的圖像混合的一種示范的顯示的彩圖；圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的多個三維卷數(shù)據(jù)集的一種示范的顯示的彩圖；圖6是說明用于實施本發(fā)明的軟件程序的一種實施方案的框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的內(nèi)容參照一定的優(yōu)選的實施方案描述，盡管如此，旨不再限制本發(fā)明的范圍。這樣，申請的內(nèi)容也可以其他方式體現(xiàn)，以包括不同的步驟，或步驟的結(jié)合，類似在此以及其他技術(shù)所描述的。盡管“步驟”一詞可用于此以描述不同使用方法的要素，該詞不應(yīng)被解釋為暗指任何特定的在此公開的各種步驟之中或之間的順序，除非除此之外通過描述明確地限制為特定的順序?，F(xiàn)在參考圖1，顯示100說明多個三維數(shù)據(jù)對象，例如卷圍欄102、卷切片104，卷箱子106、以及半透明立方體108那樣，已卷繪制。每個三維數(shù)據(jù)對象是包括地震數(shù)據(jù)的三維卷數(shù)據(jù)集的處理結(jié)果，盡管如此，也可以包括其他數(shù)據(jù)的形式。卷箱子106僅顯示立方體的六個面且內(nèi)空。用于這種卷可視化的形式的典型方式是將本領(lǐng)域眾所周知的可視化技術(shù)二維或三維紋理映射應(yīng)用到顯示100。由于圖形存儲器的考慮，二維紋理用于圍欄102、切片 104以及箱子106。三維卷數(shù)據(jù)集大小可以是幾十億字節(jié)，這樣整個卷必須被分為更小的卷以裝入圖形存儲器，用于三維紋理。因此，對于圍欄102、切片104、或箱子106使用三維紋理不是有效且實用的。對于三維數(shù)據(jù)對象紋理確認(rèn)后，提供用作顏色查詢以及傳遞函數(shù)的顏色表110。現(xiàn)在參考圖2A，說明一種用于可視化單一三維卷數(shù)據(jù)集并生成多個如圖1說明的那些三維數(shù)據(jù)對象的傳統(tǒng)方法200的流程圖。獲取原始地震數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)形式(例如長數(shù)據(jù))后，必須處理，并且/或者與任何相應(yīng)的信息，例如世界坐標(biāo)，存儲在數(shù)據(jù)庫中。在步驟202中，存儲的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫取出，作為三維卷數(shù)據(jù)集(卷數(shù)據(jù)模型)。在步驟204中，實施采樣或插值，因為根據(jù)卷圖形(例如切片)的幾何形狀，數(shù)據(jù) (三維像素)趨向于像素。此步驟在三維像素域?qū)嵤?，但不在圖像域。本領(lǐng)域眾所周知的依賴紋理可與像素著色器使用，以執(zhí)行本步驟。可使用兩種紋理一種用于卷數(shù)據(jù)模型，一種用于顏色表。轉(zhuǎn)換二維(或三維)紋理查詢?yōu)榈谝患y理映射的像素著色器，生成用于第二紋理查詢的紋理坐標(biāo)。這種線性紋理過濾的形式是與用于在典型的地震數(shù)據(jù)可視化中采樣或插值同樣的操作，能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)的可視化。在步驟206中，顏色表作為顏色映射以及過濾。顏色表的alpha通道可用于為卷數(shù)據(jù)模型指定顯示范圍。在步驟208中，產(chǎn)生包括任意一個圖1說明的三維數(shù)據(jù)對象的最終圖像。方法200 使用GPU執(zhí)行步驟204、206以及208?，F(xiàn)在參考圖2B，說明用于為可視化通過處理多個三維卷數(shù)據(jù)集實施本發(fā)明的一種方法210的實施方案的流程圖。獲取原始地震數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)形式后，必須處理并且/ 或者與任何相應(yīng)信息存儲數(shù)據(jù)庫中。處理以及計算這些原始數(shù)據(jù)后，可生成其他卷數(shù)據(jù)。在步驟212中，存儲的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫取出作為多卷。方法210實施四個不同的混合級(步驟)到多卷數(shù)據(jù)混合，三維像素(voxel)混合，像素混合以及圖像混合。優(yōu)選用于方法210的基于紋理的卷可視化技術(shù)的使用用于卷繪制。
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在步驟214中，來自步驟212的多卷能夠通過使用用于數(shù)據(jù)混合的特定等式結(jié)合為單一卷，例如計算兩個時移(四維)地震探測間的不同。在此步驟能夠計算并生成新的卷；例如，可從圖4說明的振幅卷提取相位或頻率。圖4中，頻率屬性圖像408以及相位屬性圖像410從地震數(shù)據(jù)的振幅卷提取。數(shù)據(jù)混合也能夠在數(shù)據(jù)形式(例如，地震數(shù)據(jù)或測井曲線數(shù)據(jù))級生成新的相應(yīng)卷。因為處理以及計算典型地非常復(fù)雜且耗時，從初始解釋過程分別準(zhǔn)備。能夠?qū)崟r計算并生成一些屬性，例如相位、頻率、以及反射，但它們的算法仍然復(fù)雜。因此，對于方法210的這個步驟，數(shù)據(jù)混合的這種形式不放入GPU。不管怎樣，移動這些算法中的一些到GPU有益于其他應(yīng)用的實施以及可視化。另一個數(shù)據(jù)混合的形式是關(guān)于有不同的本地坐標(biāo)系和尺寸的卷。在步驟212使用主要卷以確定幾何形狀以及坐標(biāo)系。次要卷必須轉(zhuǎn)換到與主要卷同樣的坐標(biāo)系。因為這種轉(zhuǎn)換的形式要求廣泛的科學(xué)領(lǐng)域知識，最好在步驟214圖3說明的系統(tǒng)架構(gòu)外施行。盡管如此，這種數(shù)據(jù)混合能夠在圖3的主要卷模型或次要卷模型內(nèi)施行。該系統(tǒng)架構(gòu)提供效用以幫助確定次要卷模型與主要卷模型間的關(guān)系，實施轉(zhuǎn)換用的采樣以及插值。在步驟216中，為采樣或插值實施本領(lǐng)域眾所周知的線性紋理過濾。在那以后，三維像素的數(shù)量不同于最初的卷內(nèi)三維像素的數(shù)量。在步驟218中，能夠通過使用特定的算法結(jié)合多卷，或可直接穿過到下一步驟。 像素著色器能夠在紋理化后實現(xiàn)三維像素混合。以下是示范的Cg程序，對于三維像素混合，顯示此步驟中兩個卷的不同F(xiàn)loat vol 1 = tex2D (image 1，IN. texCoord). χ ； Float vol 1 = tex2D (image 1, IN. texCoord). χ ；float intermix = vol 1-vol 2 ；Cg 是可由NVIDIA 得到的程序語言，盡管如此，可用其他程序語言，例如，Open GL GLSL以及 Direct 3D HLSL這樣的本領(lǐng)域眾所周知的。在此步驟使用tex2D例行程序，盡管如此tex3D 例行程序可用于三維紋理或基于紋理的卷繪制。對于三維像素混合，在此步驟可執(zhí)行更復(fù)雜的等式以及用于過濾出數(shù)據(jù)的條件語句。在步驟220中，相關(guān)顏色表用于映射與/或過濾三維像素至像素。顏色表作為顏色查詢以及傳遞函數(shù)。一個示范的Cg語句是“float4 pixel = texlD(colormap, index)” 變量“colormap”是顏色表的紋理，"index"是三維像素。在步驟222中，與每個卷有關(guān)的像素能夠通過等式結(jié)合。OpenGL等式，例如調(diào)制、 印花(decal)、以及增加等。另一個流行的像素混合技術(shù)是凹凸映射，發(fā)射光由卷控制。這種技術(shù)(凹凸映射)在‘376專利中進(jìn)一步描述。像素著色器的使用使得許多等式以及條件語句能夠在像素、紅、綠、藍(lán)或alpha域內(nèi)實施。在步驟224中，繪制(顯示)最終圖像，或在繪制最終圖像前，方法210可進(jìn)行至下一步驟226。因此繪制最終圖像作為混合步驟(214，218，222，226)或者混合步驟的任意結(jié)合中任意一個的結(jié)果。在步驟2 中，圖像混合用于結(jié)合與每個卷有關(guān)的圖像。圖像混合結(jié)合卷圖像(例如多個三維卷數(shù)據(jù)集)的圖層，并實施OpenGL混合功能。在圖4中，例如，四個地震數(shù)據(jù)的卷切片根據(jù)步驟2 在圖像混合的顯示400中結(jié)合在一起。振幅卷是基礎(chǔ)卷。反射屬性圖像406、頻率屬性圖像408以及相位屬性圖像410完成四個卷切片在顯示400內(nèi)的結(jié)合。如虛線所示，反射屬性圖像406、頻率屬性圖像408以及相位屬性圖像410彼此疊加以形成結(jié)合圖像412。每個卷切片有一個相應(yīng)的顏色表，能夠利用接口 402編輯。每個卷切片也有自己的操作器，這樣卷切片能夠調(diào)整大小以及移動。利用三維圖形，能夠輕易地創(chuàng)造并操作多卷圖像，并伴隨高的表現(xiàn)效果?？焖亠@示能力是GPU直接地處理圖像繪制的結(jié)果。四個混合步驟可通過基于java的圖形工具在圖3說明的系統(tǒng)架構(gòu)中實現(xiàn)。Cg用作GPU程序語言并描述基本結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)架構(gòu)概念上允許無限的卷的使用，以及使用一種不同的方法完成混合的四步驟。因此圖3的系統(tǒng)架構(gòu)需求指定方法210的每個混合步驟 214、218、222、226的靈活性以及可擴展性。除了典型的卷圖形(卷圍欄，卷切片，卷箱子，以及不透明立方體)，系統(tǒng)架構(gòu)也支持將來的卷圖形以及任何解釋者或地球?qū)W家指定的尖端算法。系統(tǒng)架構(gòu)允許的速度以及靈活性允許地球?qū)W家或解釋著用多卷試驗，以做出關(guān)于他們的解釋的快速且準(zhǔn)確的決定。在圖3中，圖形對象進(jìn)入下級卷(主要卷模型以及次要卷模型)，然后創(chuàng)造相應(yīng)的紋理。主要卷模型用于指定圖形對象的幾何圖形。幾何圖形以及卷都在索引間隔上的本地坐標(biāo)系內(nèi)。對于主要卷模型、次要卷模型、以及多卷狀態(tài)，混合的四級通過軟件確定并控制。 卷體狀態(tài)軟件包括多個紋理狀態(tài)輸入，管理多紋理參數(shù)。如果使用GPU著色器，那么著色器分派在多卷狀態(tài)軟件內(nèi)，并控制圖形硬件。多卷狀態(tài)軟件簡單地作為著色器的傳遞者。紋理著色器模型是確定用于卷可視化的紋理著色器的軟件接口，包括多卷可視化?，F(xiàn)在參考圖5，根據(jù)本發(fā)明說明的三維卷數(shù)據(jù)集的示范顯示500。顯示500包括允許地球?qū)W家訪問實際石油及天然氣數(shù)據(jù)庫并完成標(biāo)準(zhǔn)化工作流程的對話框502。對話框 502包括通過形式的數(shù)據(jù)庫訪問多個卷的數(shù)據(jù)選擇器504。實施大部分典型的地震卷可視化的特征。顯示500也包括疊加圖像506以及轉(zhuǎn)換視角圖像508，是本發(fā)明的原型特征。為分析以及對比說明基礎(chǔ)三維卷數(shù)據(jù)集510的圖像。顯示500說明本發(fā)明的靈活性，在運行時間，對于在任意步驟的定制的混合，使算法的選擇或創(chuàng)造成為可能，以生成三維卷數(shù)據(jù)集的結(jié)合的二維或三維圖像，例如，疊加圖像 506以及轉(zhuǎn)換視角圖像508等。換句話說，利用GPU處理三維像素混合、像素混合以及圖像混合允許在運行時間算法的選擇和創(chuàng)造，以利用混合步驟中的一個或多個生成多個卷的結(jié)合圖像。疊加特征，例如，使用三維像素混合以及像素混合創(chuàng)造“習(xí)慣(custom)”疊加。在此實施方案，在著色器中，多卷作為輸入變量。主要卷以及次要卷可選。對于輸入卷文本對話框允許地球?qū)W家寫等式。兩個顏色表與主要卷以及次要卷有關(guān)在像素混合步驟提供“顏色”以及“灰度”疊加?！邦伾悲B加使用特定的顏色表，“灰度”疊加使用灰度級顏色表。像素混合與OpenGL調(diào)制一樣，C = CplCp2, A = AplAp2，其中pi是主要卷的像素，p2是次要卷的像素。為了給出最大的靈活性，所有Cg庫與語句都是權(quán)威的。最終輸出是進(jìn)入次要卷的顏色表的索引，顏色表的alpha能夠用于過濾出數(shù)據(jù)。另一個疊加的實施方案使用凹凸映射像素混合，在‘376專利中進(jìn)一步的描述。次要卷用于創(chuàng)造傾斜凹凸映射。如圖5中轉(zhuǎn)換視角圖像508說明的，轉(zhuǎn)換視角特征使用圖像混合以結(jié)合多卷為單一圖像。因此轉(zhuǎn)換視角圖像508相當(dāng)于圖4中的結(jié)合(疊加)圖像412。二者都表示轉(zhuǎn)換視角特征。因此本發(fā)明提供高速繪制以及靈活性的優(yōu)點，具有這些優(yōu)點解釋者能夠操作不同的卷的顯示并調(diào)整其大小。作為允許GPU處理大部分混合過程的結(jié)果，卷能夠計算并即時生成顯示且實時，意味著以至少12幀每秒的幀率。這使地球?qū)W家迅速地分析大量數(shù)據(jù)并同步地比較多個卷以驗證他們的解釋成為可能。也允許地球?qū)W家用仿真模型工作，并使用四維數(shù)據(jù)集觀察在石油以及天然氣油藏中的隨時改變。在另一個實施方案中，在通常的計算機執(zhí)行的結(jié)構(gòu)程序的情境中描述本發(fā)明，例如程序模塊，通常稱為軟件。軟件可包括，例如例行程序、程序、對象、成分、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等等， 執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)嵤┨囟ǖ某橄髷?shù)據(jù)形式。軟件形成允許計算機根據(jù)輸入源反應(yīng)的接口。 軟件也可與其它代碼段協(xié)作，以開始實施各種任務(wù)響應(yīng)接收的數(shù)據(jù)連同接收的數(shù)據(jù)的源。 軟件可存儲在任意各種存儲媒介上，如CD-ROM、磁盤、磁泡存儲器以及互補金屬氧化物存儲器(例如各種形式的RAM或ROM)。進(jìn)一步地，軟件及其結(jié)果可通過各種載體傳輸，例如光纖、金屬線、自由空間與/或穿過任何種類的網(wǎng)絡(luò)，例如因特網(wǎng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可察知，本發(fā)明可在各種計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中實施，包括手持設(shè)備、多重處理器系統(tǒng)、基于多重處理器或可編程用戶化電子、小型計算機、大型計算機以及類似的。因此，任意數(shù)量的計算機系統(tǒng)以及計算機網(wǎng)絡(luò)可接受用于使用本發(fā)明。本發(fā)明可在任務(wù)由通過通信網(wǎng)連接的遠(yuǎn)程處理設(shè)備實施的分布式計算環(huán)境中實施，在分布式計算環(huán)境中，軟件可加載在本地以及遠(yuǎn)程計算機存儲媒介上，包括記憶存儲設(shè)備。因此本發(fā)明可利用硬件、軟件或其結(jié)合實施，在計算機系統(tǒng)或其他處理系統(tǒng)中?，F(xiàn)在參考圖6，說明用于實施本發(fā)明的軟件程序600的一種實施方案的框圖。在程序600基部是操作系統(tǒng)602。合適的操作系統(tǒng)602包括，例如，微軟公司的WindowsO操作系統(tǒng)，或其他操作系統(tǒng)正如相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的。菜單/接口軟件604疊加于操作系統(tǒng)602上。菜單/接口軟件604用于提供各種菜單以及窗口以促進(jìn)與使用者的互動，以及獲得使用者輸入以及指令。正如在相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員迅速地顯而易見的，任意數(shù)目的菜單/接口軟件程序可與本發(fā)明協(xié)力使用。基礎(chǔ)圖形庫606疊加于菜單/接口軟件604。基礎(chǔ)圖形庫606是一種用于三維計算機圖形的應(yīng)用程序接口(API)?；A(chǔ)圖形庫606執(zhí)行的功能可包括，例如，幾何圖形以及光柵基元(rasterprimitives)，RGBA或顏色索引模式，顯示列表或快速模式，視角或模型轉(zhuǎn)換，光照或遮光，消隱，alpha混合(半透明)，抗混疊，紋理映射，大氣效果(霧，煙，薄霧)， 反饋與選擇，模板平面以及累積緩存。特別有用的基礎(chǔ)圖形庫606是由Silicon Graphics, Inc市場化("SGIi")的 OpenGLi0 OpenGLOAPI是多平臺工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，硬件、窗口、以及操作系統(tǒng)獨立。OpenGLO設(shè)計為可從C、C++、FORTRAN、Ada以及Java程序語言隨時收回的。OpenGLO執(zhí)行上面列出的基礎(chǔ)圖形庫606的每個功能。OpenGLlg中的一些指令指明繪制幾何圖形對象，以及其他怎樣處理對象的控制。OpenGLlg狀態(tài)的所有元素，甚至紋理存儲器以及幀緩存的內(nèi)容，能夠通過利用OpenGLlg的用戶應(yīng)用獲得。OpenGLO以及用戶應(yīng)用可在同樣或不同的機器上操作，因為 OpenGLO 是網(wǎng)絡(luò)透明的。OpenGLO 在 OpenGLOProgramming Guide (ISBN :0-201-63274-8)以及 the OpenGLiReference Manual (ISBN :0-201-63276-4)中較詳盡的描述，全部以引用的方式并入于此?？梢暦抡鎴D形庫608疊加于基礎(chǔ)圖形庫606上?？梢暦抡鎴D形庫608是用于創(chuàng)造實時性的API，多處理三維可視仿真圖形應(yīng)用。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，可視仿真圖形庫608可包括一系列用于二維與/或三位地震數(shù)據(jù)解釋的工具，包括，例如，交互巖層以及斷層管理，三維可視化以及屬性分析。因此可視仿真圖形庫608提供聯(lián)合在一起的圖形
10庫狀態(tài)控制功能，例如光照、材料、紋理以及半透明的功能。這些功能線路狀態(tài)以及顯示列表的創(chuàng)造能夠在后期繪制。由Landmark Graphics公司市場化，用于石油以及天然氣工業(yè)的商業(yè)軟件包畢加索是可接受的可視仿真圖形庫608的一個例子?？梢暦抡鎴D形庫608、基礎(chǔ)圖形庫606、菜單/接口軟件604以及操作系統(tǒng)602在一個或多個通用CPU上執(zhí)行，如在屬于Landmark Graphics公司并以引用的方式并入于此 (“ ‘570專利”)的美國專利NO. 6，765，570所描述的。可接受的CPU可包括，例如，由Intel 以及AMD市場化的處理器。多卷可視化程序610疊加于可視仿真圖形庫608。以本領(lǐng)域一般眾所周知的方式， 程序610可與其它可視化程序、可視仿真圖形庫608、基礎(chǔ)圖形庫606、菜單/接口軟件604、 以及操作系統(tǒng)602 —起裝入接口，并利用其執(zhí)行的功能。由Landmark Graphics公司市場化的用于石油以及天然氣工業(yè)的商業(yè)軟件包GeoprobeO以及PowerViewO，是適當(dāng)?shù)目梢暬涌趹?yīng)用軟件。Geoprobelg是采樣探測程序的商業(yè)實施方案，在‘570專利中描述。優(yōu)選Cg寫程序610 ；盡管如此，另一種程序語言也可使用，例如，本領(lǐng)域眾所周知的并在“The Open GL Shading Language”中公開(ISBN 0-321-9789-5)的 OpenGL Shader 語言(“GLSL”)。GLSL與在顯示設(shè)備上的投影面的(u，ν)上的單獨像素工作。通過GLSL 著色器，可以決定怎樣說明在(u，v)的像素。不管在哪種情況，Gg或GLSL可用于在GPU上以參照圖2B步驟216-2 的方式執(zhí)行多卷可視化程序610。設(shè)計傳統(tǒng)GPU程序，替代CPU， 以執(zhí)行程序610的優(yōu)點是其大量的寄存器及結(jié)構(gòu)，使得處理器的大規(guī)模并行成為可能。這種結(jié)構(gòu)能夠在幾個GPU周期內(nèi)處理數(shù)據(jù)，同樣的任務(wù)可能花費幾千個CPU周期?？山邮艿?GPU，例如，可包括由NVIDIA0市場化的NVIDIA0G-70顯卡以及Qudro5500圖形接口。若其能夠執(zhí)行GLSL書寫的片(像素)著色器程序并最低程度的支持循環(huán)以及分支功能，其他本領(lǐng)域眾所周知的GPU可接受。通過程序610能實現(xiàn)的示范的方法在參照圖2B至圖5中進(jìn)一步地描述。可通過包含程序600以及各種硬件成分的計算機系統(tǒng)的使用，執(zhí)行或?qū)嵤﹫D6中說明的程序600。系統(tǒng)硬件成分可包括，例如，處理器、存儲器(例如隨機存取存儲器與/或非易失性存儲設(shè)備)、一個或多個輸入設(shè)備、一個或多個顯示設(shè)備、以及一個或多個輸入設(shè)備。這些成分根據(jù)多種如通常在圖3中說明的結(jié)構(gòu)互聯(lián)。其他眾所周知的計算機結(jié)構(gòu)以及成分可用于執(zhí)行程序600在‘570專利中描述。非易失性存儲設(shè)備包括，例如，如磁帶驅(qū)動那樣的設(shè)備，半導(dǎo)體ROM或EEPR0M。輸入設(shè)備科包括，例如，鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化輸入鍵盤、跟蹤球、觸摸敏感輸入鍵盤與/或光筆這樣的設(shè)備。顯示設(shè)備可包括，如監(jiān)視器、放映機、與/ 或頭盔是顯示器這樣的設(shè)備。接口設(shè)備可配置為需要來自一個或多個獲取設(shè)備與/或通過網(wǎng)絡(luò)來自一個或多個遠(yuǎn)程計算機或存儲設(shè)備的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。取決于成像對象的類型，可使用任意種類的獲取設(shè)備。獲取設(shè)備可感知機械能的多種形式(例如聲波(地震)能量、 位移與/或應(yīng)力/張力)。輸入數(shù)據(jù)可通過各種機制提供至計算機系統(tǒng)。例如，利用一個或多個接口設(shè)備，輸入數(shù)據(jù)可獲取到非易失性存儲器與/或RAM。另一個例子，利用裝載在非易失性存儲設(shè)備之一內(nèi)或上的如磁盤或磁帶這樣的存儲媒介，可提供輸入數(shù)據(jù)到計算機系統(tǒng)。這種情況下，輸入數(shù)據(jù)事前已記錄在存儲媒介上。注意到，輸入數(shù)據(jù)不必須是由獲取設(shè)備獲得的原始傳感數(shù)據(jù)。例如，輸入數(shù)據(jù)可為一個或多個利用一套傳感數(shù)據(jù)的處理操作的結(jié)果。處理操作可由計算機系統(tǒng)與/或一個或多個其他計算機執(zhí)行。
每個處理器(GPU以及CPU)可配置為再編程命令，與/或數(shù)據(jù)來自RAM與/或非易失性存儲設(shè)備，且存儲計算的結(jié)果在RAM與/或非易失性存儲設(shè)備中。在特定的實施方案中，每個三維卷數(shù)據(jù)集以本領(lǐng)域通常眾所周知的方式存儲。例如，特定數(shù)據(jù)卷的形式可包括兩部分接有數(shù)據(jù)卷的卷頭與數(shù)據(jù)集的大小一樣。卷頭典型地包括規(guī)定序列中的信息，例如數(shù)據(jù)集的文件路徑(位置)、大小、x，y，以及ζ方向的尺寸，χ， y以及ζ軸的注解，數(shù)據(jù)集注解，等等。數(shù)據(jù)卷為字節(jié)的二元序列且每個數(shù)據(jù)值可包括一個或多個字節(jié)。例如，卷位置(0，0，0)的第一個字節(jié)是數(shù)據(jù)值；卷位置(1，0，0)的第二個字節(jié)是數(shù)據(jù)值；以及卷位置O，0，0)的第三個字節(jié)是數(shù)據(jù)值。χ尺寸用盡時，y以及ζ的尺寸分別地增加。此實施方案不以任何方式受限于特定數(shù)據(jù)形式。程序610使得使用者容易的輸入以確認(rèn)一個或多個三維卷數(shù)據(jù)集用于成像以及分析。使用多個數(shù)據(jù)卷時，多個數(shù)據(jù)卷中的每一個的數(shù)據(jù)值表示一種不同的物理參數(shù)或同樣地質(zhì)空間的屬性。舉個例子，多個數(shù)據(jù)卷可包括地質(zhì)卷、溫度卷、以及水飽和度卷。地質(zhì)卷內(nèi)的三維像素可表示為(x，y，z，地震振幅)的形式。溫度卷內(nèi)的三維像素可表示為(χ， y,z, V)的形式。水飽和度卷內(nèi)的三維像素可表示為(x，y，z，％飽和度)的形式。通過這些卷中的每個內(nèi)的三維像素確定的物理或地址空間是一樣的。盡管如此，對于任意特定的空間位置( ，y0, ^)，地震振幅包含在地質(zhì)卷內(nèi)，溫度在溫度卷內(nèi)，水飽和度在水飽和度卷內(nèi)。程序610能夠概念上處理多個卷，可視化多卷，且利用近來在圖像處理器上的進(jìn)步。地球?qū)W家能夠靈活地在混合的任意步驟書寫等式在運行時間三維像素，像素混合，以及圖形混合，并顯示用于多卷的等式的結(jié)果。利用3D圖形技術(shù)程序的3D “轉(zhuǎn)換視角”支持多個“轉(zhuǎn)換視角”。由于在此描述的系統(tǒng)以及方法可用于選擇性地以及交互地分析各種數(shù)據(jù)的形式， 它們特別地有用于分析醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)或地質(zhì)數(shù)據(jù)，盡管如此，也可找到用于分析以及解釋任何其他數(shù)據(jù)形式的利用。目前已結(jié)合優(yōu)選的實施方案描述本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知其旨不在限制本發(fā)明于那些實施方案。因此，不脫離由附加的權(quán)利要求以及與此等同的確定的本發(fā)明的精神和范圍，可作出公開的實施方案的各種替代的實施方案以及變化。
1權(quán)利要求
1.一種用于將多個三維卷數(shù)據(jù)集成像為最終圖像的方法，其包括 選擇表示不同的屬性卷的多個三維卷數(shù)據(jù)集；通過數(shù)據(jù)混合處理每個屬性卷，以形成第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷； 利用顯卡對所述第一結(jié)合屬性卷或所述第一多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行采樣或插值； 利用顯卡通過三維像素混合來處理所述第一結(jié)合屬性卷或所述第一多個相應(yīng)屬性卷， 以形成第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷；利用顯卡對所述第二結(jié)合屬性卷或所述第二多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行顏色映射和過濾； 利用顯卡通過像素混合來處理所述第二結(jié)合屬性卷或所述第二多個相應(yīng)屬性卷，以形成第三結(jié)合屬性卷或第三多個相應(yīng)屬性卷；及利用顯卡通過圖像混合來處理所述第三結(jié)合屬性卷或所述第三多個相應(yīng)屬性卷，以形成所述最終圖像。
2.一種具有計算機可執(zhí)行指令的計算機可讀媒介，用于將多個三維卷數(shù)據(jù)集成像為最終圖像，所述指令是可執(zhí)行的以實施選擇表示不同的屬性卷的多個三維卷數(shù)據(jù)集；通過數(shù)據(jù)混合處理每個屬性卷，以形成第一結(jié)合屬性卷或第一多個相應(yīng)屬性卷； 利用顯卡對所述第一結(jié)合屬性卷或所述第一多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行采樣或插值； 利用顯卡通過三維像素混合來處理所述第一結(jié)合屬性卷或所述第一多個相應(yīng)屬性卷， 以形成第二結(jié)合屬性卷或第二多個相應(yīng)屬性卷；利用顯卡對所述第二結(jié)合屬性卷或所述第二多個相應(yīng)屬性卷進(jìn)行顏色映射和過濾； 利用顯卡通過像素混合來處理所述第二結(jié)合屬性卷或所述第二多個相應(yīng)屬性卷，以形成第三結(jié)合屬性卷或第三多個相應(yīng)屬性卷；及利用顯卡通過圖像混合來處理所述第三結(jié)合屬性卷或所述第三多個相應(yīng)屬性卷，以形成所述最終圖像。
全文摘要
用于可視化多個三維數(shù)據(jù)的卷的方法及系統(tǒng)。顯卡用于三維像素(voxel)混合，像素混合以及圖像混合，實時生成三維數(shù)據(jù)的最終結(jié)合的圖像。
文檔編號G06T15/00GK102160087SQ200880001793
公開日2011年8月17日 申請日期2008年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者吉姆·慶榮·林 申請人:蘭德馬克繪圖國際公司，哈里伯頓公司