利用Triana構建基于Web服務的分布式可視化系統

摘要:目前，隨著可視化要處理的數據量變得越來越大以及可視化操作變得越來越復雜，基于網格或Web服務的分布式可視化技術得到了快速發展。Triana是一個開源的、平臺無關的分布式問題解決型環境，可以比較有效地應用于構建這些分布式的工作流管道。該文在介紹了Triana、Web服務和可視化技術的基礎之后，并給出了在Triana下構建基于Web服務的分布式可視化的過程。之后，通過一個實例進一步加以說明。最后，在文中第五部分做出了一些總結。

關鍵詞:Triana;Web服務;可視化;VTK;分布式

中圖分類號:TP311.52文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)05-1254-03

Build Web Service-Based Distributed Visualization with Triana

XU Wei

(College of Computer Science Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China)

Abstract: Nowadays， the continuous increases in the size of datasets and the complexity of visualization operation lead to rapid development of distributed visualization based on Grid or web services. Triana， an open source and distributed platform-independent Problem Solving Environment(PSE)， is proved to be efficient enough to build such distributed pipelines. In this paper， firstly， a brief introduction of Triana， Web Service and Visualization is given. Secondly， a Web Service-Based distributed visualization model is described and execution steps of building such distributed pipelines within Triana are introduced in section 4. Then， a case study is presented to show more details. Finally， some conclusion is drawn in Section 5.

Key words:triana; web service; visualization; VTK; distribution

1 概述

近年來，隨著大型科學計算以及圖形圖像的快速發展，許多領域要處理的數據量已經遠遠超過了研究人員的數據處理能力。在可視化領域，可視化數據的大規模增長，也使得傳統的可視化技術越來越不適應現代可視化的需要。要提高大規模數據的可視化效率，一種科學的計算可視化技術顯得十分必要。分布式技術的發展對于這種新的可視化技術的研究起到了很好的推動作用，為了充分利用網格分布式環境中的各種計算資源，更好地部署可視化服務，Web服務在可視化中的應用顯得很有必要。基于Web服務的分布式可視化技術就是將Web服務分布式計算模型與可視化技術相結合，對當前面臨的海量可視化數據集進行處理并對處理結果進行三維圖形可視化的一項新技術。目前，這一技術已經在可視化領域得到了越來越多的應用。

2 Triana平臺

Triana是一個開源的、平臺無關的分布式問題解決型環境(Problem Solving Environment， PSE)，它是用Java語言實現的。最初被用于GEO 600中對數據集進行分析，因此包括很多用于分析一維數據的工具以及很多可用于處理圖像及文本的組件。事實上，Triana是一個圖形化的問題解決型環境，可以方便用戶快速地構建一個科學的應用程序工作流。用戶可以通過拖動Triana提供的程序組件(Triana中稱為單元或工具)到工作空間中形成一個結點，通過創建兩個結點的連線構建出它們之間的連通性。Triana被設計得很靈活，易擴展，可被用于很多不同的場景中，如網格環境下的基于工作流的組合系統和圖像信號或文本處理的數據分析等[1]。

Triana有一個模塊化的體系結構，它包括以下3個不同的組件:TS(Triana Service)、TCS(Triana Controller Service)和TGUI(Triana User Interface)(見圖1)。通過TGUI可以訪問到其他運行著TS守護進程的機器所在網絡。TCS是一個控制指定Triana網絡執行過程的持久性服務，它可以選擇自己運行或者指定其他可用的TS執行。因此，一個唯一的TGUI可以控制部署在多個CPU資源下的多個Triana網絡。一個TS由3個部分組成:一個客戶端(client)、一個服務端(server)和一個命令服務控制(command service controller)。TCS將一個構建好的分布式任務中各種組件模塊以及數據通過工作流管道傳遞給TS守護進程，這些TS在服務端模式下執行字節碼并將數據傳遞給其他TS。在一個典型的應用場景中，客戶端可能登錄到一個TCS中，然后調用遠程的一些組件進行組合并執行，然后在本地查看結果。在應用程序執行期間，Triana客戶端可以登出，然后每隔一段時間在登入檢查程序當前狀態[2]。

3 Web服務及可視化技術

3.1 Web服務

Web服務是一種用于應用程序集成的新技術，是一個建立互操作分布式應用程序的新平臺。業內廣泛采用的一個定義是:“Web服務是由URI(Uniform Resource Identifier)標識的一個軟件應用，其接口和綁定可以通過XML文檔定義、描述和發現;它使用基于XML的消息通過互聯網協議與其它軟件之間直接交互。Web服務的主要目標是跨平臺的互操作，為了達到這一目的，Web服務完全基于XML，XSD等獨立平臺，獨立于軟件供應商的標準，它是創建可互操作的分布式應用程序的新平臺。”在Web服務體系架構下分布式對象之間采用基于HTTP，XML等Internet標準協議的SOAP協議進行信息交換，因而易于穿越防火墻，實現跨平臺、跨操作系統的對象間進行交互。它本身采用的是W3C組織提出的面向服務架構(SOA)，如圖2所示。該架構基于3種角色的相互作用，這3種角色是:服務提供者(Service Provider)、服務請求者(Service Requester)、服務注冊中心(Service Registry)，它們分別承擔了不同的任務。這幾種角色間的交互涉及發布(Publish)、查找(Find)和綁定(Bind)三種操作。這種架構具體的實現方式是:對象之間使用SOAP相互通信，通過WSDL文檔能對Web服務進行詳盡的描述，可供生成客戶端調用接口，而通過基于UDDI的商業注冊中心，能發布自己的Web服務或查詢并獲取已經發布的Web服務[3]。

3.2 可視化技術

可視化，也稱為科學可視化(Visualization in Scientifical Computer)，它是利用計算機圖形和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、技術和方法。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺等多個領域，成為研究數據表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術[5]。其定義為:“可視化是一種計算方法，它將符號或數據轉換為直觀的幾何圖形，便于研究人員觀察其模擬和計算過程。可視化包括了圖像綜合，這就是說，可視化是用來解釋輸入到計算機中的圖像數據，并從復雜的多維數據中生成圖像的一種工具(Mclormicketal，1987)。”在可視化技術剛出現的時候，主要是用于數據可視化方面。現代的數據可視化技術指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互技術等多個領域[6]。

VTK(Visualization Toolkit)是一種面向對象的、跨平臺的，用于進行三維計算機圖形操作、圖像處理、可視化系統開發的可視化軟件包，源代碼開放，可免費使用。它的核心層由C++類庫組成，外側可以封裝Tcl/Tk、Java等解釋性語言，使得用它們開發的應用程序可以便捷地在不同平臺之間移植。VTK的圖形圖像處理功能非常強大，集成了圖像處理和可視化領域的上百種算法，支持許多圖形及可視化算法(標量、矢量、張量)，支持包括建模、多邊形縮減、孔眼平滑、剪切、造型和曲面多邊形的高級建模技術。使用VTK，用戶可以很容易的將2D/3D圖形的數據和算法融合起來，并且可以非常容易的增加自己的繪制引擎。這些優點正適合于應用分布式技術[4]。

4 構建基于Web服務的分布式可視化系統

4.1 體系結構

典型的體系結構主要包括三層:包括客戶端層、可視化組件層和Web服務層(如圖3)。

客戶端層提供用戶接口，可以方便用戶可視化地進行各種操作。可視化組件層可為上層調用者提供可視化包的接口。Web服務層對外提供在服務注冊中心注冊的Web服務的接口，該層可對可視化數據集進行預處理(轉換格式或過濾無用書記等)以及映射操作。每個服務在UDDI中注冊后，客戶端可以根據其EPR(Endpoint Reference)發現該Web服務，并在可視化管道中組合各種Web服務。

將Web服務層與可視化組件層分離的好處是:可以充分發揮Web服務技術的優勢并且比較方便地訪問可視化組件層提供的可視化函數，而無需受到Web服務協議的約束[7-8]。

4.2 構建過程[9]

在Triana平臺中構建基于Web服務的分布式可視化系統的執行過程主要包括以下幾步:

1) 發現服務:Triana平臺通過其自帶的接口InquiryService在服務注冊中心UDDI中查詢滿足服務請求的Web服務，此時可以返回一個唯一的EPR。

2) 導入及調用服務:Triana平臺根據返回的唯一鍵值EPR，將查詢到的遠程Web服務導入至其Workspace中，如果有多個Web服務要導入，可以對它們進行組合，通過Triana構建的工作流可以在這些組合的Web服務之間傳遞所需的數據。

3) 讀取并傳輸數據集:通過Web服務中的SOAP(Simple Object Access Protocol，簡單對象傳輸議)提供的DataHandler將數據由本地下載至遠程計算結點或者使用FTP Server將數據和遠程Web服務傳送至遠程計算結點中。

4) 處理數據集:當數據集被下載到計算結點后，遠程的Web服務通過調用由可視化組件層提供的可視化算法來完成數據的預處理，包括將數據格式轉換為可視化管道可以識別的數據、過濾不需要的數據，然后將預處理后的數據轉化為一種幾何體返回客戶端。

5) 客戶端繪制:采用SOAP中的DataHandler對象序列化將處理結果(幾何體)返回給客戶端，客戶端根據所得到的處理結果并調用可視化組件層提供的可視化算法對本地結果進行繪制。

4.2 實例分析

下面通過一個實例進一步介紹如何在Triana平臺中構建基于Web服務的分布式可視化系統。這個例子主要是通過Triana構建可視化管道對人腳的CT圖片進行三維可視化。這里總共讀取了250張CT片，用到的數據來自于[10]。本例是在Ubuntu 8.04+tomcat 5.5下執行通過的。

首先，我們通過菜單”Services?Discover Services”可以查詢Web服務，然后通過”Services?Import Services”導入需要的Web服務CoutourFilter，導入成功后，Triana中右邊工作空間中就會出現一個紅色結點(如下圖所示)，然后也依次將其他結點(Dataset、FootIn和FootRender等)從左邊Triana Tools中拖到工作空間中來，按照順序排好之后，Triana會自動產生紅色箭頭以標識數據的流向，完成后一個可視化管道流就形成了。單擊執行按鈕，Triana引擎會按照工作流順序依次執行，讀取并傳輸完數據集后，會調用Web服務在遠程對它進行處理并映射，然后將映射后產生的幾何體傳至本地，最后調用FootRender進行繪制。

5 結束語

本文首先介紹了當前一個優秀的分布式問題求解環境Triana，然后簡單地對Web服務以及可視化作了描述，接著討論了基于Web服務的分布式可視化系統的一種體系結構，并提出了在Triana平臺中構建可視化的過程，最后用一個實例加以說明。通過實例可以發現用Triana來構建基于分布式的可視化管道流是非常方便的。

參考文獻:

[1] The Triana Team，Triana User Guide[Z].Http://www.trianacode.org.

[2] Majithia， S.Shields， M.Taylor， I.Triana: a graphical Web service composition and execution toolkit[J].Web Services，2004. Proceedings.IEEE International Conference on.2004:514-521.

[3] 余夕亮，黃宏程.基于PHP的Web Service的研究與應用[J].微計算機信息，2008，2-3:139-140.

[4] The VTK(Visualization Toolkit)user's guide[EB/OL].2002.http://public.kitware.com/VTK/

[5] 石教英，蔡文立.科學計算可視化算法及系統[M].北京:科學出版社，1996.

[6] 李曉梅，黃朝暉，等.并行與分布式可視化技術及應用[M].北京:國防工業出版社，2001.

[7] Wood， J.Brodlie， K.Jungwook Seo.A Web Services Architecture for Visualization[J].eScience，2008.eScience '08.IEEE Fourth International Conference on.2008:1-7.

[8] FuQiang Li，Bin Gong，Cheng Xing.An Adaptive System of Service-Oriented Visualization on the Grid[J].ChinaGrid Annual Conference，2008.ChinaGrid'08. The Third，2008:229-234.

[9] Gao Shu，Nick J.Avis.Workflow-Based Distributed Visualization[J].Grid and Cooperative Computing，2007.GCC 2007.Sixth International Conference on，2007:713-720.

[10] DICOM Files Database[DB/OL].http://pubimage.hcuge.ch:8080/.