構建面向網格的可視化系統

[摘 要] 隨著社會信息化的推進和網絡應用的普及，信息可視化作為基本工具得到越來越廣泛的應用。而網格作為面向互聯網的計算方式，拓展了可視化應用的資源利用和服務提供范圍。本文從信息可視化與網格融合的角度出發，提出了構建面向網格的可視化系統的基本思路，重點論述了其設計目標、工作模式和體系結構等問題。

[關鍵詞] 信息可視化； 網格； 可視化系統

[中圖分類號] TP311.5 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2013）20- 0071- 03

1 信息可視化與網格概述

1.1 信息可視化概述

所謂可視化，就是把數據信息和知識轉化為圖形、圖像等比較直觀的視覺形式的過程，它充分利用人們對這些可視模式能夠快速識別的自然能力，以良好的可視界面滿足人們觀察、瀏覽、操縱、過濾、研究、探索、理解、發現大規模數據的需求，并方便人們與之交流，從而可以有效地發現隱藏在信息內部的特征和規律，并加以總結和推廣。進一步，對繁雜的抽象信息之間的復雜關系進行探索的努力，促使了信息可視化這一嶄新科學領域的出現。它是一門將信息和數據轉換為人們可以直觀、形象理解的圖形或圖像表達方式的技術，從而通過對信息的感知將其內在化成知識。它結合了科學可視化、人機交互、數據挖掘、圖像技術、圖形學、認知科學等諸多學科的理論和方法，而逐步發展起來。作為人和信息之間的一種可視化界面，交互技術顯得尤為重要，傳統的人機交互技術幾乎都可以得到應用。人機交互是研究人、計算機以及它們相互影響的技術，而信息可視化則是研究人、計算機表示的信息以及它們相互影響的技術。除了如何繪制關心的對象的可視化屬性的問題以外，更重要的是如何把非空間抽象信息映射為有效的可視化形式。

可視化技術最初應用于科學計算，隨著社會信息化的推進和網絡應用的日益廣泛，信息源越來越龐大，也越來越復雜，可視化技術已不僅用于科學數據，而且要作為一個基本工具，應用于抽象信息，揭示信息之間的關系和信息中隱藏的特征。目前，信息可視化的研究熱點之一是網絡信息可視化。網絡信息分布在遍及世界各地的數以萬計的網站上，網站通過文檔之間的超鏈接交織在一起。不論網絡現在的規模有多大，可以預見的是，它還將繼續膨脹。如何方便地利用Web上的信息，成了一個迫切需要解決的問題。然而，目前的信息訪問方式卻遠遠不能讓人滿意。網絡信息可視化在幫助人們理解信息空間的結構，快速發現所需信息，有效防止信息迷航等方面將會扮演越來越重要的角色。

1.2 網格的概念與應用

網格是一種正在發展的新興技術， 人們對它還沒有一個統一的認識。有人將其看作是未來的互聯網， 也有稱“ 網格”代表“ 國際互聯網2”和“ 下一代互聯網”等。此類說法雖不嚴謹， 但也說明了“ 網格”是繼互聯網之后出現的一種新型網絡技術平臺。通俗地說， 它是把地理位置上分散的資源集成起來的一種基礎設施， 通過這種基礎設施， 用戶不需要了解這個基礎設施上資源的具體細節就可以使用自己所需要的資源。作為構筑在互聯網上的一組新興技術， 它將高速互聯網、計算機、大型數據庫、傳感器和遠程設備等融為一體， 為科技人員和民眾提供更多的資源、功能和服務。不難預測，與萬維網一樣，原來為科研服務的網格也會很快用于傳媒、傳統產業、電子商務、娛樂等各個領域。網格通過任何一臺計算機都可以提供無限的計算能力，可以接入浩如煙海的信息。這種環境將能夠使各企業解決以前難以處理的問題，最有效地使用他們的系統，滿足客戶需求并降低他們的計算機資源總成本。它所要達到的目的有三個，其一是資源的集中，使用戶能夠將企業整個IT基礎設施看作是一臺計算機，能夠根據需要找到尚未被利用的資源。其二是數據共享，使企業接入遠程數據。其三是通過網格來加強合作，使廣泛分散在各地的組織能夠在一定的項目上進行合作，整合業務流程，共享從工程藍圖到軟件應用程序等所有信息。

2 面向網格的可視化研究

2.1 信息可視化與網格計算的融合

作為一種發展中的技術，廣義上可以認為網格是一種面向互聯網的分布式計算技術和中間件。可視化與網格具有緊密的聯系：一方面可視化通常是科學計算結果的后續處理步驟，另一方面可視化本身也是一種數據與計算密集型應用。可視化和科學計算一樣是促進網格發展的動力。網格支持互聯網范圍的可視化應用，它對于可視化應用的意義有以下幾個方面：

（1） 隨著科學計算和醫學等應用的發展，可視化數據集的存儲量和計算量不斷增大。一些數據集的存儲量已達到太（T）字節，網格技術能夠通過動態的資源組織滿足數據存儲和計算的要求，它能提供自治和動態的資源管理，實現數據采集、存儲和計算的分布，增強科學家理解和使用科學數據的認知能力，延伸人類科學活動的范圍。

（2）可視化應用具有較高的數據要求和計算要求，一般只能在較高端的平臺上運行，往往需要遠程使用。隨著互聯網的普及，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，網格提供了一個更為統一的資源共享和使用的平臺，在這個平臺上協調各種資源、提供遠程可視化服務存在很多新的挑戰，因為需要處理數據、計算和顯示等多種類型的分布。

（3） 面向網格的可視化應用不僅應該支持用戶的遠程訪問，而且應該支持用戶間的協同。人們已經對協同可視化進行了大量研究。協同也是網格的一項重要特征。如網格可以提供虛擬組織支持，這種虛擬組織的概念除表現為資源的虛擬化外，更突出表現為多個用戶之間的協作。

（4） 科學計算和可視化都是網格的主要應用對象。可視化通常是科學計算的后續處理步驟，為了更好地對科學計算結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調和集成，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，方便問題求解環境的構建。所以面向網格的可視化和面向網格的科學計算的集成也是一個重要的研究領域。

2.2 面向網格的可視化的研究內容

20 世紀90 年代中后期以來，計算機迅速普及，網絡技術飛速發展，計算機集群和聯網計算機逐步取代了傳統的高端并行機而成為并行可視化應用的理想平臺。而Internet 的興起使得可視化應用利用Internet 范圍的存儲、計算和繪制資源，并在Internet范圍內提供服務成為一種可能和現實的需求。傳統的網絡可視化研究沒有考慮面向INTERNET 的異構性、互操作性、動態性和可擴展性，而從集中到分散、從緊耦合到松耦合、從小范圍到大范圍是并行計算機和網絡技術的發展趨勢。網格技術正是在這種條件下產生的一種前瞻性的面向互聯網的分布式計算方式，它是傳統的并行計算和分布式計算在深度和廣度上的拓展。雖然網格技術仍在發展之中，但是它所提供的資源匯聚、自治協調等功能將使得可視化應用在更廣的范圍內進行數據存儲和計算，更好地與科學計算程序集成，并讓更廣范圍的用戶通過網絡以遠程或協作方式使用可視化應用。面向網格的可視化已經成為可視化領域的一個新的研究。國內外都在面向網格的可視領域內進行了較多研究，早期的研究主要是利用計算分布和數據分布完成可視化任務，后來的研究向縱深發展，其側重點也有所不同。一些研究不僅利用網格資源進行并行繪制，而且可以提供遠程繪制服務；一些研究項目致力于功能更為全面的面向網格的可視化軟件和中間件；另一些研究則側重于現有可視化軟件的“網格化”；還有一些研究特別將重點放在了網絡可視化中海量數據的傳輸中。以上這些研究雖不成熟，但都是在面向網格的可視化領域內的有益探索。

3 構建面向網格的可視化系統

隨著網格環境的建設的逐步完善和科學計算的需求日益增長，如何構建一種適用性好、交互性強、易于擴展的網格環境下的可視化系統，成為目前面向網格的可視化應用研究的重點問題。基于網格計算環境的特征，并參考國內外已有的遠程可視化系統，可以從以下幾個方面來考慮：

3.1 關于系統的設計目標

（1） 高效地提供優質的可視化結果。由于涉及到大規模的數據，一般的可視化軟件均需要較高配置的運行環境。只有在基于高性能計算網格的環境中，利用高性能的CPU、計算和可視化硬件環境，才能高效地可視化大規模甚至超大規模科學計算所得數據，得出高質量的可視化結果，從而方便對數據進行進一步分析。

（2） 簡化用戶操作。若使用一般的可視化軟件，在直接對數據進行可視化前，有可能需要對計算所得到的大規模數據進行篩選、轉換存儲方式等操作。高性能計算網格環境下的可視化系統應有機地與整個網格環境結合起來，在得到計算結果時，自動進行某些用戶自定義操作，從而簡化用戶操作。

（3） 提高可視化過程的交互性。可視化服務器屏蔽在網格中間件之下，在對數據進行可視化的過程中，用戶可以進行交互，滿足特定需求。

（4） 有效利用已有可視化軟件。網格計算環境中已經集成的大量優秀可視化軟件中，有的應用范圍涵蓋了相關學科的多個應用領域，有的成為了相關學科數據分析的常用工具。充分利用這些軟件，將這些軟件以系統組件的方式融入到系統中來，將極大提高系統的可用性，降低其開發周期，充分利用網格環境資源共享的特征。

（5） 很好的可擴展性。一個可視化中心，不同領域不同部門用戶的可視化要求各不相同，而且隨時可能有變化或有新的可視化要求。系統要能夠方便地修改已有的服務和添加新的可視化服務。

3.2 面向網格的可視化系統的工作模式

可視化應用一般需要較大的計算量，可以利用網格上的高性能可視化資源完成可視化任務，然后將結果圖像傳送到用戶的客戶端顯示。這樣，客戶端只完成結果圖像的顯示，無需專用的軟、硬件資源，對客戶端的軟硬件要求將大大降低，易于實現異地多用戶的協同設計和分析。可視化資源共享的工作模式如圖1所示。

（1） 用戶通過Web 瀏覽器訪問可視化應用服務門戶，設置可視化應用參數。以虛擬環境為例，主要是三維場景運行信息，包括地形文件、運動實體幾何模型文件，模型驅動方式、海洋參數、三維路徑參數等。

（2） 可視化應用門戶服務器基于JSP 等動態網頁技術響應客戶端的請求，用戶的操作結果在門戶服務器上存儲為XML 格式的可視化應用配置文件，并將該配置文件傳送到可視化應用服務器。

（3） 可視化應用服務根據配置文件，利用網格中間件查找相應的模型資源，完成相應的可視化任務，并繪制到圖形加速卡的幀緩存中。

（4） 可視化應用服務捕捉幀緩存中的三維場景圖像，并保存為圖像文件，傳送回可視化應用門戶服務器，門戶服務器將場景圖像傳送到客戶端顯示。

3.3 面向網格的可視化系統的體系結構

面向網格的可視化系統分為4 層結構，即可視化資源層、網格中間件層、可視化應用服務層和可視化應用網格門戶層，如圖2所示。

（1） 可視化資源層。提供網格調度使用的各種可視化資源，包括科學計算可視化工具、視景仿真驅動軟件和圖形繪制硬件等。

（2） 網格中間件層。完成可視化服務的部署、注冊、調度、服務發現等網格資源管理功能。

（3） 可視化服務層。響應可視化應用門戶的任務請求，利用可視化網格資源完成具體的可視化任務。其中，可視化任務解析服務負責解析XML 格式的可視化任務描述文件，并調用其他可視化服務完成可視化任務。

（4） 應用門戶層。接收用戶的交互信息，生成可視化任務描述文件，向用戶顯示可視化任務執行結果。

4 總結和展望

面向網格的信息可視化技術拓展了并行可視化和分布式可視化的研究范圍，使可視化可以在更廣的范圍內進行數據存儲和計算，更好地與科學計算連接，并讓更廣范圍內的用戶通過網絡以遠程或者協作方式進行可視化。隨著研究的不斷深入，面向網格的可視化應用研究可以從兩個方面來努力，一方面是進一步完善系統服務管理、檢測和監控，增強系統的安全，提高系統的健壯性和適用性，另一方面是從應用出發，結合高速互聯網的普及與發展，根據用戶不斷變化的需求，增加更多的可視化服務。

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