多地震屬性體實時融合三維可視化技術

張理慧， 王漢鈞， 趙 亮， 崔京彬， 李詠梅

(1.東方地球物理公司 物探技術研究中心,涿州 072751；2.東方地球物理公司 采集技術中心,涿州 072751)

0 引言

隨著地震勘探解釋技術的發展，描述復雜地質構造時需要多個屬性同時解釋，互相補充驗證。而傳統解釋軟件每次顯示單一的地震屬性數據體，有一定的局限性，無法從宏觀上展示地質變化，屬性間的差異表現也不明顯。多數據融合的概念始于20世紀70年代，其理論和方法在80年代后開始發展。其基本策略是先對同一層次的信息進行融合，獲得較高層次的信息，再匯入對應的數據，融合到更高層次[1]。Liu等[2]從頻域出發，將低、中、高三個頻段的地震屬性映射到RGB顏色通道，提出基于余弦變換的RGB顏色融合技術；Guo等[3]對基于視覺顯示的多種顏色融合技術進行總結，將這些方法從原理、流程、效果的角度進行對比。而上述理論的應用多為二維顯示方面。因此有必要將多個地震屬性數據體在三維空間中融合顯示，使得解釋人員更加立體直觀地看到各屬性之間的相互關系，明確不同屬性，不同地質體之間的分界。

在三維空間中進行多屬性體融合具有數據量大、體繪制算法計算復雜度高等特點，需要解決繪制質量和繪制速度兩方面的問題。隨著計算機硬件技術的飛速發展，新一代的圖形顯示硬件集成了以GPU為核心的可編程頂點著色器和可編程像素著色器，GPU通用并行計算技術也獲得諸多應用領域的廣泛關注。地震勘探目前對高性能計算的直接需求是疊前偏移、疊前反演和全波形反演[4]。筆者提出了采用八叉樹結構有效進行數據的動態管理，基于Shader編程技術，利用GPU可編程管線加速，實現多屬性體融合的三維可視化。GeoEast是具有自主知識產權的地震資料處理解釋一體化軟件，在GeoEast解釋軟件中,研發了三維可視化多屬性體融合子系統，實現了基于RGB映射和屬性加權的兩種融合技術，保證了多屬性體高質量實時融合渲染，增加地質現象成像能力。通過多個實際工區的測試應用，取得了良好的應用效果。

1 方法原理

多個地震屬性體融合三維可視化能立體直觀快速地顯示地質構造，為解釋人員分析地質構造提供了有效方法。

1.1 傳遞函數

體繪制也叫體渲染。三維數據體被看作是一個基于3D網格的數據集，位于網格點上的元素叫體素voxel。體繪制中最核心的就是傳遞函數(Transfer Function)。傳遞函數將三維數據體中的每個體素值映射為光學屬性即顏色與不透明度值，以此來區分三維體數據中不同物質以及不同屬性，凸顯重要物質的信息[5]。傳遞函數設定的好壞決定了體繪制的成像質量。

1.2 光線投射法

光線投射算法最先由Levoy M.[6]提出，是最經典的一種基于圖像空間序列的直接體繪制算法：從圖像的每一個像素，沿固定方向(通常是視線方向)發射一條光線，光線穿越整個圖像序列，并在此過程中，對圖像序列采樣獲取顏色信息，且依據光線吸收模型將顏色值累加，最后得到的顏色值就是渲染圖像的顏色。

1.3 OpenGL與GPU加速

OpenGL(Open Graphics Library)是業界最廣泛使用和支持的圖形應用程序編程接口(API)。其執行過程是通過渲染管線(Pipeline)實現的，包括頂點處理管線和片斷處理管線兩個階段。頂點處理管線實現頂點變換階段的功能，片斷處理管線負責片元的加工。早期的渲染是通過固定的渲染管線實現的，渲染過程被固定到代碼中不能改變。隨著現代圖形硬件加速技術的進步，新一代的圖形顯示硬件集成了以GPU圖形處理單元為核心的可編程頂點著色器和可編程像素著色器，通過編程動態控制渲染過程，無需重新編譯代碼，為實現數據體實時繪制技術提供了硬件支持。GLSL(OpenGL Shading Language)為OpenGL著色語言，用于創建可編程著色器程序(Shader)。所創建的頂點著色器和片斷著色器在可編程的圖形處理器GPU上執行，分別代替了原固定渲染管線所對應的不同階段[7]。

圖1 基于RGB映射的融合示意圖Fig.1 Sketch map of fusion based on RGB mapping

圖2 基于屬性加權的融合示意圖Fig.2 Sketch map of fusion based on attribute weighting

1.4 基于RGB映射的融合體繪制方法

當前計算機多為 32 位 (256×256×256×256)色深的彩色系統，其中紅(R)、綠(G)、藍(B)、不透明度(A)各占一個顏色通道?；?RGB 映射的融合體繪制基本原理如圖1所示。

設這三個屬性體數據分別為V1、V2、V3，將它們的值利用R、G、B三個顏色通道來關聯，通過某種變換映射成三種顏色，將體素的值轉化成0-255的偽顏色值，采用一階線性變換。對于第i個體素，最終的R、G、B顏色值分別如公式(1)、公式(2)、公式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

其中：v1i、v2i、v3i是該體素的值；v1min、v2min、v3min分別對應各屬性體數據中的最小值；v1max、v2max、v3max為最大值。通過上述公式，各屬性的值便統一映射到顏色通道上。

1.5 基于屬性加權的融合體繪制方法

加權原為數學統計中的名詞，就是賦予各對象或各變量不同的權數即權重。通過權重來進行多個屬性融合，能夠凸顯重要的屬性或者某個屬性中的重要部分，對于地震解釋是非常重要的。基于屬性加權的融合體繪制基本原理就是先把三個屬性數據通過傳遞函數進行各自的顏色和透明度值映射，將屬性值變換到統一值域(0-255)，然后為每個屬性設定不同的加權系數，其中各加權系數之和為“1”，最后進行加權融合(圖2)。

圖3 數據管理示意圖Fig.3 Sketch map of data management

2 多體實時融合的三維可視化實現

基于以上方案，在實際GeoEast解釋軟件中研發了三維可視化多屬性體融合子系統，實現了基于RGB映射和屬性加權兩種方法的體融合技術，可以通過同時調節各屬性數據體的感興趣數據值范圍、權重系數、融合順序，實時地在GPU上重新融合計算紋理并顯示。同時該子系統提供了豐富的三維可視化功能，從多個角度表現融合體的地質內容。數據管理過程如圖3如示。

首先將原始的地震屬性數據通過開發的文件讀取器和轉換器，將數據轉換成一個帶索引的中間文件存放在硬盤上，在可視化顯示時指定該中間文件為數據源，通過實時訪問索引文件實現顯示。基于八叉樹思想，軟件提供了一個多分辨率的分塊層次金字塔模型存儲數據，可加速數據的訪問渲染。其核心思想是分層和分塊：原始數據按不同分辨率重采樣產生層；同一層數據按指定的網格大小均勻剖分為塊。最低層是完全分辨率的塊，最頂層是最低分辨率的塊，全局視圖。渲染時最先加載頂層塊。同時其渲染與視點相關，對于初始全景，距離視點很遠的數據，只檢索其低分辨率塊；距離視點很近的數據，隨著細節的深入，逐步將其精化，采用高分辨率的塊數據顯示。這樣使得海量地震數據體能實現動態頁面調度，有效提高實時可視化效率，使得當前顯示的數據量與數據體本身原始大小無關。

圖4 體融合軟件實現流程Fig.4 Software process of multi-volume fusion

圖5 融合體生成操作過程Fig.5 Operation process of fusion volume generation

該軟件的開發環境為：Linux操作系統redhat6.2.gcc4.4.x86-64，基于OpenGL4.4，編程語言為 C++，GLSL著色語言。測試環境為NVIDIA的 GeForce GT 555M顯卡，Intel(R)Core(TM)i7-2600 3.4GHz CPU。為了實現融合的實時性，采用了GPU可編程管線來進行加速，將復雜的數據插值、顏色計算、色表查找、融合等算法定義在Shader片元著色器程序中，用來修改傳遞函數的映射關系，改變圖像的渲染管線。這些算法在GPU上執行，響應來自CPU的指令，由于 GPU 多核同時工作，擁有強大的并行計算能力，可很快完成計算實現直接渲染。其軟件實現的關鍵過程如圖4所示，融合體生成的操作過程如圖5所示。

3 應用效果

3.1 應用A

利用地震振幅、相干和曲率屬性進行RGB融合及屬性加權比例融合，其剖面切片效果如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以看出，振幅屬性反映相位和儲層信息，相干屬性反映大斷層，曲率屬性刻畫小斷層、裂縫等目標。單個屬性體繪制只是從某個方面強化了地震構造的一個特性，而多屬性融合體繪制，可以同時凸顯多個地質特征，更能從宏觀上表現地質構造，為地質解釋作了有益補充驗證。利用切片、剖面動畫方式快速瀏覽全部融合數據，經過測試，響應幀率可達20 fps以上。通過調節參數，可以改變融合效果。對基于RGB映射的融合技術，改變代表R、G、B三分量的各屬性融合順序，可以反映不同地質邊界。對基于屬性加權的融合技術，改變屬性的權重系數或屬性顏色，可反映不同地質特征(圖7)。例如為了凸顯斷層信息，需增大相干屬性權重系數，也可同時突顯多個地質特征。經測試，所有的參數改變響應時間在100 ms以內，能做到即時融合顯示。

圖6 地震振幅、相干和曲率屬性融合Fig.6 Seismic amplitude, coherence and curvature attribute fusion(a)振幅屬性；(b)曲率屬性；(c)相干屬性；(d)RGB融合

圖7 屬性加權融合不同權重系數效果Fig.7 Effects of attribute weighted fusion with different weight coefficient(a)權重系數：振幅(0.3)、相干(0.6)、曲率(0.1)；(b)權重系數：振幅(0.3)、相干(0.4)、曲率(0.3)

3.2 應用B

利用相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅屬性進行RGB融合，其切片效果如圖8所示。通過調節透明度，以透視方式進行體渲染，其應用效果如圖9所示。

通過對不同物質的體素分配不同的顏色值能區別不同物質邊界，通過不透明度值調節，可以消隱或凸顯三維體數據中的某些地質特征，從而對體數據內部結構有著更加清楚地觀察。如圖9所示，經體透視區分出數據體內部河道和溶洞，同時針對單個屬性體河道表現斷續或只刻畫出河道邊緣的不足，經屬性體融合后能互相補充。

圖8 相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅屬性融合切片效果Fig.8 Slices of coherent energy gradient, variance texture, and RMS amplitude attribute fusion(a)相干能量梯度屬性；(b)方差紋理屬性；(c)均方根振幅屬性；(d)RGB融合效果；(e)RGB融合某切片Bump紋理效果

由圖9可以看出，無論是剖面切片方式還是體透視渲染方式，單個屬性體對河道信息有不敏感的部分，對地質情況的成像分辨率不夠高。而將相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅三種屬性體進行RGB融合后，去除了很多噪聲，消除了局部粘連的干擾，將各單屬性體表現的斷續河道外形融合成一條完整的河道，特別是對融合體進行Bump凹凸紋理顯示，更加立體直觀，河道連續性、展布方向及邊界刻畫得十分清晰。

3.3 應用C

通過椅狀顯示、子體漫游及體表、體透視等多種渲染方式，從多種角度宏觀展示融合體的地質內容(圖10)。

4 結束語

多地震屬性數據融合，能夠綜合利用各種屬性顯示和分析地質構造。針對物探領域三維空間中多屬性體實時融合需求，研究并實現了多個地震屬性數據體實時融合的三維可視化技術。采用八叉樹結構有效進行數據的動態管理，解決了三維可視化中大數據有效訪問的問題。通過深入研究GPU的渲染體系及Shader編程技術，充分利用GPU可編程管線加速，實現了基于RGB映射和屬性加權兩種方 法的快速交互、實時融合技術。通過實際工區數據測試，該地震多屬性體融合的三維可視化技術取得了良好的應用效果，具有較好的實用性。

圖9 相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅屬性融合體透視效果Fig.9 Volume perspective rendering of coherent energy gradient, variance texture and RMS amplitude attribute fusion(a)相干能量梯度屬性；(b)方差紋理屬性；(c)均方根振幅屬性；(d)RGB融合效果

圖10 融合體的多種顯示方式Fig.10 Multiple rendering ways of fusion volume(a)體表方式；(b)子體椅狀顯示；(c)子體顯示；(d)體透視