构建面向网格的可视化系统

[摘 要] 随着社会信息化的推进和网络应用的普及，信息可视化作为基本工具得到越来越广泛的应用。而网格作为面向互联网的计算方式，拓展了可视化应用的资源利用和服务提供范围。本文从信息可视化与网格融合的角度出发，提出了构建面向网格的可视化系统的基本思路，重点论述了其设计目标、工作模式和体系结构等问题。

[关键词] 信息可视化； 网格； 可视化系统

[中图分类号] TP311.5 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2013）20- 0071- 03

1 信息可视化与网格概述

1.1 信息可视化概述

所谓可视化，就是把数据信息和知识转化为图形、图像等比较直观的视觉形式的过程，它充分利用人们对这些可视模式能够快速识别的自然能力，以良好的可视界面满足人们观察、浏览、操纵、过滤、研究、探索、理解、发现大规模数据的需求，并方便人们与之交流，从而可以有效地发现隐藏在信息内部的特征和规律，并加以总结和推广。进一步，对繁杂的抽象信息之间的复杂关系进行探索的努力，促使了信息可视化这一崭新科学领域的出现。它是一门将信息和数据转换为人们可以直观、形象理解的图形或图像表达方式的技术，从而通过对信息的感知将其内在化成知识。它结合了科学可视化、人机交互、数据挖掘、图像技术、图形学、认知科学等诸多学科的理论和方法，而逐步发展起来。作为人和信息之间的一种可视化界面，交互技术显得尤为重要，传统的人机交互技术几乎都可以得到应用。人机交互是研究人、计算机以及它们相互影响的技术，而信息可视化则是研究人、计算机表示的信息以及它们相互影响的技术。除了如何绘制关心的对象的可视化属性的问题以外，更重要的是如何把非空间抽象信息映射为有效的可视化形式。

可视化技术最初应用于科学计算，随着社会信息化的推进和网络应用的日益广泛，信息源越来越庞大，也越来越复杂，可视化技术已不仅用于科学数据，而且要作为一个基本工具，应用于抽象信息，揭示信息之间的关系和信息中隐藏的特征。目前，信息可视化的研究热点之一是网络信息可视化。网络信息分布在遍及世界各地的数以万计的网站上，网站通过文档之间的超链接交织在一起。不论网络现在的规模有多大，可以预见的是，它还将继续膨胀。如何方便地利用Web上的信息，成了一个迫切需要解决的问题。然而，目前的信息访问方式却远远不能让人满意。网络信息可视化在帮助人们理解信息空间的结构，快速发现所需信息，有效防止信息迷航等方面将会扮演越来越重要的角色。

1.2 网格的概念与应用

网格是一种正在发展的新兴技术， 人们对它还没有一个统一的认识。有人将其看作是未来的互联网， 也有称“ 网格”代表“ 国际互联网2”和“ 下一代互联网”等。此类说法虽不严谨， 但也说明了“ 网格”是继互联网之后出现的一种新型网络技术平台。通俗地说， 它是把地理位置上分散的资源集成起来的一种基础设施， 通过这种基础设施， 用户不需要了解这个基础设施上资源的具体细节就可以使用自己所需要的资源。作为构筑在互联网上的一组新兴技术， 它将高速互联网、计算机、大型数据库、传感器和远程设备等融为一体， 为科技人员和民众提供更多的资源、功能和服务。不难预测，与万维网一样，原来为科研服务的网格也会很快用于传媒、传统产业、电子商务、娱乐等各个领域。网格通过任何一台计算机都可以提供无限的计算能力，可以接入浩如烟海的信息。这种环境将能够使各企业解决以前难以处理的问题，最有效地使用他们的系统，满足客户需求并降低他们的计算机资源总成本。它所要达到的目的有三个，其一是资源的集中，使用户能够将企业整个IT基础设施看作是一台计算机，能够根据需要找到尚未被利用的资源。其二是数据共享，使企业接入远程数据。其三是通过网格来加强合作，使广泛分散在各地的组织能够在一定的项目上进行合作，整合业务流程，共享从工程蓝图到软件应用程序等所有信息。

2 面向网格的可视化研究

2.1 信息可视化与网格计算的融合

作为一种发展中的技术，广义上可以认为网格是一种面向互联网的分布式计算技术和中间件。可视化与网格具有紧密的联系：一方面可视化通常是科学计算结果的后续处理步骤，另一方面可视化本身也是一种数据与计算密集型应用。可视化和科学计算一样是促进网格发展的动力。网格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：

（1） 随着科学计算和医学等应用的发展，可视化数据集的存储量和计算量不断增大。一些数据集的存储量已达到太（T）字节，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，增强科学家理解和使用科学数据的认知能力，延伸人类科学活动的范围。

（2）可视化应用具有较高的数据要求和计算要求，一般只能在较高端的平台上运行，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的平台，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布。

（3） 面向网格的可视化应用不仅应该支持用户的远程访问，而且应该支持用户间的协同。人们已经对协同可视化进行了大量研究。协同也是网格的一项重要特征。如网格可以提供虚拟组织支持，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。

（4） 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。所以面向网格的可视化和面向网格的科学计算的集成也是一个重要的研究领域。

2.2 面向网格的可视化的研究内容

20 世纪90 年代中后期以来，计算机迅速普及，网络技术飞速发展，计算机集群和联网计算机逐步取代了传统的高端并行机而成为并行可视化应用的理想平台。而Internet 的兴起使得可视化应用利用Internet 范围的存储、计算和绘制资源，并在Internet范围内提供服务成为一种可能和现实的需求。传统的网络可视化研究没有考虑面向INTERNET 的异构性、互操作性、动态性和可扩展性，而从集中到分散、从紧耦合到松耦合、从小范围到大范围是并行计算机和网络技术的发展趋势。网格技术正是在这种条件下产生的一种前瞻性的面向互联网的分布式计算方式，它是传统的并行计算和分布式计算在深度和广度上的拓展。虽然网格技术仍在发展之中，但是它所提供的资源汇聚、自治协调等功能将使得可视化应用在更广的范围内进行数据存储和计算，更好地与科学计算程序集成，并让更广范围的用户通过网络以远程或协作方式使用可视化应用。面向网格的可视化已经成为可视化领域的一个新的研究。国内外都在面向网格的可视领域内进行了较多研究，早期的研究主要是利用计算分布和数据分布完成可视化任务，后来的研究向纵深发展，其侧重点也有所不同。一些研究不仅利用网格资源进行并行绘制，而且可以提供远程绘制服务；一些研究项目致力于功能更为全面的面向网格的可视化软件和中间件；另一些研究则侧重于现有可视化软件的“网格化”；还有一些研究特别将重点放在了网络可视化中海量数据的传输中。以上这些研究虽不成熟，但都是在面向网格的可视化领域内的有益探索。

3 构建面向网格的可视化系统

随着网格环境的建设的逐步完善和科学计算的需求日益增长，如何构建一种适用性好、交互性强、易于扩展的网格环境下的可视化系统，成为目前面向网格的可视化应用研究的重点问题。基于网格计算环境的特征，并参考国内外已有的远程可视化系统，可以从以下几个方面来考虑：

3.1 关于系统的设计目标

（1） 高效地提供优质的可视化结果。由于涉及到大规模的数据，一般的可视化软件均需要较高配置的运行环境。只有在基于高性能计算网格的环境中，利用高性能的CPU、计算和可视化硬件环境，才能高效地可视化大规模甚至超大规模科学计算所得数据，得出高质量的可视化结果，从而方便对数据进行进一步分析。

（2） 简化用户操作。若使用一般的可视化软件，在直接对数据进行可视化前，有可能需要对计算所得到的大规模数据进行筛选、转换存储方式等操作。高性能计算网格环境下的可视化系统应有机地与整个网格环境结合起来，在得到计算结果时，自动进行某些用户自定义操作，从而简化用户操作。

（3） 提高可视化过程的交互性。可视化服务器屏蔽在网格中间件之下，在对数据进行可视化的过程中，用户可以进行交互，满足特定需求。

（4） 有效利用已有可视化软件。网格计算环境中已经集成的大量优秀可视化软件中，有的应用范围涵盖了相关学科的多个应用领域，有的成为了相关学科数据分析的常用工具。充分利用这些软件，将这些软件以系统组件的方式融入到系统中来，将极大提高系统的可用性，降低其开发周期，充分利用网格环境资源共享的特征。

（5） 很好的可扩展性。一个可视化中心，不同领域不同部门用户的可视化要求各不相同，而且随时可能有变化或有新的可视化要求。系统要能够方便地修改已有的服务和添加新的可视化服务。

3.2 面向网格的可视化系统的工作模式

可视化应用一般需要较大的计算量，可以利用网格上的高性能可视化资源完成可视化任务，然后将结果图像传送到用户的客户端显示。这样，客户端只完成结果图像的显示，无需专用的软、硬件资源，对客户端的软硬件要求将大大降低，易于实现异地多用户的协同设计和分析。可视化资源共享的工作模式如图1所示。

（1） 用户通过Web 浏览器访问可视化应用服务门户，设置可视化应用参数。以虚拟环境为例，主要是三维场景运行信息，包括地形文件、运动实体几何模型文件，模型驱动方式、海洋参数、三维路径参数等。

（2） 可视化应用门户服务器基于JSP 等动态网页技术响应客户端的请求，用户的操作结果在门户服务器上存储为XML 格式的可视化应用配置文件，并将该配置文件传送到可视化应用服务器。

（3） 可视化应用服务根据配置文件，利用网格中间件查找相应的模型资源，完成相应的可视化任务，并绘制到图形加速卡的帧缓存中。

（4） 可视化应用服务捕捉帧缓存中的三维场景图像，并保存为图像文件，传送回可视化应用门户服务器，门户服务器将场景图像传送到客户端显示。

3.3 面向网格的可视化系统的体系结构

面向网格的可视化系统分为4 层结构，即可视化资源层、网格中间件层、可视化应用服务层和可视化应用网格门户层，如图2所示。

（1） 可视化资源层。提供网格调度使用的各种可视化资源，包括科学计算可视化工具、视景仿真驱动软件和图形绘制硬件等。

（2） 网格中间件层。完成可视化服务的部署、注册、调度、服务发现等网格资源管理功能。

（3） 可视化服务层。响应可视化应用门户的任务请求，利用可视化网格资源完成具体的可视化任务。其中，可视化任务解析服务负责解析XML 格式的可视化任务描述文件，并调用其他可视化服务完成可视化任务。

（4） 应用门户层。接收用户的交互信息，生成可视化任务描述文件，向用户显示可视化任务执行结果。

4 总结和展望

面向网格的信息可视化技术拓展了并行可视化和分布式可视化的研究范围，使可视化可以在更广的范围内进行数据存储和计算，更好地与科学计算连接，并让更广范围内的用户通过网络以远程或者协作方式进行可视化。随着研究的不断深入，面向网格的可视化应用研究可以从两个方面来努力，一方面是进一步完善系统服务管理、检测和监控，增强系统的安全，提高系统的健壮性和适用性，另一方面是从应用出发，结合高速互联网的普及与发展，根据用户不断变化的需求，增加更多的可视化服务。

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