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三維地震數據場直接體繪制方法及應用

發布時間:2018-08-16     來源:中國視覺網       訪問次數:7846


摘  要:本文研究了三維地震數據場的直接體繪制方法,介紹了地震數據分類、顏色轉換的原理,光照效應的簡化算法,論述了不透明度的物理意義及對可視化結果圖像的調節作用。應用實例表明直接體繪制方法能從原始數據直接得到三維地質體的整體圖象,能將分散的信息互相聯系起來,揭示隱藏在數據中的地質現象和規律,實現三維數據三維分析。
關鍵詞:科學計算可視化;體繪制;三維地震數據場

   1  引  言
   三維地震已經成為目前石油勘探的主要方法,在地震數據的采集過程中,人們在地表布置一系列等間隔的測線,在每條測線上等間隔放置一系列的傳感器,用炸藥爆炸的方式激發人工地震波,當地震波傳播到地下巖層的分界面時會產生反射和透射,其中反射波被傳感器接收并按一定的時間隔進行采樣,經過數字信號處理后就得到了三維地震數據體,這是一個規則的三維標量場。
   三維地震數據中蘊含著地下地層的豐富信息,以前由于沒有合適的三維顯示技術,人們只能通過一系列二維切片來分析地下地層的三維形態和結構,這種三維數據二維顯示的方法所獲取的信息是片面的、孤立的,一個三維體的完整形態分散在各個獨立的二維圖象中,觀察起來很不直觀,也不能從三維的角度深入分析數據中隱藏的地質現象和規律??蒲Ъ撲憧墑踴竅允競頭治鋈卣鶚蕕撓行揪?。
   二十世紀九十年代以來,國外就開始了三維地震數據的可視化研究[1]-[3]早期的可視化方法大多沿襲了切片法,本質上仍然沒有擺脫三維數據二維解釋的局限性。1999年G D. Kidd[4] 用直接體繪制算法對三維地震數據的可視化作了嘗試,取得了較好的效果,開創了三維地震數據可視化的新思路。本文詳細研究了三維地震數據場直接體繪制的原理及實現方法,并用實例分析了該方法的應用效果。
   2  地震數據的分類
   可視化就是要將三維數據在二維屏幕上顯示出來,需要采用投影的方法來實現??墑踴慕峁嵌噬枷?,單純的數據本身并無顏色之分,為了得到彩色圖像,必須先對數據進行分類,再根據分類的結果賦予顏色,同一類賦予相同的顏色,數據的顏色實質上代表物質的類別。為了體現距離層次及相互遮擋的效果,還要賦予不透明度值。
   地質學家在長期的解釋實踐中根據地震波在特征上的差異將地震剖面劃分為不同的地質體,其中最直觀、最突出的特征就是振幅。許多實例表明,僅僅根據振幅的差異就能識別出不同的地質體,我們可以根據這些事實按振幅大小將地震數據進行分類。
   原始地震數據為32位浮點數,動態范圍很大,分布也很不均勻,直接按實數設計顏色與不透明度的分類函數是非常困難的。我們首先將實數轉換為短整型數(short型),使振幅大小壓縮為65536級,既可以盡可能多地保留原始信息,又可以在此基礎上作進一步壓縮。
   在數字圖像處理中,真彩色圖像的RGB三原色分量都是256級,為了便于可視化彩色圖像的計算,我們也將地震數據進一步分為256級,即轉換為BYTE型數據,每一級代表一類,由轉換函數分別賦予256種顏色和不透明度。
   在將地震數據由short型轉換為BYTE型實質上就是將振幅值重新量化為256級,量化可分為均勻量化和非均勻量化。所謂均勻量化,就是將原始數據按數值大小等間隔劃分,每一級的數據范圍是相等的,其優點是計算簡單。由于地震原始數據的振幅分布類似于正態分布,特別大或特別小的振幅值的頻度較低,中間振幅的頻度較大,振幅接近于0的數值的頻度最大,處于峰值。因此均勻量化的結果,使每一級所包含的數據個數差別很大,分類較粗,丟失了原始數據中振幅差異的細節,其結果是降低了可視化圖像的分辨率。
   所謂非均勻量化就是將原數據進行不等間隔劃分,使劃分出來的每一級所包含的數據個數大致相等,這實質上就是圖像處理中的直方圖均衡,其優點是所包含的信息量(熵)最大,分辨率最高,即在有限的數據級別條件下最大限度地保留原始數據的細節,能有效提高可視化圖像的分辨率。
   3  三維數據場可視化的光學模型
   我們采用光線吸收與發射模型,由于粒子發光,因而能看到全部數據,充分利用了所有信息;又由于粒子吸收光線,可產生一種距離上的層次感及相互遮擋的效果,能表現數據之間的空間關系,深入地體現三維地震數據場中蘊涵的地質現象和規律。
   若粒子的發光強度C為常數,或者對于同類物質所賦予的顏色C為常數,則經過一段傳播距離D以后,根據文獻[5]的推導,光線到達視點的光強度為:
   I (D) = I0 T (D) + C ( 1 – T (D))     (1)
   式中T (D)為長度為D的這段介質的透明度,I0為射入的背景光強度。該式表達了背景光I0與所賦顏色值為C的數據發光點在透明度T (D)作用下合成的光強度。
   上式中的1-T (D)為不透明度a,也可理解為阻光度。a = 0表示該段介質完全透明,粒子發出的光對像素點的光強貢獻為0,不會在可視化圖像上留下痕跡,因而是不可見的。 a = 1表示該段介質完全不透明,它本身是可見的,但被它遮擋的物體則是不可見的。
   4  顏色賦值及不透明度曲線的調節
   為提高可視化圖像的對比度,我們采用黑色作為背景色,為了突出強振幅,我們將強正振幅賦予顯眼的紅色,其余依次是黃色、綠色,強負振幅賦予蘭色,共四種色調,每種色調內又有強度的變化。除顏色賦值外,還須給每類數據賦予一個不透明度值,從函數關系上,不透明度和顏色都是振幅的函數,因此不透明度就轉化為顏色的函數。不透明度與顏色的關系可表示為一條曲線,曲線橫坐標為顏色,縱坐標為不透明度值,其取值范圍為[0,1]。

圖1

   圖1是一個實際三維地震數據體的頻度分布、顏色及不透明度的關系圖。圖的中部為振幅頻度分布圖,表示每一級別振幅數據的個數,振幅級別從0到255共256級,可以看出振幅大致符合正態分布;振幅頻度分布圖下方為分類后所賦予的顏色。疊加在頻度分布圖上的就是不透明度(阻光度)曲線,可以看出,該曲線對紅色賦予較大的不透明度,因而主要對強振幅(紅色)數據進行成像,也包含部分中強振幅(黃色)數據,但黃色光有衰減,藍色光和綠色光被濾掉,不會被觀察到。
   不透明度曲線的作用相當于一個濾光片,讓感興趣的數據發出的光在成像平面上留下較強的痕跡,表現為可見;讓不感興趣的數據所發出的光完全透明,不讓它在成像平面上留下痕跡,表現為不可見,因此我們可以通過調節不透明度曲線來選擇所要成像的數據類別。
   原始數據中包含了所有類別的目標,它們之間是相互遮擋,甚至是交錯分布的,全部都顯示出來未免雜亂無章,反而什么也看不清,為了突出某一類物體,在顏色賦值確定后,可以通過調節不透明度曲線來實現對某類或某幾類物體進行成像。這條曲線直接影響到可視化的結果,需要細調節,精確選取所要觀察的數據類別。
   5  光照效應計算
   在三維曲面的繪制中考慮光照效應,可以顯示物體表面的起伏形態,增強圖像的真實感,在體繪制中,也需要利用光照效應來突出不同物質之間的邊界面。在面繪制中,是根據面的法向來計算光照效應的,在體繪制中,用數據點的梯度來代替法向量,一般采用中心差分來計算數據點的梯度。在Phong光照模型中,物體的反射光包括漫反射和鏡面反射,由于三維地震數據體各點的梯度變化雜亂,沒有清晰、光滑的分界面,內部光照效應很弱,因而可以忽略鏡面反射,簡化后的光照效應公式為:

(2)


   其中:L為光源的某一顏色分量經物體反射后到達視點的顏色分量, 為采樣點的單位法向量, 為光源單位方向向量, 為光源i的輻射光強, 為環境光經物質反射后的部分, 為漫反射系數。
   由上式可以看出,反射光的顏色只與采樣點的法向量 有關,故只要事先計算所有方向向量對應的顏色,形成一個顏色—向量查找表[6],即可迅速得到某點反射光的顏色。查找表的建立過程如下:
   (1)選擇一組向量集,盡可能地在空間所有方向上均勻分布;
   (2)給每一個向量進行編碼,分配一個唯一的整數;
   (3)計算每個采樣點的梯度,找出與向量集中最接近的一個向量,對于選取的向量根據它的整數碼在查找表查找它對應的顏色值。
   由于三維地震數據體數目龐大,每點都進行光照效應計算要耗費大量時間,難以達到實時顯示的要求,經過實驗發現,對梯度變化比較緩慢的“平緩”區域可以省略光照效應計算,只對那些變化較快的邊界區域進行光照效應計算,不會造成明顯的影響,這在很大程度上減少了計算量,加速了繪制過程。具體實現時可以事先設定的梯度閾值,如果某點的梯度值大于該閾值,則需要進行光照效應計算;如該點的梯度值小于閾值,則不需要進行光照效應計算。
   6  所采用的算法及主要步驟
   本文研究采用光線投射算法[7]因為該方法意義明確,成像精度也較高,具體步驟如下:
   (1) 數據分類,根據三維地震數據場的值將其重新量化,分為256類,并給每類數據賦予不同的顏色值,調節不透明度曲線,選取感興趣的數據類別進行成像。
   (2) 光線跟蹤及數據重采樣。從觀察屏幕的每一個像素點出發,根據設定的觀察方向發出一條射線,這條射線穿過三維數據場。沿著這條射線按一定間隔設定一系列等間距的采樣點,這些新的數據采樣點一般不在原始的三維網格結點上,由靠近新采樣點最近的8個原始采樣點上的顏色值和不透明度值作三線性插值,求出該新采樣點的顏色值和不透明度值。
   (3) 圖象合成。根據每條射線上各采樣點的顏色值及不透明度值由前向后或由后向前進行光強度的合成,即可得到發出該射線的像素點處的顏色值,再將各像素點的顏色值合并起來就組成了一幅完整的三維數據場體可視化圖象。
   7  應用結果分析
   我們對多個實際三維地震數據場進行了試驗,圖2是對一個實際三維地震數據場進行可視化的結果,可以清楚地看到海底峽谷及水下河道的位置及延伸規律。由于體繪制能利用所有原始數據生成一幅完整的可視化圖像,能使原來分散的信息相互聯系起來,便于綜合分析和判斷,因而比傳統的二維圖像要直觀、可靠得多。

圖2  海底峽谷及水下河道的可視化圖象

   我們還對國內某油田的一個實際三維地震數據體進行了可視化的實際應用,該油田地下發育有大量的火山巖,可作為良好的油氣儲層?;鶘窖業牡卣鴟瓷涮卣魑空穹?、波阻抗較大,層速度一般為中、高速。根據這些特點,我們選取振幅作為數據分類的特征參數,在可視化過程中,選擇一個合適的觀察方向后,可以直接看到火山巖體的三維空間分布范圍。圖3是目的層段的三維可視化結果圖像,可以看出該區火山巖呈團塊狀分布,經過與橫切火山巖體的地震剖面對比發現火山巖主要位于斷裂帶附近,基本上是順層分布,這與地質分析的結果是一致的。與人工解釋相比,三維可視化技術將定性分析提高到定量解釋,能減少主觀差異對解釋結果的影響,有效地提高解釋的精度、質量和效率。

圖3



參 考 文 獻
[1] Dorn G. Visualization in 3-D seismic interpretation. The Leading Edge, 1995,1045~1049
[2] Geoffrey A D. Modern 3-D seismic interpretation. The Leading Edge, 1998(9)
[3] Andre Gerhardt, Anselmo Paiva, Ana Elisa Schmidt, et al. Requisites of 3-D seismic data volume rendering. GOCAD ENSG Conference. 1998(6)
[4] Kidd G D. Fundamentals of 3-D seismic volume visualization. The Leading Edge , 1999(6):702 ?709
[5] 唐澤圣.三維數據場可視化.清華大學出版社,1999
[6] Lacroute P. Fast volume rendering using a shear-warp factorization of the viewing transformation. Technical Report: CSL-TR-95-678, Computer Systems Laboratory, Departments of Electrical Engineering and Computer Science, Stanford University, 1995
[7] Levoy M. Display of surfaces from volume data. IEEE Computer Graphics and Application, 1988, 8(3): 29?37