一種二維地震剖面三維顯示方法
【專利說明】一種二維地震剖面三維顯示方法 技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及計算機(jī)圖形學(xué)與科學(xué)可視化領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種二維地震剖面三 維顯示方法。 【背景技術(shù)】 地震數(shù)據(jù)的顯示技術(shù)對于地震勘探中的地震數(shù)據(jù)解釋環(huán)節(jié)具有關(guān)鍵性的作用。一個直 觀、正確、特征層次分明的地震顯示可以極大地方便地質(zhì)科研人員對相關(guān)數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確的 分析、得出正確的結(jié)論，這對于油氣勘探、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實意義。 現(xiàn)有的地震數(shù)據(jù)顯示技術(shù)主要分為兩大類：一類是二維顯示；另一類是三維顯示。地 震數(shù)據(jù)二維顯示是將地震剖面數(shù)據(jù)在一幅二維圖像中進(jìn)行顯示的技術(shù)，又可分為波形顯 示、波形+變面積顯示、灰度顯示、彩色變密度顯示等四個類別。波形顯示是將地震剖面數(shù) 據(jù)中同一地震道上的樣點用線段連接起來，以反映地震數(shù)據(jù)的變化，地質(zhì)分析是通過沿著 垂直于波形變化的方向觀察波峰或者波谷的變化來實現(xiàn)的，這種方式簡單且易于實現(xiàn)，但 是不能較好地顯示出一些較細(xì)微的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化；波形+變面積顯示是將波形顯示中每一 個周期內(nèi)的正半軸或負(fù)半軸以下區(qū)域用自定義的顏色填充，以更清晰地顯示出垂直于波形 變化方向的波峰或波谷的變化，使對應(yīng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加清晰，這種方法只可以更直接地顯 示出波峰或波谷變化所代表的宏觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對于細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯示能力并沒有超越波形顯 示方法；灰度顯示是將地震剖面轉(zhuǎn)換成一幅大小與地震樣點數(shù)一致的灰度圖像，將每一個 地震樣點的幅度值映射為相應(yīng)位置像素的灰度值，這種方式對于微觀結(jié)構(gòu)的顯示能力相對 于波形顯示和波形+變面積顯示有所提高，因為將每一地震樣點作為一個像素使得地質(zhì)結(jié) 構(gòu)中宏觀和微觀事件的連續(xù)性更好，但僅用灰度值，不便于視覺分析，所以就出現(xiàn)了彩色變 密度顯示；彩色變密度顯示是將每一地震樣點的幅度值映射一彩色值，進(jìn)而將整個地震剖 面映射為一幅二維彩色圖像，這種方式對于微觀結(jié)構(gòu)的顯示優(yōu)于前面三種顯示方法，但是 這種顯示仍局限于二維平面圖像，對于微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯示仍然不夠直觀。 近年來，伴隨著計算機(jī)圖形學(xué)研究的進(jìn)步和顯卡計算能力的提高及游戲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 地震數(shù)據(jù)的三維顯示技術(shù)獲得了廣泛的研究并取得了較大進(jìn)展，地震數(shù)據(jù)的三維顯示是將 三維地震數(shù)據(jù)在一個三維立體空間中進(jìn)行顯示的技術(shù)，這是相關(guān)領(lǐng)域的工作人員為解決二 維顯示中分析較為繁瑣、不能有效顯示出地震微觀結(jié)構(gòu)以作出正確地震解釋的不足而提出 的，但當(dāng)前出現(xiàn)的地震數(shù)據(jù)三維顯示技術(shù)或軟件只是將多個地震剖面的灰度顯示或者彩色 變密度顯示按照其初始相對位置在三維空間進(jìn)行顯示，顯示的基本組成部分仍然是前述幾 種二維顯示方法所產(chǎn)生的顯示結(jié)果中的一種，顯示地震微觀結(jié)構(gòu)的能力并沒有得到實質(zhì)的 提尚。
【發(fā)明內(nèi)容】
有鑒于此，本發(fā)明提出并實現(xiàn)了一種二維地震數(shù)據(jù)三維顯示方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存 在的對地震微觀結(jié)構(gòu)顯示能力差、不夠直觀等問題。 一種二維地震剖面三維顯示方法，具體實現(xiàn)步驟如下： 步驟1 :地震數(shù)據(jù)讀取與解析，以二進(jìn)制方式從磁盤中讀入標(biāo)準(zhǔn)Segy地震數(shù)據(jù)并解析 出地震樣點數(shù)據(jù)； 步驟2 :頂點輸入布局創(chuàng)建，定義頂點的屬性結(jié)構(gòu)，包括地震數(shù)據(jù)頂點輸入布局創(chuàng)建和 渲染到紋理頂點輸入布局創(chuàng)建； 步驟3 :調(diào)色板紋理創(chuàng)建與采樣，創(chuàng)建用于在顯示中為地震數(shù)據(jù)頂點著色的調(diào)色板并 定義在GPU著色器中采樣調(diào)色板紋理的方式； 步驟4 :傾斜方式紋理創(chuàng)建，創(chuàng)建一幅紋理，用于存儲所渲染顯示的每一個地震樣點的 數(shù)值化的傾斜方式； 步驟5 :地震數(shù)據(jù)紋理創(chuàng)建，創(chuàng)建一幅用于存儲地震數(shù)據(jù)的紋理，以通過在GPU中采樣 地震數(shù)據(jù)紋理方式將地震數(shù)據(jù)傳遞到GPU中； 步驟6 :效果文件創(chuàng)建，效果文件封裝了與所需繪制效果相關(guān)的著色器、設(shè)備狀態(tài)和繪 制路徑等任務(wù)，這里創(chuàng)建的效果文件包括渲染到紋理效果文件創(chuàng)建和渲染輸出效果文件創(chuàng) 建； 步驟7 :渲染到紋理，將所需渲染顯示的每一個地震樣點的數(shù)值化后的傾斜方式渲染 到紋理中； 步驟8 :網(wǎng)格創(chuàng)建與渲染，創(chuàng)建地震數(shù)據(jù)網(wǎng)格并渲染輸出。 具體包括以下步驟： 步驟1 :地震數(shù)據(jù)讀取與解析，用S (X，y)表示讀取的標(biāo)準(zhǔn)segy格式的地震數(shù)據(jù)，（X，y) 表示樣點在地震剖面中的二維坐標(biāo)，x、y均為非負(fù)整數(shù)，要顯示的地震剖面的范圍是以（j。， ic)為起始點的w道、h個樣點，考慮到求相關(guān)時窗口大小為5,窗口滑動范圍為（_1，1)，所 以X、y的取值范圍為j。彡X彡j o+w-1，i〇-3彡y彡iQ+h+2,確定了要顯示的地震數(shù)據(jù)大小 之后，就可以確定窗口的大小了。以二進(jìn)制方式從本地磁盤中讀取要顯示的標(biāo)準(zhǔn)segy地震 剖面數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)中包含3200字節(jié)EB⑶IC文件頭、400字節(jié)二進(jìn)制文件頭，每一道地震 數(shù)據(jù)的前面都有240字節(jié)的道頭信息，讀取每一道地震數(shù)據(jù)時，都要先將讀取地址定位到 3600+1X (240+每一道的樣點總數(shù)X4)位置處，每一道的樣點數(shù)等信息存儲在道頭信息 中，在本實施例中為4001，然后讀取要顯示的地震樣點數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)segy地震剖面數(shù)據(jù)的編 碼格式為32位的IBM浮點型格式，將其轉(zhuǎn)換為微機(jī)處理的IEEE型格式并存儲，即完成了地 震數(shù)據(jù)的讀取與解析。 步驟2 :頂點輸入布局創(chuàng)建，包括地震數(shù)據(jù)頂點輸入布局創(chuàng)建和渲染到紋理頂點輸入 布局創(chuàng)建兩部分，用于定義頂點的結(jié)構(gòu)屬性。創(chuàng)建方法分別如下： 地震數(shù)據(jù)頂點輸入布局創(chuàng)建的步驟是： 第一步，先創(chuàng)建一個包含地震數(shù)據(jù)頂點所需屬性的結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體包含了頂點各分 量的類型和屬性名，這里只需一個三維位置向量，這個三維位置向量用包含三個32位浮點 分量的D3DXVECTOR3類型來定義。如果通過將頂點的顏色屬性添加到此結(jié)構(gòu)中來對頂點進(jìn) 行著色，將會產(chǎn)生頂點之間顏色不能與地震幅度正確對應(yīng)的問題，如果將顏色作為頂點結(jié) 構(gòu)的屬性之一，那么光柵化器在對頂點位置進(jìn)行插值的同時也對顏色進(jìn)行了插值，而它對 顏色的插值并不是根據(jù)地震幅度進(jìn)行的； 第二步，創(chuàng)建D3D10_INPUT_ELEMENT_DESC型數(shù)組，數(shù)組中的每個元素描述了頂點結(jié)構(gòu) 體的一個分量，這里只需要描述位置分量即可，包括位置分量的語義、格式； 第三步，創(chuàng)建地震頂點輸入布局layout，以使Direct3D知道該如何使用每個分量，同 時也建立了從頂點結(jié)構(gòu)體到著色器輸入之間的映射關(guān)系； 第四步，在創(chuàng)建地震數(shù)據(jù)網(wǎng)格時，用于說明地震頂點的格式。 渲染到紋理頂點輸入布局創(chuàng)建的步驟是： 第一步，先創(chuàng)建一個包含渲染到紋理頂點的結(jié)構(gòu)體，包含頂點各分量的類型和屬性名， 需要一個三維位置分量和一個二維紋理坐標(biāo)分量，即：D3DXVECT0R3和D3DXVECT0R2兩種類 型的分量； 第二步，創(chuàng)建D3D10_INPUT_ELEMENT_DESC型數(shù)組，數(shù)組中的每個元素描述了頂點結(jié)構(gòu) 體的一個分量，這里描述了三維位置分量和二維紋理坐標(biāo)分量； 第三步，創(chuàng)建渲染到紋理頂點輸入布局，以使Direct3D知道該如何使用每個分量，同 時也建立從頂點結(jié)構(gòu)體到著色器輸入之間的映射關(guān)系； 第四步，在設(shè)備使用渲染到紋理頂點輸入布局之前，頂點輸入布局綁定到管線的輸入 匯編階段。 步驟3 :調(diào)色板紋理創(chuàng)建與采樣，創(chuàng)建用于為地震數(shù)據(jù)頂點著色的調(diào)色板并定義調(diào)色 板的采樣方式，調(diào)色板紋理元素的格式為128位浮點數(shù)，包含R、G、B、A四個分量，每個紋理 坐標(biāo)對應(yīng)了一種顏色，本發(fā)明定義飽和度為1的紅色表示地震幅度最小值，白色表示0幅 度，飽和度為1的藍(lán)色表示地震幅度最大值，假設(shè)調(diào)色板中定義了 η個顏色向量，則紋理坐 標(biāo)（U，V)中V = 0, U從0到1按η個級別漸變，在U = 0. 5處為白色，此紋理實現(xiàn)了調(diào)色板 的功能。顯示地震數(shù)據(jù)時，在渲染輸出效果文件的像素著色器中將地震樣點幅度值轉(zhuǎn)換為 紋理坐標(biāo)，通過采樣調(diào)色板紋理來實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)采樣點的幅度值與顏色值的一對一映射， 本發(fā)明將此稱為顏色幅度插值，線性顏色幅度插值時地震樣點幅度Z與紋理坐標(biāo)U的映射 關(guān)系表不為：
其中，Zgf和zg/j、分別為所要顯示的地震剖面中地震數(shù)據(jù)樣點幅度的最大值（為正） 和最小值（為負(fù)）。 像素著色器中由地震樣點幅度轉(zhuǎn)換得到的紋理坐標(biāo)之所以可以線性地采樣調(diào)色板，是 由于此調(diào)色板是一個1維的浮點紋理，而在采樣浮點紋理時，紋理元素的值會根據(jù)紋理坐 標(biāo)的不同線性地插值。 由于地震剖面顯示的對比度較低，有很大一部分區(qū)域都是白色或者淺白色，這是由于 地震樣點中極少數(shù)幅度較大的頂點對應(yīng)到了調(diào)色板的兩端，而大部分中間幅度的頂點就自 然被著色為顏色較淺的紅色、藍(lán)色或者白色，可以用兩種方法來解決這個問題。 一種方法是將像素著色器中的線性紋理坐標(biāo)映射改為指數(shù)坐標(biāo)映射，地震樣點幅度與 紋理坐標(biāo)的映射關(guān)系表示為：
其中，N為大于1的正整數(shù)，取N = 5,這樣在地震樣點幅度大于O或者小于O的地方， 頂點顏色就會很快地變?yōu)樗{(lán)色或者紅色，采用這種指數(shù)紋理坐標(biāo)映射后所獲得的地震剖面 三維顯示的對比度明顯增強(qiáng)的同時在地震幅度為O值的附近卻出現(xiàn)了顏色與地震幅度不 一致的情況，之所以會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是由于在將歸一化的地震幅度以指數(shù)形式映射為紋 理坐標(biāo)的時候，指數(shù)小于1，也就是要對小于1的歸一化地震幅度做開方運(yùn)算，這樣就難以 保證在O值附近的精度，從而導(dǎo)致了在O值附近顏色不一致的現(xiàn)象。 另一種增強(qiáng)對比度的方法是將調(diào)色板中的白色區(qū)域向中間集中，將線性漸進(jìn)調(diào)色板改 為指數(shù)漸進(jìn)即可以產(chǎn)生這種調(diào)色板。調(diào)色板中R/G分量（藍(lán)色漸變到白色時）或者G/B分 量（紅色漸變到白色時）與紋理坐標(biāo)U的對應(yīng)關(guān)系可表示為：
其中，y值的意義為：當(dāng)U值小于等于0. 5時，表示顏色分量中的G/B(G分量或者B分 量，G = B)的值，當(dāng)U值大于0. 5時，表示顏色分量中的R/G (R分量或者G分量，R = G)的 值，U的值用X表示OSxS 1。產(chǎn)生這種調(diào)色板之后，在像素著色器中仍然采用線性紋理 坐標(biāo)映射，就可以實現(xiàn)地震樣點幅度與調(diào)色板中顏色的一一對應(yīng)。采用這種方式后地震剖 面顯示的對比度可以得到增強(qiáng)，同時由地震幅度為0值附近三角形單元頂點之間的區(qū)域， 顏色得到了正確的插值，與地震幅度一一對應(yīng)； 步驟4 :傾斜方式紋理創(chuàng)建，創(chuàng)建一個同時用作渲染目標(biāo)和著色器資源的紋理，每一個 紋理元素都含有R、G、B、A四個分量共128位，用于存儲地震樣點的數(shù)值化的傾斜方式，將 地震樣點的傾斜方式存儲在紋理元素的R分量中，在創(chuàng)建地震數(shù)據(jù)網(wǎng)格時利用地震樣點的 傾斜方式來定義頂點索引。此紋理同時用作渲染目標(biāo)和著色器資源，在將GPU中計算得到 的地震樣點數(shù)值化的傾斜方式渲染到此紋理的時候，此紋理作為渲染目標(biāo)；在根據(jù)地震樣 點數(shù)值化的傾斜方式來定義地震數(shù)據(jù)網(wǎng)格頂點的索引時，此紋理作為著色器資源，對存儲 在紋理元素中的數(shù)值化的地震樣點傾斜方式進(jìn)行讀取。之所以要考慮地震樣點的傾斜方 式，是因為對于相鄰兩個地震道上同樣的四個地震樣點，采用不同的鑲嵌方式時會產(chǎn)生不 同"脊"或"槽"的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明通過求相關(guān)系數(shù)的方式來查找與以四邊形的控制點（四邊 形左上角的地震樣點）為中心的地震樣點序列相關(guān)度最大的下一地震道上的相同長度序 列的中心點，以此來決定四邊形（由四個地震樣點鑲嵌生成）究竟應(yīng)該采取哪一種鑲嵌方 式，本發(fā)明在像素著色器中通過下式來計算以當(dāng)前樣點為中心的樣點序列與相鄰的下一地 震道上的若干樣點間隔的同樣長度的地震樣點序列的互相關(guān)函數(shù)值和相關(guān)系