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摘要：为满足数据显示方式多样化的需要，基于VS2008开发环境和MFC应用程序框架，利用OpenCL丰富的三维图形绘制功能和颜色渲染功能生成漏磁数据的三维视图。实际测试结果表明：三维视图能够精确、直观地反映数据变化的真实性，辨识度高，颜色过渡效果理想，增强可读性和分析效率，对管道缺陷的识别与判断具有重要意义。
关键词：漏磁检测；三维视图；OpenCL；三角形剖分；插值
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0084-04
引 言
随着我国石油天然气事业的发展，油气管道的建设和使用也随之繁荣。运输用管道一般埋在地下或海底，其自身运行的安全性难以保证。因此，对在役油气管道进行无损检测，十分必要。
漏磁检测是管道内检测应用中最广泛的一种无损检测技术。针对检测器采集到的数据，数据分析系统会对缺陷进行分析、识别、量化与评估，并将最终的处理结果以图形化的方式呈现给用户。美国的Tuboscope公司、德国的ROSEN公司最早采用曲线图对漏磁数据进行显示，做出了一定贡献。国内对此方面的研究也卓有成效，天津大学的魏茂安等研究了漏磁灰度图像方法，在此基础上，曹丽娜等又实现了漏磁伪彩色图像显示，进一步增强了图像质量。这些二维平面图虽然可以反映出漏磁信号的变化规律，但呈现方式单一，辨识度不高，容易出现误判，漏判等情况，难以满足用户对数据完整性和准确性的要求。
文章在准确定位管道缺陷与漏磁信号的对应关系下，研究一种精确、直观的漏磁数据三维显示方法，实现数据三维可视化，增强可读性和分析效率。
1.数据格式
采集数据主要包含两部分：磁数据和非磁数据。磁数据是指由磁敏传感器采集到的漏磁信号，也是图像显示的源数据。非磁数据则主要包括一些与管道状态和检测器状态有关的信息，如壁厚、压差、里程数等。以主磁140通道检测器为例，在检测过程中，检测器每走过2.0mm便通过触发脉冲信号使所有主磁传感器采集漏磁信号（每Im采集500次），每采集一次便可得到140个磁数据，称为一个记录块。每收集到50个记录块后便采集一次非磁数据得到1个尾块数据。50个记录块和1个尾块数据形成1个数据块，整个文件中的数据就是以数据块的形式存储的，如图1所示。
2.三维环境搭建
2.1 0penGL简介
开放性图形库（open graphics lihrary，OpenGL）是一个性能卓越的三维图形标准，是图形硬件的一种软件接口。它易于使用且功能强大，在Windows系统下可实现建模、变换、模式设置、材质设置、纹理映射等诸多功能。处理数据流程如图2所示。
2.2 三维变换
在屏幕上搭建三维场景时，视觉效果通常受4种基本变换的影响，即视点变换、模型变换、投影变换和视口变换。
视点变换在视点坐标系中进行，与世界坐标系遵循右手法则不同，它遵循左手法则，如图3所示。
当矩阵初始化glLoadldentity（）后，可将glTrans-latef（）作视点变换。函数参数（x，y，z）表示视点在视点坐标系中移动的位置，这里x=-25.0，y=0.0，z=0.0，意思是将视点沿X负半轴移动25个单位。
模型变换在世界坐标系中进行，可对物体实施平移glTranslatef（）、旋转glRotatef（）和缩放glScalef（）等操作。
投影变换类似于选择相机镜头。调用透视投影函数glFrustum（），近大远小，符合人们习惯，如图4所示。在调用之前使用glMatrixMode（）说明当前矩阵方式是投影GL_PROJECTION。
视口变换则是将视景体内投影的物体显示在二维的视口平面上。通常用glViewport（）来定义一个视口。参数值（0，0，winWidth.winHeight）指的是屏幕窗口的实际尺寸大小。
综上所述，三维图形转换的流程如图5所示。
2.3 坐标映射
在确定X坐标时，由于每次都是等间隔采集，因此只需获得当前绘制数据的记录号、屏幕最前方数据的记录号以及确定每个记录之间的间隔，即可算出该数据的横坐标：
x=（N-No）n
（l）式中：X——当前绘制数据的横坐标；
N——当前绘制数据的记录号；
No——屏幕最前方数据的记录号；
n——记录之间的间隔。
在确定y坐标时，考虑到传感器阵列沿周向均匀分布，将其映射为钟点数。因此只需获得0号通道钟点数，传感器排列方式和通道总数即可算出第n号通道所占分钟数，以逆时针排列为例：式中：To——0号通道所占分钟数；
n——所求通道的通道号；
M——主磁传感器的通道总数。
若Tn<0，则使，最后将所占分钟数转化为具体钟点数即可。
在确定Z坐标时，为防止图像显示不完整，我们采用动态绘图法，即根据当前可显示数据的最小值作为基准参考，对实际数据进行一定的处理再绘制。计算公式可表示为
Z=（a-anin）·p/q
（3）式中：a——当前绘制数据值；
amin——当前可显示数据最小值；
q——当前可显示数据最大值与最小值的差值；
p——沿Z轴方向的最大绘图高度。
3.三维曲面生成
OpenGL常用三角形作为基本图元生成三维图形和曲面，以保证各个点在同一平面内，曲面生成即遍历各数据点。采用三角形剖分算法，在外层的迭代中遍历所有行，内层的迭代中遍历所有列，列上数据点的遍历顺序需要满足以下条件：
1）数据点按每3个l组的方式进行拆分。 2）每组3个点遵循同一排列次序（顺时针）。
3）相邻的2组之间存在2个交集点。
OpenGL提供了多种三角形图元的绘制方法，其中GL_TRIANGLE_STRIP用于绘制一组相连的三角形。这种方法避免指定相互连接的三角形条带中重复出现的顶点。曲面生成过程见图6。
4.优化处理
4.1 数据插值
根据漏磁数据特点，我们选择分段线性捅值【9]。在相邻两数值区间[a，b]中插入（n，-l）个数值，将该区间划分为n段，各段点为xo=a，XI，x2…xn=b，在各个区间内做函数f（x）的线性捅值，设捅值函数为g（x）=gi（x），则：
将各个区间的捅值函数gi（x）连接起来，就可以得到了区间[a，6]的插值函数g（x），再根据线性插值的误差公式进行收敛性判断，从而完成插值操作以构造出更多的图像数据，将原有的低分辨率的数据扩充为高分辨率的数据进行显示，改善图像质量。
4.2 颜色渲染
Z轴反映了数据值大小，还可加入颜色的变化。在OpenGL中可以指定顶点坐标的同时指定顶点颜色，若使用缺省设置，则会自动生成2个顶点颜色之间的过渡色。采用的是彩虹编码法，R、G、B3种变换器的变换函数表达式为
5.软件系统实现
本数据分析软件系统以Visual Sludi0 2008作为开发环境，使用MFC应用程序框架对系统进行开发。在该系统中使用OpenGL类库进行了三维视图设计。
5.1 测试结果
选取2GB容量的胜利油田某段在役管道检测数据进行三维显示，效果理想。由图7可见，存在两处磁场强度异常的区域，红色区域突出，数据值较高，蓝色区域凹陷，数据值较小，绿色区域平缓，数据值稳定。对其分析可知两处均为腐蚀缺陷。X轴里程范围为2731.26～2733.96m，y轴钟点范围为1：16～5：31，Z轴最大值为173.6Gs（1 Gs=10-4T），最小值为91.2Gs，平均值为106.6Gs。
5.2 辅助操作
三维视图可实现图像拖动、数据跳转和视图缩放。缩放效果如图8所示，其中（a）为原缺陷图，（b）为放大后的缺陷图。
此外，本软件系统还实现了三维视图与其他视图的自由切换，并且支持同时打开多个窗口，系统内部通过全局映射机制以保证多种视图的同步显示与更新，保证了分析人员能够全面综合进行比对分析，快速定位管道缺陷，评价管道使用状况，给出维护建议。
6.结束语
根据管道漏磁缺陷内检测器提供的漏磁检测数据，基于Visual Studi0 2008开发环境和MFC应用程序框架，利用OpenGL丰富的三维图形绘制功能和颜色渲染功能生成数据三维视图，经过测试，不同磁场强度对应不同颜色，从而精确、直观地显示出漏磁数据的分布特点。此外，图像拖动、数据跳转、缩放等人机交互操作的实现，强化了数据分析功能，帮助用户在最短时间内了解了检测数据的完整性和准确性，也有助于对缺陷进行识别和量化，大大提高了工作效率和工作质量。
关键词：漏磁检测；三维视图；OpenCL；三角形剖分；插值
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0084-04
引 言
随着我国石油天然气事业的发展，油气管道的建设和使用也随之繁荣。运输用管道一般埋在地下或海底，其自身运行的安全性难以保证。因此，对在役油气管道进行无损检测，十分必要。
漏磁检测是管道内检测应用中最广泛的一种无损检测技术。针对检测器采集到的数据，数据分析系统会对缺陷进行分析、识别、量化与评估，并将最终的处理结果以图形化的方式呈现给用户。美国的Tuboscope公司、德国的ROSEN公司最早采用曲线图对漏磁数据进行显示，做出了一定贡献。国内对此方面的研究也卓有成效，天津大学的魏茂安等研究了漏磁灰度图像方法，在此基础上，曹丽娜等又实现了漏磁伪彩色图像显示，进一步增强了图像质量。这些二维平面图虽然可以反映出漏磁信号的变化规律，但呈现方式单一，辨识度不高，容易出现误判，漏判等情况，难以满足用户对数据完整性和准确性的要求。
文章在准确定位管道缺陷与漏磁信号的对应关系下，研究一种精确、直观的漏磁数据三维显示方法，实现数据三维可视化，增强可读性和分析效率。
1.数据格式
采集数据主要包含两部分：磁数据和非磁数据。磁数据是指由磁敏传感器采集到的漏磁信号，也是图像显示的源数据。非磁数据则主要包括一些与管道状态和检测器状态有关的信息，如壁厚、压差、里程数等。以主磁140通道检测器为例，在检测过程中，检测器每走过2.0mm便通过触发脉冲信号使所有主磁传感器采集漏磁信号（每Im采集500次），每采集一次便可得到140个磁数据，称为一个记录块。每收集到50个记录块后便采集一次非磁数据得到1个尾块数据。50个记录块和1个尾块数据形成1个数据块，整个文件中的数据就是以数据块的形式存储的，如图1所示。
2.三维环境搭建
2.1 0penGL简介
开放性图形库（open graphics lihrary，OpenGL）是一个性能卓越的三维图形标准，是图形硬件的一种软件接口。它易于使用且功能强大，在Windows系统下可实现建模、变换、模式设置、材质设置、纹理映射等诸多功能。处理数据流程如图2所示。
2.2 三维变换
在屏幕上搭建三维场景时，视觉效果通常受4种基本变换的影响，即视点变换、模型变换、投影变换和视口变换。
视点变换在视点坐标系中进行，与世界坐标系遵循右手法则不同，它遵循左手法则，如图3所示。
当矩阵初始化glLoadldentity（）后，可将glTrans-latef（）作视点变换。函数参数（x，y，z）表示视点在视点坐标系中移动的位置，这里x=-25.0，y=0.0，z=0.0，意思是将视点沿X负半轴移动25个单位。
模型变换在世界坐标系中进行，可对物体实施平移glTranslatef（）、旋转glRotatef（）和缩放glScalef（）等操作。
投影变换类似于选择相机镜头。调用透视投影函数glFrustum（），近大远小，符合人们习惯，如图4所示。在调用之前使用glMatrixMode（）说明当前矩阵方式是投影GL_PROJECTION。
视口变换则是将视景体内投影的物体显示在二维的视口平面上。通常用glViewport（）来定义一个视口。参数值（0，0，winWidth.winHeight）指的是屏幕窗口的实际尺寸大小。
综上所述，三维图形转换的流程如图5所示。
2.3 坐标映射
在确定X坐标时，由于每次都是等间隔采集，因此只需获得当前绘制数据的记录号、屏幕最前方数据的记录号以及确定每个记录之间的间隔，即可算出该数据的横坐标：
x=（N-No）n
（l）式中：X——当前绘制数据的横坐标；
N——当前绘制数据的记录号；
No——屏幕最前方数据的记录号；
n——记录之间的间隔。
在确定y坐标时，考虑到传感器阵列沿周向均匀分布，将其映射为钟点数。因此只需获得0号通道钟点数，传感器排列方式和通道总数即可算出第n号通道所占分钟数，以逆时针排列为例：式中：To——0号通道所占分钟数；
n——所求通道的通道号；
M——主磁传感器的通道总数。
若Tn<0，则使，最后将所占分钟数转化为具体钟点数即可。
在确定Z坐标时，为防止图像显示不完整，我们采用动态绘图法，即根据当前可显示数据的最小值作为基准参考，对实际数据进行一定的处理再绘制。计算公式可表示为
Z=（a-anin）·p/q
（3）式中：a——当前绘制数据值；
amin——当前可显示数据最小值；
q——当前可显示数据最大值与最小值的差值；
p——沿Z轴方向的最大绘图高度。
3.三维曲面生成
OpenGL常用三角形作为基本图元生成三维图形和曲面，以保证各个点在同一平面内，曲面生成即遍历各数据点。采用三角形剖分算法，在外层的迭代中遍历所有行，内层的迭代中遍历所有列，列上数据点的遍历顺序需要满足以下条件：
1）数据点按每3个l组的方式进行拆分。 2）每组3个点遵循同一排列次序（顺时针）。
3）相邻的2组之间存在2个交集点。
OpenGL提供了多种三角形图元的绘制方法，其中GL_TRIANGLE_STRIP用于绘制一组相连的三角形。这种方法避免指定相互连接的三角形条带中重复出现的顶点。曲面生成过程见图6。
4.优化处理
4.1 数据插值
根据漏磁数据特点，我们选择分段线性捅值【9]。在相邻两数值区间[a，b]中插入（n，-l）个数值，将该区间划分为n段，各段点为xo=a，XI，x2…xn=b，在各个区间内做函数f（x）的线性捅值，设捅值函数为g（x）=gi（x），则：
将各个区间的捅值函数gi（x）连接起来，就可以得到了区间[a，6]的插值函数g（x），再根据线性插值的误差公式进行收敛性判断，从而完成插值操作以构造出更多的图像数据，将原有的低分辨率的数据扩充为高分辨率的数据进行显示，改善图像质量。
4.2 颜色渲染
Z轴反映了数据值大小，还可加入颜色的变化。在OpenGL中可以指定顶点坐标的同时指定顶点颜色，若使用缺省设置，则会自动生成2个顶点颜色之间的过渡色。采用的是彩虹编码法，R、G、B3种变换器的变换函数表达式为
5.软件系统实现
本数据分析软件系统以Visual Sludi0 2008作为开发环境，使用MFC应用程序框架对系统进行开发。在该系统中使用OpenGL类库进行了三维视图设计。
5.1 测试结果
选取2GB容量的胜利油田某段在役管道检测数据进行三维显示，效果理想。由图7可见，存在两处磁场强度异常的区域，红色区域突出，数据值较高，蓝色区域凹陷，数据值较小，绿色区域平缓，数据值稳定。对其分析可知两处均为腐蚀缺陷。X轴里程范围为2731.26～2733.96m，y轴钟点范围为1：16～5：31，Z轴最大值为173.6Gs（1 Gs=10-4T），最小值为91.2Gs，平均值为106.6Gs。
5.2 辅助操作
三维视图可实现图像拖动、数据跳转和视图缩放。缩放效果如图8所示，其中（a）为原缺陷图，（b）为放大后的缺陷图。
此外，本软件系统还实现了三维视图与其他视图的自由切换，并且支持同时打开多个窗口，系统内部通过全局映射机制以保证多种视图的同步显示与更新，保证了分析人员能够全面综合进行比对分析，快速定位管道缺陷，评价管道使用状况，给出维护建议。
6.结束语
根据管道漏磁缺陷内检测器提供的漏磁检测数据，基于Visual Studi0 2008开发环境和MFC应用程序框架，利用OpenGL丰富的三维图形绘制功能和颜色渲染功能生成数据三维视图，经过测试，不同磁场强度对应不同颜色，从而精确、直观地显示出漏磁数据的分布特点。此外，图像拖动、数据跳转、缩放等人机交互操作的实现，强化了数据分析功能，帮助用户在最短时间内了解了检测数据的完整性和准确性，也有助于对缺陷进行识别和量化，大大提高了工作效率和工作质量。