使用 WPF HelixToolkit类库实现多个 SEG-Y 数据文件的三维地震模型渲染

一、背景

在地震勘探和数据可视化中，三维地震数据的渲染对于理解地下结构至关重要。随着地震数据量的增加，如何高效地渲染多个 SEG-Y 文件，并通过三维模型展现其振幅信息，成为一个值得研究的课题。本文将展示如何利用 WPF 和 HelixToolkit 工具包，加载和渲染多个 SEG-Y 文件，生成三维地震数据模型。

二、实现逻辑

SEG-Y 是一种广泛使用的地震数据存储格式，通常包含大量的道数据（Trace Data）。每个道数据点包含了不同深度层的振幅值，这些数据可以用来表示地下岩层或其他地质特征。通过 WPF 中的 HelixToolkit，我们可以轻松地将这些振幅数据转化为三维模型，并进行可视化展示。

本文通过以下步骤实现了 SEG-Y 文件的加载、数据解析、三维可视化和颜色映射等功能：

读取 SEG-Y 文件：加载 SEG-Y 文件并提取数据头信息和振幅数据。
振幅数据的分组与映射：将振幅数据按一定范围分组，应用颜色渐变来表示不同振幅值。
构建三维模型：根据振幅值生成三维网格，通过 WPF 渲染出来。
优化性能：使用并行处理和图形缓存提高性能，确保即使在处理大量数据时也能保持流。

三、代码实现

1.加载 SEG-Y 数据

首先，我们定义了一个 LoadAndRenderMultipleSegyFiles 方法，用于加载多个 SEG-Y 文件。每个 SEG-Y 文件包含多个道（trace）数据，方法通过并行计算和三角形网格生成三维模型。

public static void LoadAndRenderMultipleSegyFiles(HelixViewport3D viewport3D)
{
    string[] segyFiles = new string[]
    {
        "D:\\XLine598.segy",
        "D:\\Inline790.segy",
        "D:\\Xlin222.segy",
        "D:\\RandomLine.segy"
    };
    // 清空视口中现有的所有内容，以准备加载新的数据
    viewport3D.Children.Clear();

    // 调用 ElevationRange 方法，计算 SEG-Y 文件中振幅的全局范围（最小值和最大值）
    double globalScalarMin = double.MaxValue;
    double globalScalarMax = double.MinValue;
    ElevationRange(segyFiles, ref globalScalarMin, ref globalScalarMax);

    // 创建一个 Model3DGroup 对象，用于存放渲染的模型
    var modelGroup = new Model3DGroup();
    var image = LoadColorRampImage();
    if (image == null) return; // 如果图像为空，则退出方法

    // 预计算振幅分组，将振幅范围划分为 10000 个组
    int groupCount = 10000;
    double amplitudeRange = globalScalarMax - globalScalarMin;
    double groupSize = amplitudeRange / groupCount;

    // 遍历每个 SEG-Y 文件，加载数据并进行可视化
    foreach (string file in segyFiles)
    {
        var fileModelGroup = new Model3DGroup();
        // 读取 SEG-Y 文件的头信息及振幅数据
        string textHdr;
        SegyReelHeader segyReelHeader;
        SegyTraceHeader[] segyTraceHeaders;
        var trcData = ReadSegy(file, out textHdr, out segyReelHeader, out segyTraceHeaders);

        int numTraces = trcData.GetLength(1);
        int numSamples = trcData.GetLength(0);
        var sampleInterval = segyTraceHeaders[0].SmplIntvl;
        // 创建一个字典用于存储振幅组的点数据
        var points = new List<(Point3D[] points, int groupIndex)>();
    
        //TODO 使用并行处理 遍历地震到所在空间坐标以及振幅对应色卡值
      }

    // 设置视口相机
    viewport3D.Camera.Position = new Point3D(1000, 1000, 1000);
    viewport3D.Camera.LookDirection = new Vector3D(-1, -1, -1);
    viewport3D.Camera.UpDirection = new Vector3D(0, 0, 1);
    viewport3D.ZoomExtents();
}

2. 颜色映射与渐变

在地震数据中，振幅值的不同可以表示不同的地下物质特征，因此我们需要为每个振幅值分配一个颜色。我们通过加载一个颜色渐变图像，并将振幅值映射到相应的颜色。

/// <summary>
/// 根据振幅值获取颜色
/// </summary>
/// <param name="amplitude">振幅</param>
/// <param name="minAmplitude"></param>
/// <param name="maxAmplitude"></param>
/// <returns></returns>
private static SolidColorBrush GetColorForAmplitude(double amplitude, double minAmplitude, double maxAmplitude, System.Drawing.Image image)
{
    // 归一化振幅值
    double normalizedValue = (amplitude - minAmplitude) / (maxAmplitude - minAmplitude);
    // 计算色卡的像素索引
    int colorIndex = image.Height - 1 - (int)(normalizedValue * (image.Height - 1));
    colorIndex = Clamp(colorIndex, 0, image.Height - 1); // 防止越界
                                                         // 使用缓存来避免重复创建颜色对象
    if (ColorCache.TryGetValue(colorIndex, out var brush))
    {
        return brush;
    }
    // 从图像中读取像素颜色
    var color = GetColorFromImage(image, colorIndex);
    brush = new SolidColorBrush(color);
    brush.Freeze(); // 冻结画刷以提高性能
    ColorCache[colorIndex] = brush;
    return brush;
}

/// <summary>
/// 从图像中获取指定索引的颜色
/// </summary>
/// <param name="image">图像对象</param>
/// <param name="index">要获取颜色的索引</param>
/// <returns>颜色对象</returns>
private static System.Windows.Media.Color GetColorFromImage(System.Drawing.Image image, int index)
{
    // 将 System.Drawing.Image 转换为 Bitmap (如果图像是其他类型)
    var bitmap = new System.Drawing.Bitmap(image);
    // 获取指定像素的颜色
    System.Drawing.Color pixelColor = bitmap.GetPixel(0, index); // 假设读取图像的第一列
    // 将 System.Drawing.Color 转换为 WPF 的 Color 类型
    return System.Windows.Media.Color.FromArgb(
        pixelColor.A, // Alpha
        pixelColor.R, // Red
        pixelColor.G, // Green
        pixelColor.B  // Blue
    );
}
public static int Clamp(int value, int min, int max)
{
    if (value < min) return min;
    if (value > max) return max;
    return value;
}