计算机仿真(第8章-科学计算可视化参考模型)

COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY第8章科学计算可视化参考模型•信息处理的不同领域有不同的参考模型。目的是为系统开发、应用开发等建立一个统一的理论基础。•可视化参考模型用以解决如下问题：（1）参考模型作为系统的概念性框架可用来对可视化系统分类、比较。（2）描述可视化系统的主要特点。（3）定义一个开放性的可视化系统，以便于对系统现有功能的修改和扩充。（4）建立和统一可视化领域术语。•VISC是科学研究过程中后置（事后）数据处理部分，目的是为研究人员提供一种可视化的分析手段。本资料由-校园大学生创业网-提供在线代理提供部分资料减肥药排行榜提供部分资料COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY8.1科学计算可视化参考模型•通常，研究一种物理现象时，先建立物理模型（根据物理定律），转换成数学模型（物理定律的数学表达式），提出计算模型送计算机计算（模拟），模拟结果数据经可视化处理转换成可视化图形（图像）。用于分析研究、验证物理模型、总结规律。•物理模型数学模型计算模型模拟结果可视化COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY基于可视分析的研究模型（参考模型）建立用户物理模型分析（用户）可视化过程内在规律模拟（计算或实验）洞察总结验证图形（图像）交互控制计算或实验模型计算或实验数据COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY可视化过程步骤•可视化过程就是将来自模拟阶段的数据转换为图形（图像）可视信息的过程。•可视化过程分为四个步骤：•（1）数据预处理：将模拟（计算或实验）所产生的原始数据作规范化处理，形成可用的应用数据，可处理数值数据、几何数据、图像数据。•数值数据：又称属性数据，表示温度、速度、强度等，分为标量、矢量、张量形式，是最关心的数据。•几何数据：用来表示对象的形状，包括点、线、多边形、面等，是一类独立变量。•图形数据：通常以点阵数据（位图）形式表示。•数据预处理研究内容：数据格式及标准化、数据描述语言与操纵语言、数据变换技术、数据压缩与解压缩技术，四个方面。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY可视化过程步骤•（2）映射：将应用数据映射成几何数据。如点、线段、多边形等。•映射功能实质是构造建模功能，是可视化技术的核心。可视化处理的数据类型随应用领域的不同而不同，从而产生不同分类的可视化技术。•（3）绘制：将几何数据变换成图像数据。成熟的计算机图形学理论与方法提供了丰富的绘制算法，可供可视化技术利用，因此绘制功能不是可视化技术的核心问题（体绘制技术除外）。•（4）显示：显示图象。涉及图形用户界面GUI技术，对应的软件层为设备提供驱动程序。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY可视化系统组成元素分类•可视化系统组成元素分为两大类：•数据交换语义层：定义数据与结构。包含三个层次数据：应用数据、几何数据、图像数据。•数据变换功能模块（数据交换模块类）：进行数据变换。分为两类：滤波模块：完成数据在同一语义层内的变换，例如数据的插值、几何数据的分格等，包括数据滤波、几何滤波、图像滤波。映射模块（广义映射）：完成数据在不同语义层内的变换，例如将温度数据变换成颜色，一般包括：数据预处理、映射、绘制、显示。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY数据交换语义层数据交换模块类交互操作和控制反馈可视化流程模块•数据交换（变换）模块可按输入口与输出口所对应的数据语义层来描述，可采用以下方法描述数据变换模块：•模块类：输入数据输出数据•因此，在可视化流程中，使用的数据变换模块表示为：•数据获取模块：–应用数据：（创建）数据–几何造型：（创建）几何数据–扫描仪：（创建）图像数据•数据预处理模块：规范化处理•滤波模块：–数据滤波：数据数据–几何滤波：几何数据几何数据–图像滤波：图像数据图像数据•映射模块：•映射：数据几何数据•绘制模块：•绘制：几何数据图像数据•显示模块：•显示：图像数据显示空间/视频格式/文件格式数据获取原始数据数据预处理应用数据映射几何数据绘制图像数据显示用户分析数据滤波几何滤波图像滤波COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY数据交换语义层•原始数据：通常为物理属性数据，如标量（温度）、矢量（加速度）、张量（力）等•应用数据：已规范化的原始数据。•几何数据：点、线段、曲面、体等几何元素数据。•图像数据：象素。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY用户与系统的交互操作•用户与系统的交互操作分为四类：•配置交互：可选择数据变换模块，重新配置流程。•控制参数交互：修改模块的控制参数，从而改变如颜色、大小等。•数据交互：改变数据。通过指点图像数据（象素）来选择该象素对应的反向数据，可重新计算或选型。•语义交互：语义交互操作用来选择交互反向模块，如：反向绘制：图像数据几何数据反向映射：几何数据数据COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY8.2科学计算可视化的扩展参考模型•前面已有一个参考模型，但实际的可视化系统往往又不同之处，如，随着原始数据的不同，可能省略“数据预处理”模块，或将部分数据预处理功能与映射功能合并在一起，如果原始数据不仅包括物理属性数据，而且还包括几何数据或扫描仪的图像数据，那么映射功能和绘制功能将合并。•此时的映射与绘制模块可定义为：映射与绘制：数据图像数据几何数据图像数据图像数据图像数据•基于科学计算的数据往往是多维的，可视化将科学计算的多维数据映射到三维空间中的几何、拓扑、色彩和时间，但有时还不够，需要用更复杂的方法表示。于是提出科学计算可视可听化这一概念。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY科学计算可听化含义•科学计算可听化有两种含义：1.利用非语音信号的各种特征量来表示科学数据。2.基于物理模型的真实感声音的仿真（真实感声学仿真技术）。•非语音信号特征量包括：音量、音调、节拍、方向性等。•采用数据编码信号方法，利用非语音信号表示科学数据。•采用两层映射方法将数据映射到声音的特征量。第一层映射为概念映射，第二层映射为感知映射。•可听化的实质是将数据变换为声音，其数据变换模块如下：声音采样：创建数字声音样本。声音映射与再现：数据数字声音样本。声音滤波：数字声音样本数字声音样本。放音：数字声音样本可听信号。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY科学计算可视化与可听化扩展参考模型流程原始数据数据预处理映射与绘制滤波映射应用数据：数据、几何、图像、声音等声音映射与再现滤波识别绘制图像数据几何数据数据（用户反应）显示放音滤波滤波声音样本数据声音数据图像数据数据交换语义层同步数据交换模块类图像几何分析交互操作和控制反馈数据获取COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY8.3科学计算可视化的研究内容•VISC技术能将计算和仿真的结果转变成为可视的信息。用于分析数据。•输入设备：•产生科学数据的输入设备：超级计算机、人造卫星、医学扫描仪、数字照相机、数字摄像机（分辨率的提高使数据激增）•人-机交互输入设备：鼠标器、数字化个人、数据手套。•输出设备：扫描图形显示器、立体显示器、录像机、头盔显示器。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYVISC研究内容可视化工具研究硬件平台研究参考模型研究数据处理模块映射模块绘制模块显示模块数据格式及其标准化数据描述语言及操纵语言数据变换技术数据压缩与解压缩技术数据规范化处理滤波处理平滑处理几何变换线性变换等软件系统研究可视化软件系统结构函数库与标准化人-机交互功能远程可视化支撑软件自然科学领域工程技术领域分子建模、医学图像、脑结构与功能地球科学、空间科学、天体物理计算流体动力学有限元分析，CAD/CAM等VISC研究内容可视化计算机体系结构（集中，分布，后置等）可视化输入/输出设备（包括人-机交互）高速网络应用（远程可视化）（远程协同工作模式）可视化应用研究COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYVISC研究方向•硬件平台研究方向：基于WEB的协同可视化工作环境研究，图像传输高宽带网络和协议研究。•参考模型研究方向：信息场可视化内容和关键技术，图形图像融合技术，图形图像一体化存储结构，基于图像的绘制和建模技术，基于图形图像的拓扑关系，人脑对三维显示的理解。•软件系统研究方向：可视化程序设计环境，体视图像软件平台、数字地球、数字人、基于internet图形图像的安全技术。•VISC进一步发展是远程协同工作模式，通过高速网络实时传输图像，共同探讨问题，远程可视化是重要研究内容之一。•可视化软件采用层次结构较为理想，即整个软件系统由不同层次的功能模块组成（如数据预处理层、映射层、绘制层、显示层等）。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY8.4可视化系统的功能•丰富的模块库：提供丰富的模块选择。•灵活的数据输入/输出：可视化系统的实用性体现在I/O功能与范围，各学科都大量定义了自己的数据格式，因此可视化系统应能方便地加入新I/O格式。•数据误差处理：误差有两方面，一是实验数据误差，二是可视化过程引入的误差，要具有对这些误差进行存储、处理、显示的能力。•多种信息度量表示方法：即具有多种形式的数值标注。（有时需要绘制数据，有时需要显示数据的值，有时两者都需要）•分布式处理能力：分布式系统结构比较适合于科学可视化系统，适合于远程互访和协同工作。•后置处理、跟踪处理和驾驭处理：其中后置处理的集成度最低，驾驭处理最高。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY（1）后置处理•后置处理：把计算与计算结果可视化分为两个阶段，二者之间不能发生交互作用，是普遍采用的一种方法。•后置处理一般采用分布处理方案，即在超级计算机上进行计算，产生的计算结果经过网络传至工作站，可视化服务由工作站承担。•先计算，后显示。•数据生成与可视化过程是分离的，但是可视化系统本身仍是交互式的，该方式有利于按最佳方式布局显示。模拟交互控制数据可视化图像COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY（2）跟踪处理•跟踪处理：在模拟计算或数据收集的过程中，实时地显示数据结果。•边计算、边显示。•用户只能中止计算过程，而不能对模拟参数交互控制（即实时修改）。用户可以监视计算过程，及时发现问题并中止计算过程。模拟交互控制数据可视化图像COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY（3）驾驭处理•驾驭处理：在计算与可视化过程