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可视化技术中国海洋大学计算机系解翠2008-9-5课程介绍－主要内容了解国内外科学计算可视化的研究背景、基本概念和基本算法。主要内容：可视化概述、分类、数据类型和数据操作二维标量场等值线抽取算法；等值面生成和绘制算法；体绘制算法；矢量场可视化；交互技术和可视化工具。掌握可视化基本算法及实现方法，初步具备可视化编程及应用能力。教材和参考书教材：《科学计算可视化-算法与系统》.石教英，蔡文立.科学出版社。1996年9月.参考书：《三维数据场可视化》.唐泽圣.清华大学出版社，1999年.《科学计算可视化导论》，李晓梅，国防科技大学出版社，1996第1版《并行与分布式可视化技术及应用》李晓梅等著，国防工业出版社，2001年04月第1版第一章可视化技术绪论概念意义和作用历史与发展应用学科分类可视化参考模型可视化的实现基础研究内容可视化（Visualization）概念运用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。研究如何把科学数据转换成能帮助科学家或工程技术人员理解的可视信息的计算方法/处理技术从复杂的数据中产生图形图像、分析和理解数据可视化（Visualization）概念涉及领域：将计算机图形学图像处理计算机辅助设计计算机视觉人机交互技术可视化（Visualization）概念科学计算数据的可视化－－VisualizationinScientificComputing-工程数据和测量数据的可视化体视化（VolumVisualization）－空间数据信息可视化（InformationVisualization）－随着网络技术和电子商务的发展，发现大量金融、通信和商业数据中隐含的规律，从而为决策提供依据。这已成为数据可视化技术中新的热点可视化技术的主要特点（1）交互性。用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。（2）多维性。可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。（3）可视性。数据可以用图象、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析。。第一章可视化技术绪论概念意义和作用历史与发展应用学科分类可视化参考模型可视化的实现基础研究内容可视化的意义是“科学技术之眼”，是科学发现和工程设计的工具是科学工作者和工程技术人员洞察数据内含信息、确定内在关系与规律的有效方法，使科学家和工程以直观形象的方式揭示理解抽象科学数据中包含的客观规律，从而摆脱直接面对大量无法理解的抽象数据的被动局面。XX（经度）（经度）X（经度）X（经度）Y(纬度)Y(纬度)117117.5118118.5119119.5120120.5121121.5122122.512336.53737.53838.53939.54040.54130cm可视化的意义大大加快数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到有效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具；可以实现对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响。可提供在计算机辅助下的可视化技术手段，从而为在网络分布环境下的计算机辅助协同设计打下了基础。可视化的作用为各应用领域提供分析工具和手段，为超级计算机产生的巨量数据提供生成和表现方法。科学计算结果的后处理为提高科学计算质量和效率提供强有力支持为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段。将图形和计算紧密结合，强有力的支持了那些把视觉洞察力作为问题求解能力的应用领域增强计算性能，把模拟和设计独立进行处理的方法结合，使得模拟与设计中的三维问题交互求解，用户进入设计方法学的新时代。地形图可视化（自中国图学网地形图可视化（自中国图学网））神州号神州号宇宙飞宇宙飞船周围船周围空气分空气分布密度布密度第一章可视化技术绪论概念意义和作用历史与发展应用学科分类可视化参考模型可视化的实现基础研究内容科学计算可视化的诞生首先是为了高效的处理科学数据和解释科学数据其次是为了解决目前信息交流手段贫乏帮助科学家对计算的中间结果进行解释和对整个计算过程进行实时控制，获取科学计算内在的本质关系、发现非正常现象和错误为了提高工业界的竞争力推动工业发展的原动力是科学的基础研究，促进基础研究发展的重要手段是提供先进的科学计算工具可视化的历史背景发达国家20世纪80年代提出并研究计算机硬件技术发展求解问题规模扩大，复杂度高海量数据集产生海量数据的有效解释和应用1986年ACMSIGGRAPH图形图像处理和工作站讨论会上认识到可视化研究的必要性1987年NFS在华盛顿首次召开“科学计算可视化”专题讨论会1989年Defanti等发表另一篇可视化报告－Visualization－ExpandingScientificandEngineeringResearchOpportunities.可视化的发展状况计算环境发展80年代后期分布存储的大规模并行计算机共享存储对称多处理机和分布共享存储多处理机多处理器和并行处理的工作站和PC机可视化的发展状况显示设备的发展随着虚拟环境技术发展，相关的沉浸式投影显示器迅速发展分布式虚拟环境和可视化应用的沉浸式工作台墙式大屏幕显示器大屏幕和沉浸式的洞穴式（CAVE）显示设备可视化的展望1.分布式科学计算可视化应用分布式计算环境对计算数据进行分布式并行处理，以达到实时显示的目的2.协同式科学计算可视化多媒体支持下的CSCW技术的协同工作方式进行交流和工作3.沉浸式科学计算可视化临场感强、有助于结果分析可视化的展望4.科学可视化技术应用的进展医学流场娱乐工程技术：计算流体力学（CFD）有限元分析其他（飞机、航天）海量科学数据的来源超级计算机卫星（地球资源、军事侦察、气象等数据）宇宙飞船发回的数据天文数据地球物理监测数据医学图象数据其他大型工程数据••返回返回第一章可视化技术绪论概念意义和作用历史与发展应用学科分类可视化参考模型可视化的实现基础研究内容可视化应用（1）医学在医学上由核磁共振、CT扫描等设备产生的人体器官密度场，对于不同的组织，表现出不同的密度值。通过在多个方向多个剖面来表现病变区域，或者重建为具有不同细节程度的三维真实图像，使医生对病灶部位的大小、位置，不仅有定性的认识，而且有定量的认识，尤其是对大脑等复杂区域，数据场可视化所带来的效果尤其明显。图图11美国美国ADAADACC实实验室验室给出给出的多的多种模种模态的态的融合融合图象图象可视化：手术导航快速、高精度医学图快速、高精度医学图像的三维建模技术像的三维建模技术基于分割的多层次、多色绘制基于分割的多层次、多色绘制可变精度可变精度网格表示技术网格表示技术三维曲面重建三维曲面重建组织器官的曲面模型组织器官的曲面模型扫描层间的优化拼接扫描层间的优化拼接体绘制生成的图像体绘制生成的图像（自中国图学网）可视化应用（2）生物、分子学在对蛋白质和DNA分子等复杂结构进行研究时，可以利用电镜、光镜等辅助设备对其剖片进行分析、采样获得剖片信息，利用这些剖片构成的体数据可以对其原形态进行定性和定量分析，因此可视化是研究分子结构必不可少的工具。可视化应用（3）航天工业飞行器高速穿过大气层时周围气流的运动情况和飞行器表面的物理特性的变化，在现有的流场可视化技术下，可以非常直观的展现出来。尤其是对飞行器的不稳定现象、超音速流的研究，这是计算流体力学里的新课题，借助可视化技术，许多意想不到的困难都可以迎刃而解了。。可视化应用（4）工业无损探伤在工业无损探伤中，可以用超声波探测，在不破坏部件的情况下，不仅可以清楚地认识其内部结构，而且对发生变异的区域也可以准确地探出。显然，能够及时检查出有可能发生断裂等具有较大破坏性的隐患是有极大现实意义的.可视化应用（5）人类学和考古学在考古过程中找到古人类化石的若干碎片，由此重构出古人类的骨架结构。传统的方法是按照物理模型，用粘土来拼凑而成。现在，利用基于几何建模的可视化系统，人们可以从化石碎片的数字化数据完整地恢复三维人体结构，因而向研究人员提供了既可以作基于计算机几何模型的定量研究，又可以实施物理上可塑的化石重现过程。可视化应用（6）地质勘探利用模拟人工地震的方法，可以获得地质岩层信息。通过数据特征的抽取和匹配，可以确定地下的矿藏资源。用可视化方法对模拟地震数据的解释，可以大大地提高地质勘探的效率和安全性。可视化应用--油气勘探图图22用用PGSPGSTigreTigressss有有限公限公司软司软件显件显示的示的油藏油藏三维三维图图可视化应用--流场矢量场的可视化（自中国图学网））三维流场中的流线（自中国图学网）气象预报气象预报美国国家海洋和大气局预报的北克拉罗多的天气数据的三维图象美国国家海洋和大气局预报的北克拉罗多的天气数据的三维图象•立体云图（自中国图学网）图图44美国航空航天局阿姆斯研究中心的虚拟风洞美国航空航天局阿姆斯研究中心的虚拟风洞第一章可视化技术绪论概念意义和作用历史与发展应用学科分类可视化参考模型可视化的实现基础研究内容可视化的学科分类交叉学科计算机图形、计算机图象、计算机视觉、应用数学、数值计算、计算机应用（软硬件）。第一章可视化技术绪论概念意义和作用历史与发展应用学科分类可视化参考模型可视化的实现基础研究内容可视化参考模型可视化为科学家提供一种可视的分析手段可视化参考模型为可视化系统开发、应用开发和教育与培训提供一个统一的理论基础可视化参考模型功能：作为系统的概念性框架用来对现有可视化系统进行分类和比较描述可视化系统的主要特点定义一个开放性的可视化系统，便于对系统现有功能的修改和扩充促进科学计算可视化领域的学术思想交流有助于建立和统一可视化领域的术语有助于建立一个开发可视化领域中图形、图像数据交换格式和外部接口等标准的基础可视化参考模型分类：基于可视分析研究模型可视化过程模型基于可视可听扩展模型基于可视分析研究模型可视化参考模型将计算或试验中的数据转换为可视信息的过程可细化为：数据预处理：规范化处理－可用映射：映射到几何数据绘制：几何－图像显示：显示图像滤波模块：完成数据在同一语义层内的变换，映射模块：是不同层间的变换用户与系统的交互操作：配置交互、参数控制交互、数据交互、语义交互XX（经度）（经度）X（经度）X（经度）Y(纬度)Y(纬度)117117.5118118.5119119.5120120.5121121.5122122.512336.53737.53838.53939.54040.54130cm第一章可视化技术绪论概念意义和作用历史与发展学科分类可视化参考模型可视化的实现基础研究内容应用实现可视化的软硬件要求可视化硬件平台应满足如下要求：1）高性能的图形工作站2）高传输率的网络3）大容量的外存储器4）高质量的图形硬拷贝设备实现可视化的软硬件要求可视化软件应满足如下要求:1）具有层次结构，适用于不同数据源、计算机产品和显示设备2）应能够显示数据场中各类物理量的分布情况，包括标量场、矢量场和张量场的显示3)提供二维数据场的体绘制能力，以达到三维数据场的整体显示，并能观察到数据场的内部结构4）提供对三维数据场按任意角度进行切片功能，即将复杂的三维问题简化为一系列二维平面问题来研究，允许裁剪以满足不同应用需求实现可视化的软硬件要求可视化软件应满足如下要求:5）提供友好的用户界面，以达到交互式数据可视化分析的目的6）随着技术和算法的发展和进步，软件系统应能满足方便更新的要求7）在连网的分布式
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