可視化技術(shù)的發(fā)展及應用

摘要 可視化技術(shù)是圖形生成和圖像理解相結(jié)合的一種新技術(shù)。主要介紹可視化技術(shù)的發(fā)展及其應用，闡述可視化技術(shù)的內(nèi)涵及應用研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞 可視化技術(shù)；建模；繪制；應用

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2008）24-0134-02

當今社會正處在一個信息爆炸的時代，人們常常在茫茫的數(shù)據(jù)海洋面前顯得不知所措，一時難以抓住隱藏在數(shù)據(jù)之中的本質(zhì)、結(jié)構(gòu)和規(guī)律。可視化就是在這種背景下發(fā)展起來的，它把數(shù)據(jù)變換成易于被人接受和理解的形式——圖形。1987年2月美國國家科學基金會的一個研究報告提出科學計算的可視化(visualization in scientific computing)問題。目前，它所提出的思想已成為世界科學界新興學科研究中的熱點。專家預測，可視化技術(shù)的潛力有可能使人類通訊的方式發(fā)生革命性變革，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 可視化技術(shù)的含義

可視化又稱視覺化，它的基本含義是將科學計算中產(chǎn)生的大量非直觀的、抽象的或者不可見的數(shù)據(jù)，借助計算機圖形學和圖像處理等技術(shù)，用幾何圖形和色彩、紋理、透明度、對比度及動畫技術(shù)等手段，以圖形圖像信息的形式，直觀、形象地表達出來，并進行交互處理。這一技術(shù)涉及到圖像處理、計算機輔助設(shè)計和圖形交互技術(shù)等諸多學科領(lǐng)域。

1.1 可視化技術(shù)是一種特殊的計算方法它將科學計算過程中的數(shù)據(jù)及結(jié)果轉(zhuǎn)換為幾何圖形及圖像信息，使之在屏幕上顯示并進行交互處理，極大地加快了信息的處理速度，從而使龐大的數(shù)據(jù)群得到充分利用，豐富了科學發(fā)現(xiàn)的途徑，給予人們意想不到的啟示。

1.2 可視化技術(shù)是圖像理解與圖像合成的綜合它采用視覺方法為科學研究和工程設(shè)計領(lǐng)域提供新的科學靈感，充分發(fā)揮人的右腦識別與構(gòu)造幾何圖像的特殊機能。無論在科學上、工程上，還是在技術(shù)經(jīng)濟上或社會效益上都具有重大意義。

1.3 可視化技術(shù)研究人與計算機在感知、應用、交流視覺信息方面的方式方法它涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、人機界面、信息處理、CAD等相關(guān)領(lǐng)域。

1.4 根據(jù)側(cè)重面的不同，可視化可以分成三個分支科學可視化（Scientific Visualization）、數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）和信息可視化（Information Visualization）。科學可視化側(cè)重科學和工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)的可視化問題；數(shù)據(jù)可視化比科學可視化具有更廣泛的內(nèi)涵，它不僅包含工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)的可視化，還包含其它領(lǐng)域（如經(jīng)濟、商業(yè)、金融等）中數(shù)據(jù)的可視化。而信息可視化一般是指Internet 網(wǎng)上超文本、目錄、文件等抽象信息的可視化。

2 可視化的技術(shù)方法

2.1 可視化的建模方法為了概括可視化過程，對其核心部分進行抽象，給出準確、完整、合理的可視化理論模型，通常用可視化流水線（Visualization Pipeline）方法作為其理論模型。它既符合人的思維過程，又適宜分布操作和并行處理。隨著應用的發(fā)展，需要對可視化模型進行細化，建立獨立于應用的抽象模型，如數(shù)據(jù)模型、時間模型等。

2.2 可視化的造型方法可視化系統(tǒng)有的是采用傳統(tǒng)的曲面造型方法，然后進行明暗處理；有的是將獲取的三維圖像數(shù)據(jù)，直接采用體元繪制方法加以顯示。而對于基于體元（Voxel）的造型方法的研究甚少。體元造型（volue Modeling）方法是一種以體元為單位，表示三維物體、場景及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的造型方法，如多分辨率造型方法等。

2.3 可視化的繪制方法可視化繪制（Render）方法就是把隱藏于大容量計算數(shù)據(jù)集中的物理信息轉(zhuǎn)化為有組織結(jié)構(gòu)表示的視覺信號集合，如空間幾何形狀、色彩、亮度等。目前常用的可視化繪制方法有：幾何法、色彩法和光學法。幾何法是通過空間幾何形狀來反映計算數(shù)據(jù)場。色彩法是用不同色彩或灰度填充一定的區(qū)域來描述計算數(shù)據(jù)集，使人們通過視覺上的色彩變化感覺到數(shù)值的變化。光學法是將計算數(shù)據(jù)集映射到一個具有透明性、散射性或自發(fā)光性的微粒子系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)在一定的光照環(huán)境下，呈現(xiàn)各種不同的亮斑、色彩等特性。

2.4 可視化的人機交互可視化軟件系統(tǒng)除了各功能模塊之外，還必須有人機交互界面。人機交互界面是用戶和功能模塊溝通的媒介，它不僅方便了用戶操作，而且是一個軟件系統(tǒng)先進程度的標志之一。可視化的人機交互界面應提供以下功能：

1）使表示信息的方法能同人的認識與感覺能力相適配，也就是說不僅表示的信息量要大并且要直觀；

2）能提高繪制圖像的速度，并使用戶及時跟蹤以便調(diào)整參數(shù)，駕馭可視化進程；

3）能給用戶提供進行可視化設(shè)計和開發(fā)的軟件環(huán)境。為了使人機交互界面能提供以上功能，可視化軟件應具備多窗口管理、菜單管理、對話框輸入、反饋信息輸出、輸入/輸出設(shè)備管理和系統(tǒng)事件管理等。

3 可視化技術(shù)的應用

可視化是理解復雜現(xiàn)象和大規(guī)模數(shù)據(jù)的重要工具，在自然科學領(lǐng)域得到了廣泛應用。自1987年可視化概念提出以來，引起了國際上的高度重視，發(fā)達國家競相研究可視化理論、方法，開發(fā)可視化工具與環(huán)境，并將可視化研究成果廣泛應用于石油勘探、氣象預報、航天航空、核武器研制、醫(yī)學圖像處理等科學與工程領(lǐng)域。隨著圖形、圖像及網(wǎng)絡傳輸設(shè)備性能的日益提高，可視化已成為計算機科學研究領(lǐng)域中不可缺少的組成部分。“一圖值千言”是可視化應用的現(xiàn)實寫照。

3.1 科學計算可視化科學計算可視化是運用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將科學計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。實際上，隨著技術(shù)的發(fā)展，科學計算可視化的含義已經(jīng)大大擴展，它不僅包括科學計算數(shù)據(jù)的可視化，而且包括工程計算數(shù)據(jù)的可視化，同時也包括測量數(shù)據(jù)的可視化。

科學計算可視化將圖形生成技術(shù)、圖像處理技術(shù)和人機交互技術(shù)結(jié)合在一起，其主要功能是從復雜的多維數(shù)據(jù)中產(chǎn)生圖形，也可以分析和理解存入計算機的圖像數(shù)據(jù)。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設(shè)計、計算機視覺及人機交互技術(shù)等多個領(lǐng)域。

3.2 數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)可視化的應用十分廣泛，幾乎可以應用于自然科學、工程技術(shù)、金融、通信和商業(yè)等各種領(lǐng)域。實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化具有多方面的重要意義，它可以大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使目前每日、每時都在產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)得到有效利用；可以在人與數(shù)據(jù)、人與人之間實現(xiàn)圖像通信，而不局限于目前的文字通信或數(shù)字通信，從而使人們能夠觀察到在傳統(tǒng)的科學計算所發(fā)生的現(xiàn)象，成為發(fā)現(xiàn)和理解科學計算過程中各種現(xiàn)象的有力工具。

例如，醫(yī)學數(shù)據(jù)的可視化，可以進一步實現(xiàn)放射治療、矯形手術(shù)等計算機模擬及手術(shù)規(guī)劃。利用可視化技術(shù)可以在屏幕上監(jiān)視手術(shù)進行的情況，從而大大提高手術(shù)的成功率。在勘探方面，利用可視化技術(shù)可以從大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)或測井數(shù)據(jù)中，構(gòu)造出感興趣的等值面、等值線，并顯示其范圍及走向，用不同顏色顯示出多種參數(shù)及其相互關(guān)系，從而使專業(yè)人員能對原始數(shù)據(jù)做出正確解釋，得到礦藏是否存在、礦藏位置及儲量大小等重要信息。在氣象預報中，可視化技術(shù)可將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出某一時刻的等壓面、等溫面、旋渦、云層的位置及運動、暴雨區(qū)的位置及其強度、風力的大小及方向等，使預報人員能對未來的天氣做出準確的分析和預測。可視化技術(shù)還有助于計算機輔助工程過程一體化和流水線化，并能使工程的領(lǐng)導和技術(shù)人員看到和了解過程中參數(shù)變化對整體的動態(tài)影響，從而達到縮短研制周期、節(jié)省工程費用的目的。

3.3 信息可視化一般說來，科學計算可視化是指空間數(shù)據(jù)場的可視化，而信息可視化則是指非空間數(shù)據(jù)的可視化。隨著社會信息化的推進和網(wǎng)絡應用的日益廣泛，信息源越來越龐大。在激增的數(shù)據(jù)背后，隱藏著許多重要的信息，人們希望能夠?qū)ζ溥M行更高層次的分析，以便更好地利用這些數(shù)據(jù)。

利用信息可視化技術(shù)可以將滑雪運動員在任意時刻的運動路線顯示在一張地圖上，以供救援人員或者管理人員隨時掌握情況。可以應用于海洋的深度測試和特征分析。將專業(yè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與GPS相連接，通過信息可視化技術(shù)實現(xiàn)軍事信息的實時顯示。一些高水平反犯罪機構(gòu)目前正在使用信息可視化技術(shù)實現(xiàn)犯罪模式的跟蹤，對國際和國內(nèi)的重大犯罪事件進行模擬等等。

信息可視化技術(shù)在日常生活中也起到非常重要的作用。從園藝到水文地理到考古，從耕作到交通運輸?shù)酱笠?guī)模批發(fā)，從颶風到地震到火山爆發(fā)，信息可視化技術(shù)被運用到各行各業(yè)當中。隨著人們新思維的不斷涌現(xiàn)，信息可視化技術(shù)的應用會繼續(xù)延伸到更深、更多的應用領(lǐng)域中。

4 結(jié)束語

可視化技術(shù)，特別是信息可視化，在社會生活的方方面面有著十分廣闊的應用前景。在通信領(lǐng)域，目前正在開發(fā)更為精細和高級的網(wǎng)絡模型，更復雜的發(fā)射和交換設(shè)備，為現(xiàn)行網(wǎng)絡的重構(gòu)提供了更大的自由度和靈活性。針對日益顯著的“數(shù)據(jù)超載”問題，可視化技術(shù)將作為 “科學技術(shù)之眼”“數(shù)據(jù)的形象窗口”，為其提供更為先進的設(shè)計和創(chuàng)造工具。