可视化技术的发展及应用-可视化技术

可视化技术的发展及应用

作者：许莉

来源：《中国教育技术装备》2008年第24期

摘要可视化技术是图形生成和图像理解相结合的一种新技术。主要介绍可视化技术的发展及其应用，阐述可视化技术的内涵及应用研究中的关键技术问题。

关键词可视化技术；建模；绘制；应用

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2008）24-0134-02

当今社会正处在一个信息爆炸的时代，人们常常在茫茫的数据海洋面前显得不知所措，一时难以抓住隐藏在数据之中的本质、结构和规律。可视化就是在这种背景下发展起来的，它把数据变换成易于被人接受和理解的形式——图形。1987年2月美国国家科学基金会的一个研究报告提出科学计算的可视化(visualization in scientific computing)问题。目前，它所提出的思想已成为世界科学界新兴学科研究中的热点。专家预测，可视化技术的潜力有可能使人类通讯的方式发生革命性变革，具有重大的经济效益和社会效益。

1 可视化技术的含义

可视化又称视觉化，它的基本含义是将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和图像处理等技术，用几何图形和色彩、纹理、透明度、对比度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式，直观、形象地表达出来，并进行交互处理。这一技术涉及到图像处理、计算机辅助设计和图形交互技术等诸多学科领域。

1.1 可视化技术是一种特殊的计算方法它将科学计算过程中的数据及结果转换为几何图形及图像信息，使之在屏幕上显示并进行交互处理，极大地加快了信息的处理速度，从而使庞大的数据群得到充分利用，丰富了科学发现的途径，给予人们意想不到的启示。

1.2 可视化技术是图像理解与图像合成的综合它采用视觉方法为科学研究和工程设计领域提供新的科学灵感，充分发挥人的右脑识别与构造几何图像的特殊机能。无论在科学上、工程上，还是在技术经济上或社会效益上都具有重大意义。

1.3 可视化技术研究人与计算机在感知、应用、交流视觉信息方面的方式方法它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、人机界面、信息处理、CAD等相关领域。

1.4 根据侧重面的不同，可视化可以分成三个分支科学可视化（Scientific Visualization）、数据可视化（Data Visualization）和信息可视化（Information Visualization）。科学可视化侧重科学和工程领域数据的可视化问题；数据可视化比科学可视化具有更广泛的内涵，它不仅包含工程领域数据的可视化，还包含其它领域（如经济、商业、金融等）中数据的可视化。而信息可视化一般是指Internet 网上超文本、目录、文件等抽象信息的可视化。

2 可视化的技术方法

2.1 可视化的建模方法为了概括可视化过程，对其核心部分进行抽象，给出准确、完整、合理的可视化理论模型，通常用可视化流水线（Visualization Pipeline）方法作为其理论模型。它既符合人的思维过程，又适宜分布操作和并行处理。随着应用的发展，需要对可视化模型进行细化，建立独立于应用的抽象模型，如数据模型、时间模型等。

2.2 可视化的造型方法可视化系统有的是采用传统的曲面造型方法，然后进行明暗处理；有的是将获取的三维图像数据，直接采用体元绘制方法加以显示。而对于基于体元（Voxel）的造型方法的研究甚少。体元造型（volue Modeling）方法是一种以体元为单位，表示三维物体、场景及其内部结构的造型方法，如多分辨率造型方法等。

2.3 可视化的绘制方法可视化绘制（Render）方法就是把隐藏于大容量计算数据集中的物理信息转化为有组织结构表示的视觉信号集合，如空间几何形状、色彩、亮度等。目前常用的可视化绘制方法有：几何法、色彩法和光学法。几何法是通过空间几何形状来反映计算数据场。色彩法是用不同色彩或灰度填充一定的区域来描述计算数据集，使人们通过视觉上的色彩变化感觉到数值的变化。光学法是将计算数据集映射到一个具有透明性、散射性或自发光性的微粒子系统，通过该系统在一定的光照环境下，呈现各种不同的亮斑、色彩等特性。

2.4 可视化的人机交互可视化软件系统除了各功能模块之外，还必须有人机交互界面。人机交互界面是用户和功能模块沟通的媒介，它不仅方便了用户操作，而且是一个软件系统先进程度的标志之一。可视化的人机交互界面应提供以下功能：

1）使表示信息的方法能同人的认识与感觉能力相适配，也就是说不仅表示的信息量要大并且要直观；

2）能提高绘制图像的速度，并使用户及时跟踪以便调整参数，驾驭可视化进程；

3）能给用户提供进行可视化设计和开发的软件环境。为了使人机交互界面能提供以上功能，可视化软件应具备多窗口管理、菜单管理、对话框输入、反馈信息输出、输入/输出设备管理和系统事件管理等。

3 可视化技术的应用

可视化是理解复杂现象和大规模数据的重要工具，在自然科学领域得到了广泛应用。自1987年可视化概念提出以来，引起了国际上的高度重视，发达国家竞相研究可视化理论、方法，开发可视化工具与环境，并将可视化研究成果广泛应用于石油勘探、气象预报、航天航空、核武器研制、医学图像处理等科学与工程领域。随着图形、图像及网络传输设备性能的日益提高，可视化已成为计算机科学研究领域中不可缺少的组成部分。“一图值千言”是可视化应用的现实写照。

3.1 科学计算可视化科学计算可视化是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果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。实际上，随着技术的发展，科学计算可视化的含义已经大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，同时也包括测量数据的可视化。

科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术结合在一起，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解存入计算机的图像数据。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。

3.2 数据可视化数据可视化的应用十分广泛，几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信和商业等各种领域。实现数据可视化具有多方面的重要意义，它可以大大加快数据的处理速度，使目前每日、每时都在产生的庞大数据得到有效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，而不局限于目前的文字通信或数字通信，从而使人们能够观察到在传统的科学计算所发生的现象，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。

例如，医学数据的可视化，可以进一步实现放射治疗、矫形手术等计算机模拟及手术规划。利用可视化技术可以在屏幕上监视手术进行的情况，从而大大提高手术的成功率。在勘探方面，利用可视化技术可以从大量的地质勘探数据或测井数据中，构造出感兴趣的等值面、等值线，并显示其范围及走向，用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，从而使专业人员能对原始数据做出正确解释，得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。在气象预报中，可视化技术可将大量的数据转换为图像，在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、旋涡、云层的位置及运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等，使预报人员能对未来