可視化的應(yīng)用領(lǐng)域介紹

1、宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)習(xí)報(bào)告 報(bào)告題目： 可視化的應(yīng)用領(lǐng)域介紹 組 員： 沈王磊(2012104130) 班 級(jí)： 13測(cè)繪工程 實(shí)習(xí)課程： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 指導(dǎo)老師： 李飛老師 2016年10月7日目錄介紹21.可視化的領(lǐng)域21.1科學(xué)可視化21.2教育可視化31.3信息可視化31.4數(shù)據(jù)可視化31.5地理可視化41.6醫(yī)學(xué)影像41.7產(chǎn)品可視化51.8軟件可視化61.9工程制圖61.10立體渲染72.可視化的前景7可視化的應(yīng)用領(lǐng)域介紹可視化(Visualization)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)

2、。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問(wèn)題的綜合技術(shù)。目前正在飛速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是以圖形圖像的可視化技術(shù)為依托的。當(dāng)今社會(huì)正處在一個(gè)信息爆炸的時(shí)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(shí)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?？梢暬褪窃谶@種背景下發(fā)展起來(lái)的它把數(shù)據(jù)變換成易于被人接受和理解的形式圖形。 可視化又稱視覺(jué)化,它的基本含義是將科學(xué)計(jì)算中產(chǎn)生的大量非直觀的、抽象的或者不可見(jiàn)的數(shù)據(jù)借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理等技術(shù)用幾何圖形和色彩、紋理、透明度、對(duì)比度及動(dòng)畫技術(shù)等手段以圖形圖像信息的形式直觀、形象地表

3、達(dá)出來(lái)并進(jìn)行交互處理。這一技術(shù)涉及到圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和圖形交互技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。 1. 可視化的領(lǐng)域1.1 科學(xué)可視化科學(xué)可視化（英語(yǔ)：scientific visualization 或 scientific visualisation）是科學(xué)之中的一個(gè)跨學(xué)科研究與應(yīng)用領(lǐng)域，主要關(guān)注的是三維現(xiàn)象的可視化，如建筑學(xué)、氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)或生物學(xué)方面的各種系統(tǒng)。重點(diǎn)在于對(duì)體、面以及光源等等的逼真渲染，或許甚至還包括某種動(dòng)態(tài)（時(shí)間）成分科學(xué)可視化側(cè)重于利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來(lái)創(chuàng)建客觀的視覺(jué)圖像，將數(shù)學(xué)方程等文字信息轉(zhuǎn)換大量壓縮呈現(xiàn)在一張圖紙上，從而幫助人們理解那些采取錯(cuò)綜復(fù)雜而又往往規(guī)模龐大的方程、數(shù)

4、字等等形式所呈現(xiàn)的科學(xué)概念或結(jié)果2，除有助于公眾吸收之外，重要的是便于專家快速了解狀況，在同樣時(shí)間內(nèi)做出有效的篩選和判斷。1.2 教育可視化出于讓信息知識(shí)更容易被理解、傳播和控制，將其用容易感知的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，包含但不僅限于視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)，嗅覺(jué)，觸覺(jué)等等。 教育可視化通常是在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)模擬的圖形來(lái)表示需要展示的物體。這是非常有用的，例如展示原子的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵犹×?，通過(guò)教育可視化很容易學(xué)習(xí)，且無(wú)需購(gòu)買昂貴并難以使用的科學(xué)設(shè)備。 信息圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。教育技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)有很大的潛力空間，例如智能虛擬化環(huán)境。有著仿真和模型的智能面向?qū)ο笙到y(tǒng)使得虛擬化學(xué)習(xí)環(huán)境可以形成高度交互經(jīng)驗(yàn)。用傳統(tǒng)的智能

5、導(dǎo)師系統(tǒng)已經(jīng)很難應(yīng)對(duì)這些交互挑戰(zhàn)。基于主體系統(tǒng)能解決這些挑戰(zhàn)。這個(gè)系統(tǒng)在不同環(huán)境下分析不同決策是更有效率的。1.3 信息可視化信息可視化（英語(yǔ)：Information visualization，infovis）是對(duì)抽象數(shù)據(jù)進(jìn)行（交互式的）可視化表示以增強(qiáng)人類感知的研究。抽象數(shù)據(jù)包括數(shù)值和非數(shù)值數(shù)據(jù)，如文本和地理信息。然而，信息可視化不同于科學(xué)可視化：“信息可視化側(cè)重于選取的空間表征，而科學(xué)可視化注重于給定的空間表征”。信息可視化認(rèn)為可視化和交互技術(shù)可以借助人眼通往大腦的寬頻帶通道來(lái)讓用戶同時(shí)目睹、探索并理解大量的信息。信息可視化致力于創(chuàng)建那些以直觀方式傳達(dá)抽象信息的手段和方法。在這些方法中，

6、信息可視化是人類分析師的認(rèn)知能力最仰仗的，可以發(fā)現(xiàn)那些只是被人類的想象和創(chuàng)造力所限制的非結(jié)構(gòu)化的“可操作的見(jiàn)解”（actionable insights）。分析師無(wú)需學(xué)習(xí)任何復(fù)雜的方法來(lái)解釋數(shù)據(jù)是如何可視化的。信息可視化也是一種假設(shè)生成方案，通常后續(xù)會(huì)進(jìn)行更多分析或形式化的分析，如統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)。1.4 數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)可視化是關(guān)于數(shù)據(jù)之視覺(jué)表現(xiàn)形式的研究；其中，這種數(shù)據(jù)的視覺(jué)表現(xiàn)形式被定義為一種以某種概要形式抽提出來(lái)的信息，包括相應(yīng)信息單位的各種屬性和變量。數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。但是，這并不就意味著，數(shù)據(jù)可視化就一定因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)其功能用途而令人感到枯燥乏味，

7、或者是為了看上去絢麗多彩而顯得極端復(fù)雜。為了有效地傳達(dá)思想概念，美學(xué)形式與功能需要齊頭并進(jìn)，通過(guò)直觀地傳達(dá)關(guān)鍵的方面與特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于相當(dāng)稀疏而又復(fù)雜的數(shù)據(jù)集的深入洞察。數(shù)據(jù)可視化就是一個(gè)處于不斷演變之中的概念，其邊界在不斷地?cái)U(kuò)大；因而，最好是對(duì)其加以寬泛的定義。數(shù)據(jù)可視化指的是技術(shù)上較為高級(jí)的技術(shù)方法，而這些技術(shù)方法允許利用圖形、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及用戶界面，通過(guò)表達(dá)、建模以及對(duì)立體、表面、屬性以及動(dòng)畫的顯示，對(duì)數(shù)據(jù)加以可視化解釋。與立體建模之類的特殊技術(shù)方法相比，數(shù)據(jù)可視化所涵蓋的技術(shù)方法要廣泛得多。1.5 地理可視化 地理信息可視化就是將原有的地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖形、圖像的一

8、種綜合技術(shù)，它對(duì)于動(dòng)態(tài)的形象的、多視角的、全方位的、多層面的描述客觀現(xiàn)實(shí)，對(duì)于虛擬化研究、再現(xiàn)和預(yù)測(cè)地學(xué)現(xiàn)象都有突出的方法論意義。地理信息可視化是運(yùn)用圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將地學(xué)信息輸入、處理、查詢、分析以及預(yù)測(cè)的結(jié)果和數(shù)據(jù)以圖形符號(hào)、圖標(biāo)、文字、表格、視頻等可視化形式顯示并進(jìn)行交互的理論、方法和技術(shù)。在地理信息系統(tǒng)中，可視化則以地理信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地圖學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息傳輸學(xué)與地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、多媒體技術(shù)動(dòng)態(tài)，直觀、形象地表現(xiàn)、解釋、傳輸?shù)乩砜臻g信息并揭示其規(guī)律，是關(guān)于信息表達(dá)和傳輸?shù)睦碚?、方法與技術(shù)的一門學(xué)科。1.6 醫(yī)學(xué)影像 醫(yī)學(xué)成像技術(shù)

9、的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的臨床診斷和治療提供了相當(dāng)豐富的信息。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析越來(lái)越多地受到人們的重視。在醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的各個(gè)研究分支中，可視化無(wú)疑是非常重要的一個(gè)領(lǐng)域。自20世紀(jì)90年代起，一直是國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)可視化的研究?jī)?nèi)容涉及數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及醫(yī)學(xué)等，是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程中的重要應(yīng)用，其成果對(duì)于臨床診斷、手術(shù)虛擬規(guī)劃及模擬仿真、外科整形、假肢設(shè)計(jì)和制造、放射治療規(guī)劃、解剖教學(xué)等方面都將起到重要的推動(dòng)作用，其實(shí)際應(yīng)用的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出醫(yī)學(xué)范疇?，F(xiàn)有的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可分為兩大類

10、：面繪制和體繪制。面繪制以傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)閾值方法由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)構(gòu)造中間幾何圖元并生成最終圖像；而體繪制無(wú)需提取中間幾何圖元，而是根據(jù)光線傳輸方程，直接將原始的三維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)映射到二維的投影平面上產(chǎn)生最終繪制結(jié)果。1.7 產(chǎn)品可視化 產(chǎn)品可視化概念形成是數(shù)字藝術(shù)和可視化技術(shù)為依托的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)表現(xiàn)的一次革命性改進(jìn)，是可視化技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中以產(chǎn)品為表現(xiàn)對(duì)象的應(yīng)用?？梢暬抢糜?jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)換成圖形或圖像在屏幕上顯示，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)?？梢暬夹g(shù)用三維形體來(lái)表現(xiàn)復(fù)雜的信息，達(dá)到人和計(jì)算機(jī)直接交流的目的。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)表現(xiàn)發(fā)展歷程來(lái)看，設(shè)計(jì)軟件

11、進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域就宣告了計(jì)算機(jī)效果圖時(shí)期的開(kāi)始，這是計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)在設(shè)計(jì)表現(xiàn)中的第一次滲透，是技術(shù)與藝術(shù)的一次聯(lián)盟。它終結(jié)了以手繪效果圖加模型為產(chǎn)品表現(xiàn)手段的時(shí)代，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存不斷擴(kuò)容，保證了視頻文件的渲染與儲(chǔ)存，平面效果圖表現(xiàn)向三維動(dòng)畫表現(xiàn)過(guò)渡，產(chǎn)品表現(xiàn)邁入了以動(dòng)畫表現(xiàn)、交互技術(shù)為代表的產(chǎn)品可視化時(shí)代。這是計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)表現(xiàn)中的第二次滲透，它的核心是視覺(jué)表現(xiàn)和交互技術(shù)的交融，產(chǎn)品設(shè)計(jì)表現(xiàn)有了更多的表現(xiàn)語(yǔ)言，同時(shí)也拓展出其他使用功能。如產(chǎn)品廣告、產(chǎn)品多媒體展示、產(chǎn)品交互體驗(yàn)、可以說(shuō)產(chǎn)品可視化重新詮釋了產(chǎn)品表現(xiàn)的方法和手段。1.8 軟件可視化 可視化開(kāi)發(fā)就是

12、在可視開(kāi)發(fā)工具提供的圖形用戶界面上，通過(guò)操作界面元素，諸如菜單、按鈕、對(duì)話框、編輯框、單選框、復(fù)選框、列表框和滾動(dòng)條等，由可視開(kāi)發(fā)工具自動(dòng)生成應(yīng)用軟件。還可輕松跨越多個(gè)資源和層次連接您的所有數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn),完全可擴(kuò)展的,功能豐富全面的可視化組件庫(kù)為開(kāi)發(fā)人員提供了功能完整并且簡(jiǎn)單易用的組件集合,以用來(lái)構(gòu)建極其豐富的用戶界面?？梢暬_(kāi)發(fā)就是在可視開(kāi)發(fā)工具提供的圖形用戶界面上，通過(guò)操作界面元素，諸如菜單、按鈕、對(duì)話框、編輯框、單選框、復(fù)選框、列表框和滾動(dòng)條等，由可視開(kāi)發(fā)工具自動(dòng)生成應(yīng)用軟件。這類應(yīng)用軟件的工作方式是事件驅(qū)動(dòng)。對(duì)每一事件，由系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的消息，再傳遞給相應(yīng)的消息響應(yīng)函數(shù)。這些消息響

13、應(yīng)函數(shù)是由可視開(kāi)發(fā)工具在生成軟件時(shí)自動(dòng)裝入的1.9 工程制圖 工程制圖（英語(yǔ)：technical drawing、draughting或drafting），是創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化工程圖紙（也稱技術(shù)圖紙）的技術(shù)。該項(xiàng)技能的專家稱為“制圖師”（英語(yǔ)：draftsperson或draughtman）。 一門專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科，以畫法幾何的投影理論為基礎(chǔ)，以直尺、圓規(guī)、圖板為工具，以黑板、木模、掛圖為媒介，已有200多年的歷史。可視化大大擴(kuò)充了地圖的家族，出現(xiàn)了電子地圖、動(dòng)態(tài)地圖、賽博地圖即虛擬環(huán)境等新的地圖式樣，空前擴(kuò)大了地圖的功能。數(shù)字地圖的可視化技術(shù)也促進(jìn)了地圖表示法的深化，在描述環(huán)境，解釋客觀規(guī)律上較之傳統(tǒng)地

14、圖有重大的突破?？梢暬€密切了GIS與地圖學(xué)的關(guān)系，因?yàn)榈乩硇畔⒖梢暬幕拘问骄褪堑貓D1.10 立體渲染 立體渲染（英語(yǔ)：Volume rendering），又稱為體繪制，是一種用于顯示離散三維采樣數(shù)據(jù)集的二維投影的技術(shù)。一個(gè)典型的三維數(shù)據(jù)集是CT或者M(jìn)RI采集的一組二維切面圖像。通常這些數(shù)據(jù)是按照一定規(guī)則如每毫米一個(gè)切面，并且通常有一定數(shù)目的圖像像素。這是一個(gè)常見(jiàn)的立體晶格的例子，每個(gè)體素用當(dāng)前體素附近區(qū)域的采樣值表示。用不同顏色表示肌肉、脂肪、骨骼以及血液進(jìn)行立體渲染的前臂CT圖，通過(guò)提取幾何體中等值的曲面并且將它們作為多邊形進(jìn)行渲染，或者直接將立體作為數(shù)據(jù)塊進(jìn)行渲染，這兩種方法都可以使幾何體可見(jiàn)。Marching Cubes算法是從立體數(shù)據(jù)中提取曲面的常用技術(shù)。直接體渲染是一件計(jì)算量很大的工作，可以用幾種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了渲染三維數(shù)據(jù)集的二維投影，首先需要定義相機(jī)相對(duì)于幾何體的空間位置。另外，需要定義每個(gè)點(diǎn)即體素的不透明性以及顏色，這通常使用RGBA（red, green, blue, alpha）傳遞函數(shù)定義每個(gè)體素可能值對(duì)應(yīng)的RGBA值。2. 可視化的前景可視化技術(shù)有著巨大的發(fā)展和應(yīng)用潛力，以及潛在的可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可能促