《科學(xué)數(shù)據(jù)可視化》ppt課件

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第14講 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)華中科技大學(xué)CAD中心吳義忠 45009970 .內(nèi)容提要內(nèi)容提要14.1 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化意義14.2 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化過程14.3 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化方法14.4 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化工具.14.1、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化意義數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處置技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處置技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)展交互處置和分析的技術(shù)?？梢暬夹g(shù)將數(shù)據(jù)以圖像、曲在屏幕上顯示出來，并進(jìn)展交互處置和分析的技術(shù)。可視化技術(shù)將數(shù)據(jù)以圖像、曲線、二維圖形、三維圖形或動畫效果顯

2、示在人們面前，并可對其方式和相互關(guān)系進(jìn)線、二維圖形、三維圖形或動畫效果顯示在人們面前，并可對其方式和相互關(guān)系進(jìn)展可視化分析，及時(shí)掌握計(jì)算過程中數(shù)據(jù)的變化以及其直接影響。展可視化分析，及時(shí)掌握計(jì)算過程中數(shù)據(jù)的變化以及其直接影響。數(shù)據(jù)可視化的運(yùn)用非常廣泛數(shù)據(jù)可視化的運(yùn)用非常廣泛,幾乎可以運(yùn)用于自然科學(xué)、工程技術(shù)、金融、通訊或幾乎可以運(yùn)用于自然科學(xué)、工程技術(shù)、金融、通訊或商業(yè)等各種領(lǐng)域。目前在全球范圍內(nèi)有很多頗具影響力的專業(yè)數(shù)據(jù)可視化軟件及圖商業(yè)等各種領(lǐng)域。目前在全球范圍內(nèi)有很多頗具影響力的專業(yè)數(shù)據(jù)可視化軟件及圖形圖像處置技術(shù)，為您提供生物醫(yī)學(xué)、工程分析、地理地質(zhì)、氣候氣候等領(lǐng)域的數(shù)形圖像處置技術(shù)，

3、為您提供生物醫(yī)學(xué)、工程分析、地理地質(zhì)、氣候氣候等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)可視化運(yùn)用途理方案。據(jù)可視化運(yùn)用途理方案。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用可視化技術(shù)，將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用可視化技術(shù)，將CT、MRI或或PET三維圖像進(jìn)展幾何重構(gòu)生成三維模型，使人三維圖像進(jìn)展幾何重構(gòu)生成三維模型，使人們從外部察看到人體內(nèi)部情況，準(zhǔn)確地確定病變體們從外部察看到人體內(nèi)部情況，準(zhǔn)確地確定病變體的空間位置、大小、幾何外形以及它與周圍生物組的空間位置、大小、幾何外形以及它與周圍生物組織之間的空間關(guān)系，從而及時(shí)診斷疾病。此外在可織之間的空間關(guān)系，從而及時(shí)診斷疾病。此外在可視化技術(shù)的根底上可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)放射治療、矯形視化技術(shù)的根底上可以進(jìn)一步

4、實(shí)現(xiàn)放射治療、矯形手術(shù)等的計(jì)算機(jī)模擬及手術(shù)規(guī)劃。例如在腦腫瘤放手術(shù)等的計(jì)算機(jī)模擬及手術(shù)規(guī)劃。例如在腦腫瘤放射治療中，利用可視化技術(shù)就可以基于重構(gòu)出的人射治療中，利用可視化技術(shù)就可以基于重構(gòu)出的人腦內(nèi)部構(gòu)造三維圖像，對顱骨穿孔位置、同位素置腦內(nèi)部構(gòu)造三維圖像，對顱骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等劑量線等進(jìn)展計(jì)算機(jī)模擬，入通道、安放位置及等劑量線等進(jìn)展計(jì)算機(jī)模擬，并選擇最正確方案，同時(shí)還可以在屏幕上監(jiān)視手術(shù)并選擇最正確方案，同時(shí)還可以在屏幕上監(jiān)視手術(shù)進(jìn)展的情況，從而大大提高手術(shù)的勝利率。進(jìn)展的情況，從而大大提高手術(shù)的勝利率。.在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，計(jì)算力學(xué)更離不開可視化技術(shù)。在有限元在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)

5、域，計(jì)算力學(xué)更離不開可視化技術(shù)。在有限元分析中，運(yùn)用可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)形體的網(wǎng)格劃分及有限元分分析中，運(yùn)用可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)形體的網(wǎng)格劃分及有限元分析結(jié)果的圖形顯示，即所謂有限元分析的前后處置，并根據(jù)析結(jié)果的圖形顯示，即所謂有限元分析的前后處置，并根據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格優(yōu)化，使計(jì)算結(jié)果更加可靠和準(zhǔn)確。例分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格優(yōu)化，使計(jì)算結(jié)果更加可靠和準(zhǔn)確。例如，用多種不同方法表示出每一點(diǎn)的速度、壓力、溫度和組如，用多種不同方法表示出每一點(diǎn)的速度、壓力、溫度和組分等，并顯示出渦流、沖擊波、剪切層、尾流及湍流等。在分等，并顯示出渦流、沖擊波、剪切層、尾流及湍流等。在流場的可視化中，既要提高顯示速度，又要逼

6、真地顯示流場流場的可視化中，既要提高顯示速度，又要逼真地顯示流場的細(xì)微構(gòu)造和各種參數(shù)的等值面。當(dāng)然，計(jì)算流體動力學(xué)和的細(xì)微構(gòu)造和各種參數(shù)的等值面。當(dāng)然，計(jì)算流體動力學(xué)和有限元分析一樣，計(jì)算的速度和準(zhǔn)確度受網(wǎng)格劃分的影響很有限元分析一樣，計(jì)算的速度和準(zhǔn)確度受網(wǎng)格劃分的影響很大，經(jīng)過可視化技術(shù)可以針對不同對象，找到最適宜的網(wǎng)格大，經(jīng)過可視化技術(shù)可以針對不同對象，找到最適宜的網(wǎng)格劃分方法。劃分方法。在地質(zhì)領(lǐng)域，利用可視化技術(shù)可以從大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)或在地質(zhì)領(lǐng)域，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?dāng)?shù)據(jù)中，構(gòu)造出感興趣的等值面、等值線，并顯示其范測井?dāng)?shù)據(jù)中，構(gòu)造出感興趣的等值面、等值線，并顯示

7、其范圍及走向，并用不同顏色顯示出多種參數(shù)及其相互關(guān)系，從圍及走向，并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，得到需求的地質(zhì)而使專業(yè)人員能對原始數(shù)據(jù)做出正確解釋，得到需求的地質(zhì)信息，如地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)儲量等。信息，如地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)儲量等。在氣候領(lǐng)域，科學(xué)計(jì)算可視化可將大量的天氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖在氣候領(lǐng)域，科學(xué)計(jì)算可視化可將大量的天氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出某一時(shí)辰的等壓面、等溫面、旋渦、云像，在屏幕上顯示出某一時(shí)辰的等壓面、等溫面、旋渦、云層的位置及運(yùn)動、暴雨區(qū)的位置及其強(qiáng)度、風(fēng)力的大小及方層的位置及運(yùn)動、暴雨區(qū)的位置及其強(qiáng)度、風(fēng)力的大小及方向等，使預(yù)告人員

8、能對未來的天氣做出準(zhǔn)確的分析和預(yù)測。向等，使預(yù)告人員能對未來的天氣做出準(zhǔn)確的分析和預(yù)測。并根據(jù)全球的氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，將不同時(shí)期全球的并根據(jù)全球的氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，將不同時(shí)期全球的氣溫分布、氣壓分布、雨量分布及風(fēng)力風(fēng)向等以圖像方式表氣溫分布、氣壓分布、雨量分布及風(fēng)力風(fēng)向等以圖像方式表示出來，從而對全球的氣候情況及其變化趨勢進(jìn)展研討和預(yù)示出來，從而對全球的氣候情況及其變化趨勢進(jìn)展研討和預(yù)測。測。.14.2 可視化過程.二維數(shù)據(jù)場是科學(xué)計(jì)算可視化處置的最簡單的一類數(shù)據(jù)場，二維數(shù)據(jù)場是在某一平面二維數(shù)據(jù)場是科學(xué)計(jì)算可視化處置的最簡單的一類數(shù)據(jù)場，二維數(shù)據(jù)場是在某一平面上的一些離散數(shù)據(jù)，可

9、看成定義在某一平面上的一維標(biāo)量函數(shù)上的一些離散數(shù)據(jù)，可看成定義在某一平面上的一維標(biāo)量函數(shù)F=F(x,y)F=F(x,y)。二維數(shù)據(jù)。二維數(shù)據(jù)場可視化的方法主要有顏色映射法、等值線、立體圖法和層次分割法等，這些方法的場可視化的方法主要有顏色映射法、等值線、立體圖法和層次分割法等，這些方法的原理都比較簡單。原理都比較簡單。 14.3 科學(xué)計(jì)算可視化的常用方法1二維平面數(shù)據(jù)場的可視化方法 顏色映射法顏色映射法等值線法等值線法層次劃分法層次劃分法 2三維空間數(shù)據(jù)場方法三維空間數(shù)據(jù)場與二維數(shù)據(jù)場不同，它是對三維空間中的采樣，表示了一個三維空間三維空間數(shù)據(jù)場與二維數(shù)據(jù)場不同，它是對三維空間中的采樣，表示了

10、一個三維空間內(nèi)部的詳細(xì)信息，這類數(shù)據(jù)場最典型的醫(yī)學(xué)內(nèi)部的詳細(xì)信息，這類數(shù)據(jù)場最典型的醫(yī)學(xué)CTCT采樣數(shù)據(jù)，每個采樣數(shù)據(jù)，每個CTCT的照片實(shí)踐上是一個的照片實(shí)踐上是一個二維數(shù)據(jù)場，照片的灰度表示了某一片物體的密度。將這些照片按一定的順序陳列起二維數(shù)據(jù)場，照片的灰度表示了某一片物體的密度。將這些照片按一定的順序陳列起來，就組成了一個三維數(shù)據(jù)場。此外，用大規(guī)模計(jì)算機(jī)計(jì)算的航天飛機(jī)周圍的密度分來，就組成了一個三維數(shù)據(jù)場。此外，用大規(guī)模計(jì)算機(jī)計(jì)算的航天飛機(jī)周圍的密度分布也是一個三維數(shù)據(jù)場的例子。布也是一個三維數(shù)據(jù)場的例子。 .抽取外表信息的可視化方法 斷層間的構(gòu)造等值面的方法斷層間的構(gòu)造等值面的方法

11、立方體中構(gòu)造等值面方法立方體中構(gòu)造等值面方法Marching CubeMarching Cube直接體繪制方法 光線投射體繪制流程光線投射體繪制流程 體繪制生成的圖象體繪制生成的圖象 .3向量場可視化方法標(biāo)量標(biāo)量ScalarScalar：指只需大小而沒有方向的量，比如長度、質(zhì)量等；：指只需大小而沒有方向的量，比如長度、質(zhì)量等；向量向量VectorVector，也叫矢量：是既有大小也有方向的量，如力、速度等。，也叫矢量：是既有大小也有方向的量，如力、速度等。向量場同標(biāo)量場一樣，也分為二維、三維等，但向量場中每個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)不向量場同標(biāo)量場一樣，也分為二維、三維等，但向量場中每個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)不是溫

12、度、壓力、密度等標(biāo)量，而是速度等向量。向量場可視化技術(shù)的難點(diǎn)是很是溫度、壓力、密度等標(biāo)量，而是速度等向量。向量場可視化技術(shù)的難點(diǎn)是很難找出在三維空間中表示向量的方法。難找出在三維空間中表示向量的方法。三維向量場箭頭表三維向量場箭頭表示示 三維空間中的流線三維空間中的流線三維空間中的流面三維空間中的流面4 基于動畫的可視化方法 向量場可視化技術(shù)運(yùn)用中，動態(tài)可視化技術(shù)是一向量場可視化技術(shù)運(yùn)用中，動態(tài)可視化技術(shù)是一種非常重要的可視化方法。主要有兩類動態(tài)可視種非常重要的可視化方法。主要有兩類動態(tài)可視化方法，一類是針對穩(wěn)定數(shù)據(jù)場的動態(tài)可視化方化方法，一類是針對穩(wěn)定數(shù)據(jù)場的動態(tài)可視化方法，另一類是針對與時(shí)

13、間有關(guān)的非穩(wěn)定數(shù)據(jù)場的法，另一類是針對與時(shí)間有關(guān)的非穩(wěn)定數(shù)據(jù)場的動態(tài)可視化技術(shù)。動態(tài)可視化技術(shù)。 動態(tài)顯示的脈線動態(tài)顯示的脈線.914.4 可視化工具VTK簡介 全稱：Visualization Toolkit 源碼開放的免費(fèi)可視化軟件系統(tǒng) 采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)開發(fā)，以C言語編寫 包含由700多個類組成的內(nèi)容極為豐富的類庫 支持幾何外型及可視化中復(fù)雜數(shù)據(jù)的表達(dá)、對標(biāo)量場、矢量場、張量場的可視化以及隱函數(shù)外型、多邊形網(wǎng)格簡化、Delaunay三角分割等高級外型技術(shù) 除C言語外，還允許用戶經(jīng)過Tcl/Tk，Java和Python等解釋性言語編寫運(yùn)用程序以快速完成可視化運(yùn)用實(shí)例的開發(fā).10VTK簡介 采用一個數(shù)據(jù)流模型以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息向圖形信息的轉(zhuǎn)換 在這個模型中