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1、可视化技术可视化技术 中国海洋大学 计算机系 解翠 中国海洋大学 计算机系 解翠 2008 9 5 课程介绍 主要内容课程介绍 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 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 主要内容 可视化概述 分类 数据类型和数据操作可视化概述 分类 数据类型和数据操作 二维标量场等值线抽取算法 二维标量场等值线抽取算法 等值面生成和绘制算法 等值面生成和绘制算法 体绘制算法 体绘制算法 矢量场可视化 矢量场可视化 交互技术和可视化工具 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
2、 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 教材和参考书教材和参考书 教材 教材 科学计算可视化 科学计算可视化 算法与系统 算法与系统 石教英 蔡文立石教英 蔡文立 科学出版社 科学出版社 1996年年9月月 参考书 参考书 三维数据场可视化 三维数据场可视化 唐泽圣唐泽圣 清华大学出版社 清华大学出版社 1999年年 科学计算可视化导论 李晓梅 国防科技大学 出版社 科学计算可视化导论 李晓梅 国防科技大学 出版社 1996 第第1版版 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 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年年04月
3、第月第1版版 第一章 可视化技术绪论第一章 可视化技术绪论 概念概念 意义和作用意义和作用 历史与发展历史与发展 应用应用 学科分类学科分类 可视化参考模型可视化参考模型 可视化的实现基础可视化的实现基础 研究内容研究内容 可视化 可视化 Visualization 概念 概念 运用计算机图形学和图像处理技术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 将数据转换为图 形或图像在屏幕上显示出来 并进行交互处理并进行交互处理的理 论 方法和技术 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 研究如何把科学数据转换成
4、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 处理技术处理技术 从复杂的数据中产生图形图像 分析和理解数据从复杂的数据中产生图形图像 分析和理解数据 可视化 可视化 Visualization 概念 概念 涉及领域 涉及领域 将计算机图形学将计算机图形学 图像处理图像处理 计算机辅助设计计算机辅助设计 计算机视觉计算机视觉 人机交互技术人机交互技术 可视化 Visualization 概念 科学计算数据的可视化科学计算数据的可视化 Visualization in Scientific Computing 工程数据和测量数据的可视化工程数据和测量数据的可视化 体视化 体视化 Volum
5、 Visualization 空间数据空间数据 信息可视化 信息可视化 Information Visualization 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 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 交互性 用户可以方便地以交互的方式 管理和开发管理和开发数据 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
6、可以按其每一 维的值 将其分类 排序 组合和显示 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 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 可视化技术绪论第一章 可视化技术绪论 概念概念 意义和作用意义和作用 历史与发展历史与发展 应用应用 学科分类学科分类 可视化参考模型可视化参考模型 可视化的实现基础可视化的实现基础 研究内容研究内容 可视化的意义可视化的
7、意义 是是 科学技术之眼科学技术之眼 是科学发现和工程设计的 工具 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 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 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 X X 经度 经度 X 经度 X 经度 Y 纬度 Y 纬度 117117 5118118 5119119
8、5120120 5121121 5122122 5123 36 5 37 37 5 38 38 5 39 39 5 40 40 5 41 30cm 可视化的意义可视化的意义 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 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可以实现对计算和编程过程的引导和控制 通过
9、交互手段改变过程所依据的条件 并观 察其影响 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 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 网络分布环境下的计算机辅助协同 设计打下了基础 打下了基础 可视化的作用可视化的作用 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 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 科学计算结果的后处理为提高科学计算质量和效率提 供
10、强有力支持 为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段 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 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 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
11、神州号神州号神州号 宇宙飞宇宙飞宇宙飞宇宙飞 船周围船周围船周围船周围 空气分空气分空气分空气分 布密度布密度布密度布密度 第一章 可视化技术绪论第一章 可视化技术绪论 概念概念 意义和作用意义和作用 历史与发展历史与发展 应用应用 学科分类学科分类 可视化参考模型可视化参考模型 可视化的实现基础可视化的实现基础 研究内容研究内容 科学计算可视化的诞生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 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
12、制 获取科学计算内在 的 本质关系 发现非正常现象和错误 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 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 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 发达国家发达国家20世纪世纪80年代提出并研究年代提出并研究 计算机硬件技术发展计算机硬件技术发展 求解问题规模扩大 复杂度高求解问题规模扩大 复杂度高 海量数据集产生海量数
13、据集产生 海量数据的有效解释和应用海量数据的有效解释和应用 1986年年 ACM SIGGRAPH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 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年年NFS在华盛顿首次召开在华盛顿首次召开 科学计算可视化科学计算可视化 专题讨 论会 专题讨 论会 1989年年Defanti等发表另一篇可视化报告 等发表另一篇可视化报告 Visualization Expanding Scientific and Engineering Research Opportunities 可视化的发展状况可视化的发展状况 计算环境发展计算环境发展
14、 80年代后期分布存储的大规模并行计算机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多处理器和并行处理的工作站和PC机机 可视化的发展状况可视化的发展状况 显示设备的发展显示设备的发展 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 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 墙式大屏幕显示器墙式大屏幕显示器 大屏幕和沉浸式的洞穴式 大屏幕和沉浸式的洞穴式 CAVE 显示设备 显示设备 可
15、视化的展望可视化的展望 1 分布式科学计算可视化分布式科学计算可视化 应用应用分布式计算环境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 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协同式科学计算可视化 多媒体支持下的多媒体支持下的CSCW技术的协同工作方式 进行交流和工作 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沉浸式科学计算可视化 临场感强 有助于结果分析临场感强 有助于结果分析 可视化的展望可视化的展望 4 科学可视化技术应用的进展科学可视化技术应用的进展 医学医学 流场流场 娱乐娱乐 工程技术 工程技术 计算流
16、体力学 计算流体力学 CFD 有限元分析有限元分析 其他 飞机 航天 其他 飞机 航天 海量科学数据的来源海量科学数据的来源 超级计算机超级计算机 卫星 地球资源 军 事侦察 气象等数 据 卫星 地球资源 军 事侦察 气象等数 据 宇宙飞船发回的数据宇宙飞船发回的数据 天文数据天文数据 地球物理监测数据地球物理监测数据 医学图象数据医学图象数据 其他大型工程数据其他大型工程数据 返回返回 第一章 可视化技术绪论第一章 可视化技术绪论 概念概念 意义和作用意义和作用 历史与发展历史与发展 应用应用 学科分类学科分类 可视化参考模型可视化参考模型 可视化的实现基础可视化的实现基础 研究内容研究内容 可视化应用可视化应用 1 医学 医学 在医学上由核磁共振 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 扫描等设备产生的 人体器官密度场
