计算机科学领域的可视化技术

更新时间:2024-01-10 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:20801 浏览:94416

摘 要:文章主要介绍了可视化技术的基本概念,综述了国内外著名的可视化技术成果以及它们的应用.

关 键 词 :可视化技术;图像理解

中图分类号:TP391.4

可视化技术是计算机图形学的一个重要研究方向,是图形科学的新领域.它是指是运用图形学原理和方法,将大规模的科学数据-数值和图像,转换为可视的图形和图.它能够给予人们深刻与意想不到的洞察力,在很多领域使科学家的研究方式发生了根本变化.它涉及的研究领域很广,成为计算机科学研究领域中不可缺少的组成部分,例如计算机图形学、图像处理、计算机视觉等,它也是理解复杂现象和大规模数据的重要工具.

自从1986年可视化概念提出以来,发达国家纷纷开始研究可视化理论、方法,开发可视化工具与环境,它们的研究成果已广泛应用于石油勘探、气象预报、航天航空、研制、医学图像处理等科学与工程领域以及自然科学领域中.

90年代初,我国开始了科学计算可视化技术的研究工作,一般需要使用巨型计算机和高档图形工作站处理庞大的数据量以及相关复杂的图像生成算法.所以,在高水平的大学、大公司和国家级的研究中心才有实力对可视化技术进行研究和应用.近几年来,随着处理器功能的不断提高,可视化技术的飞速发展,它的应用已经扩展到科学研究、工程、军事、医学、经济等各个领域,但是,与国外先进水平还有差距,因此还需要在在医学、地质、海洋、气象、航空等行业加大应用力度.

1.可视化的基本概念

可视化是一种计算技术,它将符号转换成几何,使研究者能观察到他们的研究工作.可视化技术能够将看不见的事物通过计算机变为能够看见的事物,提供了科学发现和展现事物的新途径,改变了科学家原有的研究方式,能够给人们意想不到的启示.

根据可视化技术的交互性、多维性、和可视性的特点,以及考虑结合程度,可视化技术可以分为后置处理,实时跟踪处理和实时绘制及交互控制三个层次.后置处理指的是将计算结果解释或显示为可视化的图形,目前大部分应用软件属于这一层次;实时跟踪处理强调它的实时性,因此要求计算与显示必行同步进行,这样能够随时发现执行中的错误以便日后改正;实时绘制及交互控制一方面强调它的实时性,另外能够根据显示结果随时改变执行过程中的参数以便得到满意的结果,因此具有交互界面.近二十多年来,在美国、德国、日本等发达国家的著名大学都在致力于可视化技术的研究,而且已经重点向实时处理和交互控制方面发展.


2.国内外比较著名的研究成果

2.1 流体可视化软件

这是美国国家超级计算机应用中心(NCSA,National center of superputer Application)的研究成果.该软件通过多个相联系的模型,在交互及分布环境下研究暴风雨的形成规律.其中安装在NCSA的超级计算机CRAY-YMP进行模型计算,VGX工作站则用来实现二、三维图形显示,提供用户接口,二者之间使用网络连接.

2.2 医学可视化技术

医学数据的可视化,已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一.由于近代非侵入诊断技术如CT、MRI和正电子放射断层扫描(PET)的发展,医生已经可以非常容易获得病人有关部位的一组二维断层图像.因为核磁共振、CT扫描等设备能够产生人体病变区域的多个方面多个剖面的图像,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,从而及时高效地诊断疾病.CT图像打破传统的胶片感光成像模式,借助于计算机重构或组织的图像,使医学图像从二维走向三维,使人们从人体外部可以看到内部.利用可视化技术软件,能够重构有关器官和组织的三维图像,例如美国加洲的ADAC实验室,约翰.霍普金斯大学等开发出的软件已在许多医院得到应用.利用可视化技术可以以获得心脏的三维图像,并用于监控心脏的形状、大小和运动,为综合诊断提供依据,例如中国协和医科大学等进行的主动脉病变的临床诊断和冠状动脉搭桥术(CABG)后的血管显示等.正是应用了可视化技术,变不可见为可见,从而大大提高了手术的成功率.

耿国华教授实现了医学图象数据库系统MidBASE.在数据库设计、基于内容的图象检索、嵌入三维可视化构件、WEB方式远程查询等方面特色明显.已在多个医院使用,效果良好[1].

2.3 地学可视化技术

科学可视化应用到地学中,产生了地学可视化.1990年的勘探地球物理学家协会的举办“科学可视化”专题讨论会,促进了地球物理勘探中的可视化研究.进而在1995年举办的“可视化技术用于发现和开发更多的油气资源”会议,使得科学可视化技术在油气工业中的应用成果大放光彩.目前,美国的SGI公司在可视化技术方面是处于世界领先地位,它在地学中主要应用于油田开发、油藏数值模拟、石油地质、地震勘探、钻井、测井、遥感测绘等方面.

2.4 人类胚胎的可视化

这是美国依利诺大学芝加哥分校研制的成果.首先依据美国卫生和医学国家博物馆所得到的胚胎数据重构人类胚胎模型,其次将该模型进行三维显示.这一成果预示着人类可以远程访问人类性态数据,可以进行分布式计算.

2.5 数字博物馆的可视化技术

数字博物馆最突出的特点是:虚拟现实技术.虚拟技术通过计算机图形构成三度空间或把现实环境编制到计算机中去,产生逼真的虚拟环境,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境中的感觉.数字博物馆借助这样的技术,对珍贵藏品进行三维可视化的建模.在追求视觉真实感受的同时,最大限度地保存了物体真实数据.研究者可以直接测量模型得到标本的形态结构信息,为远程标本研究提供可靠翔实的基础,真正地做到了辅助科学研究及数据保存的作用.例如中国地质大学地学数字博物馆、中山大学生物数字博物馆、清华大学美术数字博物馆、西北大学考古数字博物馆、北京航空航天大学航空航天数字博物馆等,这些数字博物馆不仅为学者提供了一个高水平高质量的学习平台,有利于院校之间的学术信息和研究资源的共享,而且满足用户的交互性、参与性和沉浸性.

2.6 大场景及文物的虚拟修复可视化技术

大场景与文物虚拟修复还原和展示的研究涉及多个研究领域,需要综合应用数字图象处理、计算机图形学、模式识别、可视化技术等研究领域.目前,在我国很多研究机构已在与大场景和文物的虚拟修复技术相关的领域内进行了一些研究工作,也取得了一些研究成果.但是,还没有研制出完全自动的虚拟修复和还原系统,并且这些研究成果相对独立,没有一个综合文物复原和大场景虚拟还原展示的系统.

3.结束语

NCSA(美国国家超级计算应用中心)是国际上从事可视化研究的权威单位,一直从事可视化算法如软件的开发研究.而在国内,清华、北大、国防科大、中科院软件所等单位相继开展了可视化算法的研究及可视化工具的开发,都已取得了一大批可喜的成果.随着计算机硬件条件的改善和诸如人工智能、机器学习等可视化算法的成熟,可视化技术一定会产生一个大的飞跃.

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