Научная визуализация ( также называемая научной визуализацией ) - это междисциплинарная отрасль науки, занимающаяся визуализацией научных явлений. [2] Это также считается подмножеством компьютерной графики , разделом информатики. Цель научной визуализации - графически проиллюстрировать научные данные, чтобы ученые могли понять, проиллюстрировать и почерпнуть информацию из своих данных.
История [ править ]
.svg)
Одним из первых примеров трехмерной научной визуализации была термодинамическая поверхность Максвелла , вылепленная из глины в 1874 году Джеймсом Клерком Максвеллом . [3] Это прообраз современных методов научной визуализации с использованием компьютерной графики . [4]
Известные ранние двумерные примеры включают карту потока в марте Наполеона на Москву производимого Чарльз Джозеф Минар в 1869 году; [2] «петлицы», использованные Флоренс Найтингейл в 1857 году в рамках кампании по улучшению санитарных условий в британской армии; [2] и точечная карта, которую использовал Джон Сноу в 1855 году для визуализации вспышки холеры на Брод-стрит . [2]
Методы визуализации данных [ править ]
Двумерные наборы данных [ править ]
Научная визуализация с использованием компьютерной графики приобрела популярность по мере развития графики. Основными приложениями были скалярные поля и векторные поля из компьютерного моделирования, а также данные измерений. Основными методами визуализации двумерных (2D) скалярных полей являются цветовое отображение и рисование контурных линий . 2D векторные поля визуализируются с помощью глифов и линий тока или методов свертки интегральных линий . Двумерные тензорные поля часто преобразуются в векторное поле с использованием одного из двух собственных векторов для представления тензора в каждой точке поля, а затем визуализируются с использованием методов визуализации векторного поля.
Трехмерные наборы данных [ править ]
Для трехмерных скалярных полей основными методами являются объемная визуализация и изоповерхности . Методы визуализации векторных полей включают глифы (графические значки), такие как стрелки, линии тока и полосы , трассировку частиц, интегральную свертку линий (LIC) и топологические методы. Позже для визуализации тензорных полей 2D и 3D были разработаны такие методы визуализации, как гиперстоки [5] .
Темы [ править ]
Компьютерная анимация [ править ]
Компьютерная анимация - это искусство, техника и наука создания движущихся изображений с помощью компьютеров . Все чаще ее создают с помощью компьютерной 3D-графики , хотя компьютерная 2D-графика по-прежнему широко используется для стилистики, низкой пропускной способности и более быстрого рендеринга в реальном времени . Иногда целью анимации является сам компьютер, но иногда целью является другой носитель , например фильм . Его также называют CGI ( компьютерные изображения или компьютерные изображения), особенно когда они используются в фильмах. Приложения включают медицинскую анимацию, который чаще всего используется в качестве учебного пособия для медицинских работников или их пациентов.
Компьютерное моделирование [ править ]
Компьютерное моделирование - это компьютерная программа или сеть компьютеров, которая пытается имитировать абстрактную модель конкретной системы. Компьютерное моделирование стало полезной частью математического моделирования многих естественных систем в физике, вычислительной физике, химии и биологии; человеческие системы в экономике, психологии и социальных науках; и в процессе разработки и новых технологий, чтобы получить представление о работе этих систем или наблюдать за их поведением. [6] Одновременная визуализация и моделирование системы называется визуализацией .
Компьютерное моделирование варьируется от компьютерных программ, которые выполняются в течение нескольких минут, до сетевых групп компьютеров, работающих в течение нескольких часов, до текущих моделей, которые выполняются в течение месяцев. Масштаб событий, имитируемых компьютерным моделированием, намного превзошел все возможное (или, возможно, даже вообразимое) с использованием традиционного математического моделирования на бумаге и карандаше : более 10 лет назад симуляция битвы в пустыне, когда одна сила вторгалась в другую, включала моделирование 66 239 танков, грузовиков и других транспортных средств на смоделированной местности вокруг Кувейта с использованием нескольких суперкомпьютеров в рамках программы модернизации высокопроизводительных вычислений Министерства обороны . [7]
Визуализация информации [ править ]
Визуализация информации - это изучение « визуального представления крупномасштабных коллекций нечисловой информации, таких как файлы и строки кода в программных системах , библиотечные и библиографические базы данных , сети отношений в Интернете и так далее». [2]
Визуализация информации сосредоточена на создании подходов для интуитивной передачи абстрактной информации. Визуальные представления и методы взаимодействия используют преимущества широкой полосы пропускания человеческого глаза в сознание, чтобы позволить пользователям одновременно видеть, исследовать и понимать большие объемы информации. [8] Ключевое различие между научной визуализацией и визуализацией информации заключается в том, что визуализация информации часто применяется к данным, которые не получены в результате научного исследования. Некоторые примеры - графическое представление данных для бизнеса, правительства, новостей и социальных сетей.
Технология интерфейса и восприятие [ править ]
Интерфейсные технологии и восприятие показывают, как новые интерфейсы и лучшее понимание основных проблем восприятия создают новые возможности для научного сообщества визуализации. [9]
Рендеринг поверхности [ править ]
Рендеринг - это процесс создания изображения из модели с помощью компьютерных программ. Модель - это описание трехмерных объектов на строго определенном языке или в структуре данных. Он будет содержать информацию о геометрии, точке обзора, текстуре , освещении и затенении . Изображение представляет собой цифровое изображение или растровой графики изображения . Этот термин может быть аналогичен «художественному воспроизведению» сцены. «Рендеринг» также используется для описания процесса расчета эффектов в файле редактирования видео для получения окончательного видеовыхода. Важные методы рендеринга:
- Рендеринг и растеризация строк развертки
- Высокоуровневое представление изображения обязательно содержит элементы в другом домене, нежели пиксели. Эти элементы называются примитивами. Например, на схематическом чертеже сегменты линий и кривые могут быть примитивами. В графическом пользовательском интерфейсе окна и кнопки могут быть примитивами. В 3D-рендеринге треугольники и многоугольники в пространстве могут быть примитивами.
- Рэй кастинг
- Приведение лучей в основном используется для моделирования в реальном времени, например, используемых в компьютерных 3D-играх и мультипликационных анимациях, где детали не важны или где более эффективно вручную имитировать детали, чтобы получить лучшую производительность на этапе вычислений. Обычно это случается, когда нужно анимировать большое количество кадров. Полученные поверхности имеют характерный «плоский» вид, когда не используются дополнительные приемы, как если бы все объекты в сцене были окрашены матовым покрытием.
- Лучистость
- Излучение , также известное как глобальное освещение, представляет собой метод, который пытается имитировать способ, которым непосредственно освещенные поверхности действуют как непрямые источники света, которые освещают другие поверхности. Это обеспечивает более реалистичное затенение и, кажется, лучше передает « атмосферу » внутренней сцены. Классический пример - это то, как тени «обнимают» углы комнаты.
- трассировка лучей
- Трассировка лучей - это расширение той же техники, которая была разработана при рендеринге строк и преобразовании лучей. Как и они, он хорошо обрабатывает сложные объекты, и объекты могут быть описаны математически. В отличие от линии сканирования и литья, трассировка лучей почти всегда является методом Монте-Карло, который основан на усреднении количества случайно сгенерированных выборок из модели.
Объемный рендеринг [ править ]
Объемный рендеринг - это метод, используемый для отображения двухмерной проекции набора трехмерных дискретно дискретизированных данных . Типичный набор 3D-данных - это группа 2D-изображений срезов, полученных с помощью КТ- или МРТ- сканера. Обычно они получают в виде регулярного шаблона (например, один срез на каждый миллиметр) и обычно имеют регулярное количество пикселей изображения в регулярном шаблоне. Это пример регулярной объемной сетки с каждым элементом объема или вокселем, представленным одним значением, которое получается путем выборки непосредственной области, окружающей воксель.
Визуализация объема [ править ]
Согласно Розенблюму (1994) «объемная визуализация исследует набор методов, которые позволяют рассматривать объект без математического представления другой поверхности. Первоначально использовавшаяся в медицинской визуализации , объемная визуализация стала важной техникой для многих наук, а изображение явлений стало важной техникой, такой как в виде облаков, водных потоков, а также молекулярной и биологической структуры. Многие алгоритмы объемной визуализации являются дорогостоящими с вычислительной точки зрения и требуют хранения больших объемов данных. Достижения в области аппаратного и программного обеспечения позволяют обобщать объемную визуализацию, а также производительность в реальном времени ".
Развитие веб-технологий и рендеринг в браузере позволили создать простое объемное представление кубоида с изменяющейся системой отсчета для отображения данных об объеме, массе и плотности - инструмент HowMuch , созданный компанией This Equals. [9] [10]
Приложения [ править ]
В этом разделе будет приведена серия примеров того, как научную визуализацию можно применить сегодня. [11]
В естественных науках [ править ]
Звездообразование [12]
Гравитационные волны [13]
Взрывы массивных звездных сверхновых
Молекулярный рендеринг
Звездообразование : представленный график представляет собой объемный график логарифма плотности газа / пыли в моделировании звезды и галактики Энцо. Области с высокой плотностью имеют белый цвет, а менее плотные - более синие и более прозрачные.
Гравитационные волны : исследователи использовали набор инструментов Globus Toolkit, чтобы использовать возможности нескольких суперкомпьютеров для моделирования гравитационных эффектов столкновений черных дыр.
Взрывы массивных звездных сверхновых : на изображении - трехмерные расчеты радиационной гидродинамики взрывов массивных звездных сверхновых. Программа звездной эволюции DJEHUTY использовалась для расчета взрыва модели SN 1987A в трех измерениях.
Молекулярный рендеринг : общие возможности VisIt по построению графиков были использованы для создания молекулярного рендеринга, показанного в представленной визуализации. Исходные данные были взяты из Protein Data Bank и преобразованы в файл VTK перед рендерингом.
В географии и экологии [ править ]
Рендеринг ландшафта
Визуализация климата [14]
Атмосферная аномалия на Таймс-сквер
Визуализация ландшафта : VisIt может читать файлы нескольких форматов, распространенных в области географических информационных систем (ГИС), что позволяет отображать растровые данные, такие как данные ландшафта, в визуализациях. На представленном изображении показан график набора данных DEM, содержащий горные районы недалеко от Дансмюра, Калифорния. Линии отметки добавляются к графику, чтобы помочь очертить изменения отметки.
Моделирование торнадо : Это изображение было создано на основе данных, созданных в результате моделирования торнадо, рассчитанного на вычислительном кластере IBM p690 NCSA. Телевизионные анимации бури в высоком разрешении, снятые в NCSA, были включены в эпизод телесериала PBS NOVA под названием «Охота за супертвистером». Торнадо изображается сферами, окрашенными в зависимости от давления; оранжевые и синие трубки представляют восходящий и падающий воздушный поток вокруг торнадо.
Визуализация климата : эта визуализация отображает углекислый газ из различных источников, которые адвентируются индивидуально как индикаторы в модели атмосферы. Углекислый газ из океана показан в виде шлейфов в феврале 1900 года.
Атмосферная аномалия на Таймс-сквер На изображении визуализированы результаты моделирования атмосферной аномалии на Таймс-сквер и вокруг нее в модели SAMRAI.
По математике [ править ]
Научная визуализация математических структур была предпринята с целью развития интуиции и помощи в формировании ментальных моделей. [15]
Объекты больших размеров можно визуализировать в виде проекций (видов) в более низких измерениях. В частности, четырехмерные объекты визуализируются посредством трехмерной проекции. Проекции низкоразмерных объектов более высоких измерений могут использоваться для манипулирования виртуальными объектами, позволяя манипулировать трехмерными объектами с помощью операций, выполняемых в 2D, [16] и 4D объектах посредством взаимодействий, выполняемых в 3D. [17]
В комплексном анализе функции комплексной плоскости по своей природе четырехмерны, но нет естественной геометрической проекции на визуальные представления более низких измерений. Вместо этого цветовое зрение используется для захвата размерной информации с использованием таких методов, как окраска доменов .
В формальных науках [ править ]
Кривые графики
Аннотации к изображениям
Диаграмма разброса
Компьютерное картографирование топографических поверхностей : с помощью компьютерного картографирования топографических поверхностей математики могут проверить теории о том, как материалы будут меняться при нагрузке. Визуализация является частью работы в лаборатории электронной визуализации при Иллинойсском университете в Чикаго, финансируемой NSF.
Графики кривых : VisIt может строить кривые на основе данных, считанных из файлов, и его можно использовать для извлечения и построения данных кривых из наборов данных более высокой размерности с помощью операторов линейного вывода или запросов. Кривые на представленном изображении соответствуют данным высот вдоль линий, нарисованных на данных DEM, и были созданы с помощью функции построения линий. Lineout позволяет интерактивно рисовать линию, указывающую путь для извлечения данных. Затем полученные данные были построены в виде кривых.
Аннотации к изображениям : представленный график показывает индекс площади листа (LAI), меру глобального растительного вещества, из набора данных NetCDF. Основной график - это большой график внизу, который показывает LAI для всего мира. Графики вверху на самом деле представляют собой аннотации, содержащие изображения, созданные ранее. Аннотации к изображениям могут использоваться для включения материалов, улучшающих визуализацию, таких как вспомогательные графики, изображения экспериментальных данных, логотипы проектов и т. Д.
Scatter участок : Scatter участок ВИЗИТ позволяет визуализировать многомерные данные до четырех измерений. График разброса принимает несколько скалярных переменных и использует их для разных осей в фазовом пространстве. Различные переменные объединяются для формирования координат в фазовом пространстве, и они отображаются с помощью глифов и окрашиваются с помощью другой скалярной переменной.
В прикладных науках [ править ]
Porsche 911 модель
Самолет YF-17 Участок
Рендеринг города
Модель Porsche 911 ( модель NASTRAN): представленный график содержит график сетки модели Porsche 911, импортированный из файла массивов данных NASTRAN. VisIt может читать ограниченное подмножество файлов массивов данных NASTRAN, как правило, достаточно, чтобы импортировать геометрию модели для визуализации.
График самолета YF-17 : На представленном изображении показаны графики набора данных CGNS, представляющего реактивный самолет YF-17. Набор данных состоит из неструктурированной сетки с решением. Изображение было создано с использованием псевдоцветного графика переменной Маха набора данных, графика сетки сетки и векторного графика среза через поле скорости.
Визуализация города : был считан шейп-файл ESRI, содержащий многоугольное описание контуров зданий, а затем многоугольники были преобразованы в прямолинейную сетку, которая была выдавлена в представленный городской пейзаж.
Измерение входящего трафика : это изображение представляет собой визуализацию входящего трафика, измеренного в миллиардах байтов на магистрали NSFNET T1 за сентябрь 1991 года. Диапазон объема трафика изображен от фиолетового (ноль байтов) до белого (100 миллиардов байтов). Он представляет собой данные, собранные Merit Network, Inc. [18]
Организации [ править ]
Важными лабораториями в этой области являются:
- Лаборатория электронной визуализации
- Kitware
- Лос-Аламосская национальная лаборатория
- Подразделение NASA Advanced Supercomputing
- Национальный центр суперкомпьютерных приложений
- Сандийская национальная лаборатория
- Суперкомпьютерный центр Сан-Диего
- Научно-вычислительный и визуальный институт
- Техасский вычислительный центр
Конференции в этой области, ранжированные по значимости для научных исследований в области визуализации, [19] :
- Визуализация IEEE
- СИГГРАФ
- EuroVis
- Конференция по человеческому фактору в вычислительных системах (CHI)
- Еврография
- PacificVis
См. Также: Организации компьютерной графики , Суперкомпьютерные средства
См. Также [ править ]
- Общий
- Архитектура представления данных
- Визуализация данных
- Математическая визуализация
- Молекулярная графика
- Линия трения кожи
- Сонификация
- Тензорный глиф
- Визуальная аналитика
- Публикации
- Транзакции ACM на графике
- IEEE Transactions по визуализации и компьютерной графике
- Журнал SIAM по научным вычислениям
- Справочник по визуализации
- Программного обеспечения
- Амира
- Avizo
- Baudline
- Битовая плоскость
- Датакопия
- Dataplot
- MeVisLab
- Командный язык NCAR
- апельсин
- ParaView
- Tecplot
- томвиз
- ПАРА
- Vis5D
- VisAD
- Посещение
- VTK
- Категория: Бесплатная программа для визуализации данных
Ссылки [ править ]
- ^ Визуализации, созданные с помощью VisIt . на wci.llnl.gov. Обновлено: 8 ноября 2007 г.
- ^ а б в г д Майкл Френдли (2008). «Вехи в истории тематической картографии, статистической графики и визуализации данных» .
- ^ Джеймс Клерк Максвелл и PM Харман (2002), Научные письма и документы Джеймса Клерка Максвелла, Том 3; 1874–1879 , Cambridge University Press, ISBN 0-521-25627-5 , стр. 148.
- ^ Томас G.West (февраль 1999). «Джеймс Клерк Максвелл, работая в мокрой глине» . Информационный бюллетень по компьютерной графике SIGGRAPH . 33 (1): 15–17. DOI : 10.1145 / 563666.563671 .
- ^ Delmarcelle, T; Хесселинк, Л. (1993). «Визуализация тензорных полей второго порядка с гиперпотоками». Компьютерная графика и приложения IEEE . 13 (4): 25–33. DOI : 10.1109 / 38.219447 . hdl : 2060/19950012873 .
- ^ Стивен Строгац (2007). «Конец прозрения». В: В чем ваша опасная идея? Джон Брокман (редактор). HarperCollins.
- ^ "Исследователи проводят крупнейшую военную симуляцию за всю историю" . (новости), Лаборатория реактивного движения , Калтех , декабрь 1997 г.
- ^ Джеймс Дж. Томас и Кристин А. Кук (ред.) (2005). Illuminating the Path: The R&D Agenda for Visual Analytics. Архивировано 29 сентября 2008 г. в Wayback Machine . Национальный центр визуализации и аналитики. стр.30
- ^ a b Лоуренс Дж. Розенблюм (редактор) (1994). Научная визуализация: достижения и проблемы . Академическая пресса.
- ^ «Импорт и визуализация объемных данных» . reference.wolfram.com . Проверено 23 августа 2016 .
- ^ Все примеры, изображения и текст здесь, если не указан другой источник, взяты из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), с веб-сайта LLNL , последнее посещение - 10–11 июля 2008 г.
- ^ Данные, использованные для создания этого изображения, были предоставлены Томом Абелем, доктором философии. и Мэтью Терк из Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли.
- ^ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ COLLISIONS бледного программного обеспечения создатели Ян Фостер, Карл Kesselman и Стив Tuecke. Публикация Лето 2002 г.
- ↑ Изображение любезно предоставлено Форрестом Хоффманом и Джеймисоном Дэниелом из Национальной лаборатории Ок-Ридж.
- ^ Эндрю Дж. Хэнсон , Тамара Мюнзнер , Джордж Фрэнсис: Интерактивные методы визуализируемой геометрии , Компьютер, т. 27, нет. 7. С. 73–83 ( аннотация )
- ↑ Эндрю Дж. Хэнсон : 3D-навигация с ограничениями с помощью 2D-контроллера , Visualization '97., Proceedings, 24 октября 1997 г., стр. 175-182 ( аннотация )
- ^ Хуэй Чжан, Эндрю Дж. Хэнсон : теневой 4D тактильной визуализации , транзакции IEEE по визуализации и компьютерной графике, т. 13, вып. 6. С. 1688-1695 ( аннотация ).
- ↑ Изображение Донны Кокс и Роберта Паттерсона. Пресс-релиз Национального научного фонда 08-112.
- ^ Kosara, Роберт (11 ноября 2013). «Путеводитель по качеству различных мест визуализации» . eagereyes . Проверено 7 апреля 2017 года .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Чарльз Д. Хансен и Кристофер Р. Джонсон (редакторы) (2005). Справочник по визуализации . Эльзевир.
- Брюс Х. Маккормик , Томас А. ДеФанти и Максин Д. Браун (ред.) (1987). Визуализация в научных вычислениях . ACM Press.
- Грегори М. Нильсон, Ханс Хаген и Генрих Мюллер (1997). Научная визуализация: обзоры, методологии и методы . Компьютерное общество IEEE.
- Клиффорд А. Пиковер (редактор) (1994). Границы научной визуализации . Нью-Йорк: John Willey Inc.
- Лоуренс Дж. Розенблюм (редактор) (1994). Научная визуализация: достижения и проблемы . Академическая пресса.
- Уилл Шредер, Кен Мартин, Билл Лоренсен (2003). Инструментарий визуализации . Kitware, Inc.
- Леланд Уилкинсон (2005). Грамматика графики , Springer.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с научной визуализацией . |
- Национальный институт стандартов и технологий. Научные визуализации с обзором приложений.
- Учебники по научной визуализации, Технологический институт Джорджии
- Студия научной визуализации НАСА . Они облегчают научные исследования и разъяснительную работу в рамках программ НАСА посредством визуализации.
- Subunit Studios Студия научной и молекулярной визуализации . Услуги научных иллюстраций и анимации для ученых со стороны ученых.
- scienceviz.com - Научная визуализация, моделирование и компьютерная анимация для университетов, архитекторов и инженеров
