1、數據可視化技術及其應用摘要:數據可視化是計算機學科的一個重要研究方向。文中簡要介紹了數據可視化所需的技術:數據預處理、映射、顯示以及可視化技術在醫學、氣象預報、工程及數據挖掘中的應用。關鍵詞：數據可視化；計算機圖形學DatavisualizationanditsapplicationsAbstract:Datavisualizationisanimportantresearchareaincomputerscience.lnthispaper,datavisualizationtechnologiesincludingdatapre2treatment,mappinganddisplaying

2、arebrieflyintroduced,anditsapplicationsinmedicine,weatherforecasting,engineeringanddataminingarepresentedalso.Keywords:Datavisualization;Computergraphics1引言隨著科學技術的不斷發展，大量的由計算機產生的中間數據都需要進行可視化處理，以求達到輔助分析、再現客觀的目的?，F代的數據可視化1技術指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術,將數據換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設計、

3、計算機視覺及人機交互技術等多個領域。換句話說,可視化技術是一種計算方法。它將符號描述轉變成幾何描述，從而使研究者能夠觀察到所期望的仿真和計算結果。此外可視化技術提供了將不可見轉化為可見的方法。它豐富了科學發現的過程，促進對未知事物的領悟。近年來，可視化的應用范圍隨著計算機技術、圖形學技術的發展而不斷拓寬，除了繼續在傳統的醫學、航空學、汽車設計、氣象預報和海洋學領域的深入研究外，近年來，隨著互聯網絡技術和電子商務的發展，信息可視化已經成為可視化技術的熱點研究內容。應用可視化技術，可以在具有大量高維信息的金融、通信和商業領域中發現各自數據中所隱含的內在規律，從而為決策提供依據。事實上，可視化技術已

4、經成為許多領域必不可少的計算機輔助后置數據處理部分1IntroductionWiththedevelopmentofscienceandtechnology,computergeneratedlargeamountsofintermediatedataarerequiredforvisualprocessing,inordertoachievethecomputer-aidedanalysis,reproductionoftheobjectivepurpose.Datavisualizationofmodern1technologyreferstotheuseofcomputergraphic

5、sandimageprocessingtechnology,thedataintothegraphicsorimagesdisplayedonthescreen,andthetheory,methodandtechnologyofinteractiveprocessing.Itinvolvesmanyfieldsofcomputergraphics,imageprocessing,computeraideddesign,computervisionandhuman-computerinteractiontechnology.Inotherwords,thevisualizationtechno

6、logyisakindofcalculationmethod.Itwillbethesymboldescriptionintoageometriedescription,simulationandcalculationresultssothatresearcherscanobservethedesired.Inaddition,visualizationtechnologyprovidestheinvisibleintothevisiblemethod.Itisrichintheprocessofscientificresearch,promotionoftheunknown.Inrecent

7、years,thescopeofapplicationofvisualizationofexpandingwiththedevelopmentofcomputertechnology,computergraphicstechnology,besidesthefurtherstudyintraditionalmedicine,aviation,automobiledesign,meteorologicalandoceanographicfield,inrecentyears,withthedevelopmentofInternettechnologyande-commerce,informati

8、onvisualizationhasbecomeahotspotofresearchcontentsofvisualizationtechnologythe.Theapplicationofvisualizationtechnology,canfindtheinherentrulesimpliedintheirdatainwhichalargenumberofhighdimensionalinformationoffinancial,communicationsandbusinessfields,soastoprovidethebasisfordecisionmaking.Infact,the

9、visualizationtechnologyhasbecomeessentialtomanyapplicationsofcomputeraideddatapostprocessingpartofthe2數據可視化技術用于創建和操作的可視化技術由數據集合生成的圖形描述。有些可視化技術是針對某些特別的應用開發的，而另一些技術具有普遍的適用性。這一部分主要針對通用的可視化技術。此外，可視化技術涵蓋范圍較廣，這里只將可視化技術按一般可視化所必需的過程劃分為“數據預處理”、“映射”、“繪制”和“顯示”四步。2datavisualizationtechnologyUsedinthevisualizati

10、ontechnologytocreateandmanipulatedescribedbythedatasetgeneratedgraph.Somevisualizationtechnologyisdevelopedforsomespecialapplication,andsomeothertechniqueshavegeneralapplicability.Thispartmainlyaimedatthevisualizationtechnologyofgeneral.Inaddition,thevisualizationtechnologycoversawiderange,hereonlyt

11、hevisualizationtechnologyisnecessaryaccordingtothevisualizationprocessintodataprocessing,map,drawingand"show"thefourstep.2.1數據預處理可視化模塊輸入來自計算機的模擬數據和實驗/測量數據,此外還包括數據庫中數據的調用?？梢暬幚淼膶ο蟀ā胺枴?、“結構”、“圖像”與“信號”。原始的符號、結構、圖像與信號等對象的生成與獲取是從事科學與工程計算和實驗的科學家或工程師的任務。如何將這些數據變換成可視的圖形（圖像）信息，則是從事科學計算可視化應用的科學家和工程

12、師的任務。他們與從事基礎研究或工程研究的科學家們相結合，運用可視化工具，實現并完成將不可見的對象變換成可見圖像的過程。通常對這些原始數據的處理應包括以下兩個方面：（1）原始數據預處理及存儲通常用于可視化的原始數據預處理部分要涉及到以下的操作：1）數據格式及其標準化；2）數據變換技術；3）數據壓縮和解壓縮。1）經過上述處理的數據可能會具有較大的數據容量。通常要采用標準化的數據交換格式存儲。美國國家超級計算中心的NASA等單位研究提出的科學數據存儲和交換格式/結構，如HDF、CDF和NetCDF等。這些數據格式通常具有自描述的特性易于存儲和讀取，被廣泛用于海洋、氣象環境模式計算以及大規模數值計算等

13、方面。2）（2）面向可視化方法的數據處理針對不同的可視化方法和內容，需要對原始數據做進一步的變換處理，以滿足可視化要求。例如，對于醫學圖像的三維重建，就需要對原始CT圖像序列進行三維的濾波、重采樣、三維圖像分割與邊緣檢測等預處理。對原始數據進行變換處理的操作主要包括：1）數據規范化處理；2) 濾波處理；3)平滑處理;4)網格重新劃分;5)坐標變換;6)幾何變換;7)線性變換;8)分割與邊緣檢測;9)特征檢測、增強和提取;10)查色表操縱和特征映射等等。2.1 datapreprocessingThevisualizationmoduleinputSimulationdataandexperim

14、entai/fromcomputermeasurementdata,inadditiontothedatainthedatabasecall.Visualprocessingofobjectsincluding"symbol","structure","image"and"signal".Withtheacquisitionoftheoriginalsymbol,structure,imageandsignaloftheobjectisengagedinscientificandengineeringcalcula

15、tionandexperimentaiscientistorengineertask.Howthesedatawillbetransformedintovisualgraphic(image)information,isengagedinthevisualizationapplicationscientistsandengineersthetaskofscience.Theyarecombinedwiththescientistsengagedinbasicresearchorengineering,usingvisualizationtools,implementationandcomple

16、tionwillnotvisibleobjectistransformedintoavisibleimageprocess.Commontotheseoriginaldataprocessingshouldincludethefollowingtwoaspects:(1) thedataprocessingandstorageUsuallyusedforthepre-processingoftheoriginaldatapartvisualizationinvolvesthefollowingoperations:1)dataformatanditsstandardization;Datatr

17、ansformationtechnology;3) datacompressionanddecompression.Aftertheaboveprocessingdatamayhasalargedatacapacity.Usuallyuseastandarddataexchangeformat.ScientificdatastorageUSANationalSupercomputingCenterinNASAunitofandexchangeformat/structure,suchasHDF,CDFandNetCDFetc.Thesedataformatisusuallyhasthechar

18、acteristicsofselfdescription,easytostoreandread,iswidelyusedinmarine,meteorologicalcomputingenvironmentmodelandlarge-scalenumericalcalculations.(2) forthevisualizationofdataprocessingThevisualizationmethodsandcontentofdifferent,needtotransformafurthertreatmentoftheoriginaldata,tomeetthevisualrequire

19、ments.Forexample,forthe3Dreconstruetionofmedicalimage,need,resampling,3Dimagesegmentationandedgedetectionpreprocessingof3DfilteringoftheoriginalCTimagesequence.Transformtheoperationoftheoriginaldatamainlyincludes:1) standardizeddataprocessing;2) filtering;smoothing;3)4)5)remeshing;coordinatetransfor

20、mation;geometrietransformation;6)7)lineartransform;8)segmentationandedgedetection;9)featuredetection,enhancementandextraction;10)colorlook-uptablemanipulationandfeaturemappingetc.2.2映射映射模塊是完成將數值數據轉變成幾何數據的功能，因此映射功能實質上完成的是數據建模功能，是可視化技術的核心?？梢暬幚淼臄祿愋碗S著應用領域的不同而不同因此對不同類型的應用數據應采用不同的映射技術。一些常見的方法如：(1) 應用圖形中

21、可識別的變量來驗證維數的基數。(2) 使用縮放比例和偏移量匹配數值范圍。(3)使用衍生值(殘差、logs)來強調變化。使用投影來壓縮信息、獲得統計量。(5)使用隨機抖動來區分重疊。(6)使用多視圖來處理隱藏關系高維信息。(7)使用有效的網格關鍵字或標簽來幫助理解2.2 mappingMappingmoduleistocompletethenumericaldataintogeometriedata,sothemappingfunctionisessentiallycompletedatamodelingcapabilities,isthecoreofvisualizationtechnolog

22、y.Visualizationofdatatypeswiththeapplicationisdifferent,sotheapplicationdataofdifferenttypesshouldadoptdifferentmappingtechnique.Somecommonmethodssuchas:Variablescanbeidentifiedusinggraphicstovalidatethedimensionofthebase.(2)thematchingnumericalrangeusingthescalingandoffset.(3)usingthederivedvalue(r

23、esidual,logs)toemphasizethechanges.(4)usingtheprojectiontocompressinformation,toobtainstatistics.(5)usingrandomjittertodistinguishoverlapping.(6)theuseofmultiviewtodealwithhighdimensionalinformationhiddenrelationships.(7)theuseofeffectivemeshkeywordsortagstohelpunderstand2.3繪制繪制功能應完成將幾何數據轉換成圖像的過程，計算

24、機圖形學中真實感成像包括兩部分：物體的精確圖形表示;場景中光照效果的適當物理描述。物體的精確圖形表示包括幾何體建模技術、掃描轉換技術、反走樣技術、隱藏面消除技術。一個完整精確的圖形描述通常需要綜合應用這些技術，同時，還要考慮用戶對圖形表示的需要，不能把圖形模型建得過于簡單，也不能過于復雜。光照效果包括光的反射、透明性、表面紋理和陰影。光照效果由描述物體表面各點光強的光照模型來表示，為可見物體建立光照效果模型是一個非常復雜的過程。大多數軟件都采用由物體表面光強度的物理公式推導出來的簡化光照模型。2.3 drawingDrawingfunctionshouldcompletethegeometri

25、edataintoimageprocess,computergraphics,realisticimageincludestwoparts:saidaccurategraphicobject;describetheappropriatephysicallighteffectsofthescene.Precisiongraphicsobjectrepresentationsincludinggeometrymodelingtechnology,scanconversion,antialiasing,hiddensurfaceremovaltechnology.Acompleteandaccura

26、tedescriptionofthegraphicsusuallyrequirestheintegratedapplicationofthesetechniques,atthesametime,butalsoconsidertheneedsofuserstographically,notthegraphicsmodelistoosimple,cannotbetoocomplex.Thelighteffectincludingthereflectionoflight,transparency,surfacetextureandshading.Thelighteffectbydescribinga

27、nobjectpointsonthesurfaceofthelightintensityofilluminationmodeltorepresent,establishedasavisibleobjectilluminationmodelisaverycomplexprocess.Mostsoftwareusedbytheopticalsurfacestrengthofthesimplifiedformuladerivedphysicalilluminationmodel.2.4顯示顯示模塊的功能是將繪制模塊生成的圖像數據，按用戶指定的要求進行輸出。顯示模塊類似于圖形用戶界面(GUI)技術，其

28、對應的軟件層提供各種設備的驅動程序。顯示模塊除了完成圖像信息輸出功能外,用戶的反饋信息也是通過顯示模塊傳送到其它軟件層中，以實現人機交互。人機交互是可視化的一項重要指標，許多可視化要求實現動態調整映射關系，通過改變視圖遍歷數據，視圖縮放等操作。2.4 displayThedisplaymoduleisthefunctionofimagedatawillberenderingmodule,outputaccordingtouserspecifiedrequirements.Thedisplaymoduleissimilartothegraphicaluserinterface(GUI)techn

29、ology,thecorrespondingsoftwarelayerprovidesallkindsofdriverequipment.Displaymoduleinadditiontocompletingtheimageinformationoutputfunction,theuserfeedbackinformationisthroughthedisplaymoduletotheothersoftwarelayer,inordertoachievehuman-computerinteraction.Humancomputerinteractionisanimportantindexfor

30、visualization,dynamicadjustmentmappingrequiresalotofvisualization,bychangingtheviewthroughadata,viewzoom.Thederivedformulassimplifiedilluminationmodel.3數據可視化的應用3.1醫學可視化技術已廣泛應用于診斷醫學、整形與假肢外科中的手術規劃與輻射治療規劃等方面。在以上應用中核心技術是將過去看不見的人體器官能以二維圖像形式顯示出來或重建它們的三維模型。由于三維醫學圖像構模涉及的數據量大、體元構造算法復雜、運算量大因此至今仍是醫學圖像可視化技術中的瓶頸

31、所在。在這一領域中圖像處理技術占主流而計算機視覺與圖形學則在整形外科的手術中起主要作用。圖1為腦部核磁共振圖像序列重構的三維腦部圖像。此類三維圖像將有助于醫生決定是否需要外科手術，應用何種方法和需要何種硬件工具的問題。目前在醫學可視化領域主要包含三方面的研究熱點:圖像分割技術、實時渲染技術和多重數據集合的圖像標定技術。這些技術的發展將進一步促進可視化技術在醫學技術中的推廣。3.2氣象預報氣象預報中涉及到大量的可視化內容，從普通的云圖到中尺度數值預報。大量的氣象觀測數據都必須經過可視化后再向用戶提供信息。一方面,可視化可將大量的數據轉換為圖像，在屏幕上顯示出某一時刻的等壓面、等溫面、漩渦、云層的

32、位置及運動、暴雨區的位置及其強度、風力的大小及方向等，使預報人員能對未來的天氣作出準確的分析和預測。另一方面,根據全球的氣象監測數據和計算結果，可將不同時期全球的氣溫分布、氣壓分布、雨量分布及風力風向等以圖像形式表示出來，從而對全球的氣象情況及其變化趨勢進行研究和預測。圖2為三維空間里的風暴前鋒模型。圖中描述了冷暖鋒面及鋒面相交時的壓力場分布。Applicationof3datavisualizationThe3.1medicineOperationplanningandradiationtreatmentplanning,visualizationtechnologyhasbeenwidel

33、yusedinmedicaldiagnosis,plasticandartificiallimbsurgery.Thecoretechnologyintheaboveapplicationsistheinvisiblehumanorganstotwo-dimensionalimageordisplayof3Dmodelsandtheir.The3Dmedicalimagemodelinginvolvesalargeamountofdata,bodystructurecomplexity,largeamountofcomputation,soitisstillmedicalimagevisual

34、izationtechnologybottleneck.Inthefieldofimageprocessingtechnologyinthemainstream,andcomputervisionandgraphicsintheorthopaedicoperationplaysamajorrolein.Figure1isathree-dimensionalimagesofthebrainmagneticresonanceimagesequencereconstruetion.Thethree-dimensionalimagewillhelpdoctorsdecidewhethertoneeds

35、urgicaloperation,andwhatmethodsandproblemsneedwhatkindofhardwaretools.Atpresentinthemedicalresearchfocusmainlyincludesthreeaspects:imagesegmentationimagetechnology,real-timerenderingtechnologyandmultipledatasetsofcalibrationtechnology.Thedevelopmentofthesetechnologieswillfurtherpromotethevisualizati

36、ontechnologyinmedicaltechnology.3.2weatherforecastRelatedtothevisualcontentofalotofweatherforecast,fromordinaryimagestomesoscalenumericalweatherprediction.Meteorologicalobservationdatamustbeapprovedbythevisualizationtoprovideinformationtotheuser.Ontheonehand,visualizationcanbealotofdataintoimage,sho

37、wingthepositionofisobariconetime,isothermalsurface,vortex,cloudsandmotion,rainfallareaandintensity,thesizeofthewindandthedirectiononthescreen,theforecastertomakeanalysisandpredictionoffutureweather.Ontheotherhand,accordingtotheglobalweathermonitoringdataandcalculationresults,thedifferentperiodsofglo

38、baltemperaturedistribution,pressuredistribution,distributionofrainfallandthedirectionofthewindintheformofimagerepresentation,researchandforecasttheglobalweathersituationandtrend.Figure2isthestormstrikermodelinthree-dimensionalspace.Figuredescribesthecoldfrontandthefrontintersectionwhenthepressurefie

39、lddistribution.3.3工程可視化在工程中有著廣泛的應用，這里僅就其在計算流體力學中的應用為例進行說明。計算流體力學(CFD)就是求解流體偏微分方程，即Navier2Stokes方程的數值解，這些方程式是航空學、汽車設計、氣象預報和海洋學等應用研究的核心，也是理解流體動力學的基礎。計算流體力學領域的主要研究方向可分為科學計算（求解算法）與可視化（描述復雜矢量場技術）兩部分，其主要目的是對流體運動的仿真。隨著超級計算機的應用，計算流體力學仿真的精度和復雜性提高很快，例如目前已可對復雜幾何形狀的三維Navier2Stokes流進行仿真。在流場計算的一般過程中，可視化技術起著十分重要的作

40、用。首先，可視化技術提供交互設計手段以方便與加快物體的定義過程，研究人員可直觀地校驗物體各部分的幾何尺寸大小、部件間是否留有縫隙、物體表面是否光滑等。其次，在對計算區域進行網格剖分時，可視化技術能把生成的網格顯示出來，以便讓研究人員檢驗并及時調整和伸縮網格線，使之形成合理的空間分布。最后，在計算和對計算結果的分析過程中，可視化技術的作用更大。它利用計算機圖形學所提供的各種方法描述流場中的各種物理量的分布情況，如壓力、密度等標量和速度等矢量(如圖3所示)，并用不同顏色的等值線(面)或不同深淺的同種顏色填充網格來表示標量的數值差別，以帶箭頭的線段來描繪矢量的方向，對沖擊波、渦流、駐點等各種流場結構

41、，也可用計算機圖形學提供的方法進行描繪。而且，可視化技術實時交互地變化畫面大小并提供動態顯示，以使分析者看清流場中各種現象的細節并作進一步分析。3.3EngineeringVisualizationiswidelyusedinengineering，hereonlyforitsapplicationincomputationalfluiddynamicsasanexample.Computationalfluiddynamics(CFD)isthesolutionoffluidpartialdifferentialequation,namelythenumericalsolutionsofth

42、eNavier2Stokesequation,theequationisthecoreapplicationofAeronautics,automotivedesign,meteorologicalandoceanography,butalsothebasisfortheunderstandingoffluiddynamics.Themainresearchdirectionofthefieldofcomputationalfluiddynamicscanbecalculatedintoscientific(algorithm)andvisual(describethecomplexvecto

43、rfield)thetwopart,itisthemainpurposeofthefluidMotionsimulation.Withtheapplicationofsupercomputer,precisionandcomplexityofcomputationalfluiddynamicssimulationtoimprovesoon,forexample,hasthecomplexThreedimensionalgeometryofNavier2Stokesflowsimulation.Thegeneralprocessflowcalculation,visualizationtechn

44、iquesplayaveryimportantrole.Firstofall,thevisualizationtechnologytoprovideinteractivedesignmeanstofacilitateandacceleratetheprocessofobjectdefinition,researcherscanintuitivelythecheckthegeometrysize,whetherthereisagapbetweerparts,theobjectsurfaceissmooth.Secondly,intheregionisdividedintogrid,visuali

45、zationtechnologycanmakethemeshgenerationanddisplay,inordertoallowresearcherstotestandadjustandtelescopicgridlines,toformareasonabledistributionofspace.Finally,inthecourseofcalculationandAnalysisonthecalculationresults,thevisualizationtechnologyhasmoreinfluenceon.ItusesavarietyofmethodsofcomputergraphicsprovidesadescriptionofvariousphysicalquantitiesintheflowfieldofCloth,suchaspressure,densityandvelocityscalarvector(asshowninFigure3),andthecontoursofdifferentcolors(surface)orvaryingshadeofthesameco