stringtranslate.com

Научная визуализация

Научная визуализация моделирования неустойчивости Рэлея – Тейлора, вызванной смешиванием двух жидкостей. [1]
Рендеринг поверхности пыльцевых зерен Arabidopsis thaliana с помощью конфокального микроскопа .

Научная визуализация ( также называемая научной визуализацией ) — это междисциплинарная отрасль науки , занимающаяся визуализацией научных явлений. [2] Это также считается подмножеством компьютерной графики , раздела информатики. Цель научной визуализации — графически проиллюстрировать научные данные, чтобы ученые могли понять, проиллюстрировать и извлечь информацию из своих данных. Исследования того, как люди читают и неправильно понимают различные типы визуализаций, помогают определить, какие типы и особенности визуализаций наиболее понятны и эффективны для передачи информации. [3] [4]

История

Схема Марша Наполеона , составленная Шарлем Минаром .

Одним из самых ранних примеров трехмерной научной визуализации была термодинамическая поверхность Максвелла , вылепленная из глины в 1874 году Джеймсом Клерком Максвеллом . [5] Это прообраз современных научных методов визуализации, использующих компьютерную графику . [6]

Известные ранние двумерные примеры включают карту потока Марша Наполеона на Москву, созданную Шарлем Жозефом Минаром в 1869 году; [2] «фаты», использованные Флоренс Найтингейл в 1857 году в рамках кампании по улучшению санитарных условий в британской армии; [2] и точечная карта , использованная Джоном Сноу в 1855 году для визуализации вспышки холеры на Брод-стрит . [2]

Методы визуализации данных

Критерии классификации:


Двумерные наборы данных

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 . Двумерные векторные поля визуализируются с помощью глифов и линий тока или методов линейной интегральной свертки . Двумерные тензорные поля часто преобразуются в векторное поле с использованием одного из двух собственных векторов для представления тензора каждой точки поля, а затем визуализируются с использованием методов визуализации векторного поля.

Трехмерные наборы данных

Для скалярных 3D-полей основными методами являются объемная визуализация и изоповерхности . Методы визуализации векторных полей включают глифы (графические значки), такие как стрелки, линии тока и штриховые линии , трассировку частиц, линейную интегральную свертку (LIC) и топологические методы. Позже для визуализации 2D и 3D тензорных полей были разработаны методы визуализации, такие как линии гипертока [7] .

Темы

Проекция максимальной интенсивности (MIP) ПЭТ-сканирования всего тела .
Изображение главного пояса астероидов и троянских астероидов Солнечной системы .
Научная визуализация потока жидкости: поверхностные волны в воде
Химическая визуализация одновременного выброса SF 6 и NH 3 .
Топографическое сканирование поверхности стекла атомно-силовым микроскопом .

Компьютерная анимация

Компьютерная анимация — это искусство, техника и наука создания движущихся изображений с помощью компьютеров . Создание с помощью 3D-компьютерной графики становится все более распространенным , хотя 2D-компьютерная графика по-прежнему широко используется для стилистических целей, с низкой пропускной способностью 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 ( компьютерное изображение или компьютерное изображение), особенно при использовании в фильмах. Приложения включают медицинскую анимацию , которая чаще всего используется в качестве учебного пособия для медицинских работников или их пациентов.

Компьютерное моделирование

Компьютерное моделирование — это компьютерная программа или сеть компьютеров, которая пытается смоделировать абстрактную модель конкретной системы. Компьютерное моделирование стало полезной частью математического моделирования многих природных систем в физике, а также 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. [8] Одновременная визуализация и моделирование системы называется визуализацией.

Компьютерное моделирование варьируется от компьютерных программ, которые выполняются в течение нескольких минут, до сетевых групп компьютеров, работающих часами, до непрерывного моделирования, которое длится месяцами. Масштаб событий, моделируемых с помощью компьютерного моделирования, намного превосходит все возможное (или, возможно, даже вообразимое) с использованием традиционного математического моделирования на бумаге и карандаше : более 10 лет назад симуляция битвы в пустыне, в которой одна сила вторгается в другую, включала в себя 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 США . [9]

Визуализация информации

Визуализация информации — это исследование « визуального представления крупномасштабных коллекций нечисловой информации, такой как файлы и строки кода в программных системах , библиотечных и библиографических базах данных , сетях связей в Интернете и т. д.». [2]

Визуализация информации ориентирована на создание подходов для передачи абстрактной информации интуитивным способом. Визуальные представления и методы взаимодействия используют преимущества широкой пропускной способности человеческого глаза в разум, позволяя пользователям видеть, исследовать и понимать большие объемы информации одновременно. [10] Ключевое различие между научной визуализацией и визуализацией информации заключается в том, что визуализация информации часто применяется к данным, которые не получены в результате научных исследований. Некоторыми примерами являются графические представления данных для бизнеса, правительства, новостей и социальных сетей.

Технология интерфейса и восприятие

Технологии интерфейсов и восприятие показывают, как новые интерфейсы и лучшее понимание основных проблем восприятия создают новые возможности для сообщества научной визуализации. [11]

Рендеринг поверхности

Рендеринг — это процесс создания изображения из модели с помощью компьютерных программ. Модель представляет собой 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 растровое графическое изображение . Этот термин может быть использован по аналогии с «художественной визуализацией» сцены. «Рендеринг» также используется для описания процесса расчета эффектов в файле редактирования видео для получения окончательного видео. Важными методами рендеринга являются:

Рендеринг и растеризация строк сканирования
Представление изображения высокого уровня обязательно содержит элементы в другой области, чем пиксели. Эти элементы называются примитивами. Например, в схематическом рисунке сегменты линий и кривые могут быть примитивами. В графическом интерфейсе пользователя 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, используемого в компьютерных 3D-играх и мультипликационной анимации, где детализация не важна или где более эффективно вручную подделать детали, чтобы получить лучшую производительность на этапе вычислений. Обычно это тот случай, когда необходимо анимировать большое количество кадров. Получающиеся поверхности имеют характерный «плоский» вид, если не использовать никаких дополнительных трюков, как если бы все объекты в сцене были окрашены матовой краской.
Радиосити
Радиосити , также известное как глобальное освещение, — это метод, который пытается имитировать то, как прямо освещенные поверхности действуют как непрямые источники света, освещающие другие поверхности. Это обеспечивает более реалистичное затенение и, кажется, лучше передает « атмосферу » сцены в помещении. Классическим примером является то, как тени «обнимают» углы комнат.
трассировка лучей
Трассировка лучей — это расширение той же техники, которая была разработана для рендеринга строк сканирования и преобразования лучей. Как и они, он хорошо обрабатывает сложные объекты, и объекты можно описать математически. В отличие от строк сканирования и приведения, трассировка лучей почти всегда представляет собой метод Монте-Карло, то есть метод, основанный на усреднении ряда случайно сгенерированных выборок из модели.

Объемный рендеринг

Объемный рендеринг — это метод, используемый для отображения 2D-проекции трехмерного набора данных с дискретной выборкой . Типичный набор 3D-данных представляет собой группу 2D-изображений срезов, полученных с помощью КТ или МРТ- сканера. Обычно они получаются по регулярному шаблону (например, один срез на каждый миллиметр) и обычно имеют регулярное количество пикселей изображения в регулярном шаблоне. Это пример регулярной объемной сетки, в которой каждый элемент объема или воксель представлен одним значением, полученным путем выборки непосредственной области, окружающей воксель.

Объемная визуализация

По словам Розенблюма (1994), «объемная визуализация исследует набор методов, которые позволяют рассматривать объект без математического представления другой поверхности. Первоначально использовавшаяся в медицинской визуализации , объемная визуализация стала важным методом для многих наук, изображение явлений стало важным методом, таким как как облака, потоки воды, а также молекулярная и биологическая структура. Многие алгоритмы объемной визуализации требуют больших вычислительных затрат и требуют хранения больших объемов данных. Достижения в области аппаратного и программного обеспечения обобщают 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. [11]

Приложения

В этом разделе будет приведен ряд примеров того, как научная визуализация может применяться сегодня. [12]

В естественных науках

Звездообразование : представленный график представляет собой объемный график логарифма плотности газа/пыли при моделировании звезды Энцо и галактики. Области с высокой плотностью имеют белый цвет, а области с меньшей плотностью — более синие и более прозрачные.

Гравитационные волны : исследователи использовали Globus Toolkit, чтобы использовать возможности нескольких суперкомпьютеров для моделирования гравитационных эффектов столкновений черных дыр.

Взрывы массивных звездных сверхновых : на изображении трехмерные радиационно-гидродинамические расчеты взрывов массивных звездных сверхновых. Код звездной эволюции DJEHUTY использовался 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 банка данных белков и перед рендерингом преобразованы в файл VTK.

По географии и экологии

Визуализация местности : VisIt может читать несколько форматов файлов, распространенных в области географических информационных систем (ГИС), что позволяет отображать растровые данные, такие как данные местности, в визуализациях. На изображении показан график набора данных DEM, содержащий горные районы недалеко от Дансмюра, Калифорния. Линии высот добавляются на график, чтобы помочь обозначить изменения высот.

Моделирование торнадо : это изображение было создано на основе данных, полученных в результате моделирования торнадо, рассчитанного на вычислительном кластере IBM p690 NCSA. Телевизионные анимации урагана в высоком разрешении, созданные в NCSA, были включены в эпизод телесериала PBS NOVA под названием «Охота на Супертвистер». Торнадо изображается сферами, окрашенными в зависимости от давления; Оранжевые и синие трубки представляют собой восходящий и нисходящий поток воздуха вокруг торнадо.

Визуализация климата : эта визуализация изображает углекислый газ из различных источников, которые переносятся индивидуально в качестве индикаторов 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, полученные с помощью системы SAMRAI.

Вид 4D-куба, проецируемого в 3D: ортогональная проекция (слева) и перспективная проекция (справа).

По математике

Научная визуализация математических структур предпринималась в целях развития интуиции и помощи в формировании мысленных моделей. [16]

Раскраска области f ( x ) =( Икс 2 -1)( Икс -2- я ) 2/х 2 +2+2 я

Объекты более высоких измерений можно визуализировать в виде проекций (видов) в более низких измерениях. В частности, четырехмерные объекты визуализируются посредством проекции в трех измерениях. Проекции более низкомерных объектов более высокой размерности могут использоваться в целях манипулирования виртуальными объектами, позволяя манипулировать трехмерными объектами посредством операций, выполняемых в 2D, [17] и 4D-объектами посредством взаимодействий, выполняемых в 3D. [18]

В комплексном анализе функции комплексной плоскости по своей сути являются четырехмерными, но нет естественной геометрической проекции на визуальные представления более низких измерений. Вместо этого цветовое зрение используется для захвата пространственной информации с использованием таких методов, как раскраска доменов .

В формальных науках

Компьютерное картографирование топографических поверхностей . С помощью компьютерного картографирования топографических поверхностей математики могут проверять теории о том, как материалы будут изменяться под воздействием нагрузки. Изображение является частью работы Лаборатории электронной визуализации, финансируемой NSF, в Университете Иллинойса в Чикаго.

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 о высоте вдоль линий, нарисованных на данных DEM, и были созданы с возможностью выделения объектов. Lineout позволяет интерактивно нарисовать линию, указывающую путь для извлечения данных. Полученные данные затем были представлены в виде кривых.

Аннотации к изображениям : на представленном графике показан индекс площади листьев (LAI), показатель глобального растительного вещества, из набора данных NetCDF. Основной график — это большой график внизу, на котором показан LAI для всего мира. Графики сверху на самом деле представляют собой аннотации, содержащие изображения, созданные ранее. Аннотации к изображениям можно использовать для включения материалов, улучшающих визуализацию, таких как вспомогательные графики, изображения экспериментальных данных, логотипы проектов и т. д.

Точечная диаграмма : Точечная диаграмма VisIt позволяет визуализировать многомерные данные до четырех измерений. График рассеяния принимает несколько скалярных переменных и использует их для разных осей в фазовом пространстве. Различные переменные объединяются для формирования координат в фазовом пространстве, они отображаются с помощью глифов и окрашиваются с использованием другой скалярной переменной.

В прикладных науках

Модель Porsche 911 (модель NASTRAN): представленный график содержит сетчатый график модели Porsche 911, импортированный из файла объемных данных NASTRAN. VisIt может читать ограниченное подмножество файлов объемных данных NASTRAN, чего обычно достаточно для импорта геометрии модели для визуализации.

График самолета YF-17 : на изображении показаны графики набора данных CGNS, представляющие реактивный самолет YF-17. Набор данных состоит из неструктурированной сетки с решением. Изображение было создано с использованием псевдоцветного графика переменной Маха набора данных, сетчатого графика сетки и векторного графика среза поля скорости.

Визуализация города : шейп-файл ESRI, содержащий полигональное описание контуров зданий, был прочитан, а затем полигоны были преобразованы в прямолинейную сетку, которая была вытянута в изображенный городской пейзаж.

Измеренный входящий трафик : это изображение представляет собой исследование визуализации входящего трафика, измеренного в миллиардах байтов на магистральной сети NSFNET T1 за сентябрь 1991 года. Диапазон объема трафика изображен от фиолетового (ноль байтов) до белого (100 миллиардов байтов). Он представляет данные, собранные Merit Network, Inc. [19].

Организации

Важными лабораториями в этой области являются:

Конференции в этой области, ранжированные по значимости в исследованиях научной визуализации, [20] :

См. далее: Организации компьютерной графики , Суперкомпьютерные мощности.

Смотрите также

Общий
Публикации
Программное обеспечение

Рекомендации

  1. ^ Визуализации, созданные с помощью VisIt. на сайте wci.llnl.gov. Обновлено: 8 ноября 2007 г.
  2. ^ abcde Майкл Френдли (2008). «Вехи в истории тематической картографии, статистической графики и визуализации данных».
  3. ↑ Мейсон, Бетси (12 ноября 2019 г.). «Почему ученым нужно лучше разбираться в визуализации данных». Знающий журнал . doi : 10.1146/knowable-110919-1 . S2CID  209062044.{{cite journal}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  4. ^ О'Донохью, Шон И.; Бальди, Бенедетта Фрида; Кларк, Сьюзен Дж.; Дарлинг, Аарон Э.; Хоган, Джеймс М.; Каур, Сандип; Майер-Хейн, Лена; Маккарти, Дэвис Дж.; Мур, Уильям Дж.; Стенау, Эстер; Сведлоу, Джейсон Р.; Вуонг, Дженни; Проктер, Джеймс Б. (20 июля 2018 г.). «Визуализация биомедицинских данных». Ежегодный обзор биомедицинских данных . 1 (1): 275–304. doi : 10.1146/annurev-biodatasci-080917-013424. hdl : 10453/125943 . S2CID  199591321 . Проверено 25 июня 2021 г.
  5. ^ Джеймс Клерк Максвелл и П.М. Харман (2002), Научные письма и статьи Джеймса Клерка Максвелла, Том 3; 1874–1879 , Издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-25627-5 , стр. 148. 
  6. ^ Томас Г.Уэст (февраль 1999 г.). «Образы и развороты: Джеймс Клерк Максвелл работает с влажной глиной». ACM SIGGRAPH Компьютерная графика . 33 (1): 15–17. дои : 10.1145/563666.563671. S2CID  13968486.
  7. ^ Дельмарсель, Т; Хесселинк, Л. (1993). «Визуализация тензорных полей второго порядка с линиями гипертока». IEEE Компьютерная графика и приложения . 13 (4): 25–33. дои : 10.1109/38.219447. hdl : 2060/19950012873 . S2CID  7698377.
  8. ^ Стивен Строгац (2007). «Конец прозрения». В: В чем ваша опасная идея? Джон Брокман (ред.). ХарперКоллинз.
  9. ^ «Исследователи проводят крупнейшую военную симуляцию за всю историю» . (новости), Лаборатория реактивного движения , Калифорнийский технологический институт , декабрь 1997 г.
  10. ^ Джеймс Дж. Томас и Кристин А. Кук (ред.) (2005). Освещая путь: программа исследований и разработок в области визуальной аналитики. Архивировано 29 сентября 2008 г. в Wayback Machine . Национальный центр визуализации и аналитики. стр.30
  11. ^ ab Лоуренс Дж. Розенблюм (ред.) (1994). Научная визуализация: достижения и проблемы . Академическая пресса.
  12. ^ Все примеры изображений и текста здесь, если не указан другой источник, взяты из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) с веб-сайта LLNL, дата обращения 10–11 июля 2008 г.
  13. ^ Данные, использованные для создания этого изображения, были предоставлены доктором философии Томом Абелем. и Мэтью Терк из Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли.
  14. ^ СТОЛКНОВЕНИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР Создатели программного обеспечения Globus Ян Фостер, Карл Кессельман и Стив Туке. Публикация лето 2002 г.
  15. ↑ Изображение предоставлено Форрестом Хоффманом и Джеймисоном Дэниелом из Национальной лаборатории Ок-Ридж.
  16. ^ Эндрю Дж. Хэнсон , Тамара Манцнер , Джордж Фрэнсис: Интерактивные методы для визуализируемой геометрии , Компьютер, том. 27, нет. Т. 7, стр. 73–83 (аннотация)
  17. ^ Эндрю Дж. Хэнсон : Ограниченная 3D-навигация с 2D-контроллером , Визуализация '97., Труды, 24 октября 1997 г., стр. 175-182 (аннотация)
  18. ^ Хуэй Чжан, Эндрю Дж. Хэнсон : 4D-гаптическая визуализация с теневым управлением , Транзакции IEEE по визуализации и компьютерной графике, том. 13, нет. 6, стр. 1688-1695 (аннотация)
  19. ^ Изображение Донны Кокс и Роберта Паттерсона. Пресс-релиз Национального научного фонда 08-112.
  20. ↑ Косара, Роберт (11 ноября 2013 г.). «Руководство по качеству различных площадок визуализации». нетерпеливые глаза . Проверено 7 апреля 2017 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с научной визуализацией .