Videnskabelig visualisering er en tværfaglig gren af videnskaben . Ifølge Friendly "beskæftiger det sig hovedsageligt med visualisering af tredimensionelle fænomener (arkitektoniske, meteorologiske, medicinske, biologiske data og så videre), med vægt på den realistiske afbildning af volumener, overflader, lyskilder og så videre. på, måske i dynamik (i tid)" [2] . Videnskabelig visualisering betragter også en delmængde af computergrafikteknikker , en gren af datalogi . Formålet med videnskabelig visualisering er at illustrere videnskabelige data grafisk, så forskere kan forstå, se og få indsigt i dataene.
Et af de tidligste eksempler på 3D videnskabelig visualisering var Maxwell termodynamiske overflade lavet af ler i 1874 af James Clerk Maxwell [3] . Det var prototypen på den moderne videnskabelige billedbehandlingsteknik, der bruger computergrafik [4] .
Bemærkelsesværdige tidlige 2D-eksempler inkluderer kortet fra 1869 over Napoleons fremrykning mod Moskva af Charles Joseph Minard [2] . Florence Nightingale brugte søkort, hun kaldte "coxcombs" (hanekam) i 1857 som en del af en kampagne for at forbedre sanitet i den britiske hær [2] . John Snow i 1855 brugte et prikfordelingskort til at visualisere et koleraudbrud i Broad Street [2] .
Videnskabelig visualisering ved hjælp af computergrafik har vundet popularitet som ret moden. De vigtigste applikationer var skalar- og vektorfelter fra computersimuleringer og eksperimentelle data. De vigtigste metoder til visualisering af todimensionelle (2D) skalarfelter er farvegengivelse og konturlinjetegning . 2D vektorfelter gengives ved hjælp af glyffer og strømlinjer eller Linear Integral Convolution (LIC) metoder. 2D-tensorfelter konverteres ofte til et vektorfelt ved hjælp af en af to egenvektorer til at repræsentere hvert punkt i feltet, og gengives derefter ved hjælp af vektorfeltrenderere.
For 3D-skalarfelter er hovedmetoden volumetrisk gengivelse og jævne overflader . Metoder til visualisering af vektorfelter omfatter glyffer (grafiske ikoner) såsom pile, strømlinjer og spor , partikelsporing, lineær integral foldning (LIC) og topologiske metoder. For nylig er der blevet udviklet metoder til visualisering af 2D- og 3D-tensorfelter, såsom hyperstreamlines [5] .
Computeranimation er kunsten, teknikken og videnskaben til at skabe levende billeder ved hjælp af computere . Det bliver mere og mere almindeligt gennem skabelsen af 3D computergrafik , selvom 2D computergrafik forbliver meget udbredt til stilistiske, mindre dataintensive eller hurtigere realtidsgengivelsesbehov Nogle gange er animationens målenhed selve computeren, men nogle gange andre medier , såsom film . Sådan animation omtales som CGI ( Computergenereret billede ), især når det bruges i film. Applikationen er medicinsk animation , som oftest bruges som undervisningsværktøj for medicinsk personale eller patienter.
En computersimulering er et computerprogram eller netværk af computere, der forsøger at modellere en abstrakt model af et bestemt system. Computermodellering er blevet en nyttig del af den matematiske modellering af mange naturlige systemer inden for fysik og beregningsfysik, kemi og biologi, menneskelige systemer inden for økonomi, psykologi og sociologi, i designprocessen og nye teknologier for at forstå, hvordan disse systemer fungerer, eller at observere deres adfærd [6] .
Computersimuleringer spænder fra individuelle computerprogrammer, der kører i et par minutter, grupper af computere på et netværk, der kører i timevis, til løbende simuleringer, der kører i flere måneder. Omfanget af computersimulerede begivenheder overstiger langt enhver mulig (eller endda enhver mentalt tænkelig) brug af traditionel matematisk modellering med en blyant i hånden - for ti år siden købte adskillige US Department of Defense under High Performance Computer Modernization Program [7] .
Informationsvisualisering er studiet af "den visuelle repræsentation af store sæt af ikke - digital information, såsom filer og kodelinjer i softwaresystemer , biblioteker og biobliografiske databaser , internetforbindelser og så videre" [2] .
Informationsvisualisering fokuserer på at skabe tilgange til at levere abstrakt information på en intuitiv måde. Visuel præsentation og interaktive teknikker udnytter det menneskelige øjes båndbredde til hjernen, hvilket giver brugerne mulighed for at se, udforske og forstå en stor mængde information på én gang [8] . Den vigtigste forskel mellem videnskabelig visualisering og informationsvisualisering er, at informationsvisualisering ofte anvendes på data, der ikke er genereret af videnskabelig søgning. Nogle eksempler er grafisk præsentation af data for erhvervslivet, regeringen, nyheder og sociale medier.
Interface and Perception Technology viser, hvordan nye grænseflader og en bedre forståelse af perceptuelle problemer skaber nye muligheder for videnskabelig visualisering [9] .
Gengivelse er processen med at få et billede fra en model ved hjælp af et computerprogram. En model er en beskrivelse af tredimensionelle objekter i et strengt defineret sprog eller datastruktur. Det kan indeholde geometri, synspunkt, tekstur , belysning og skygge . Et billede er et digitalt billede eller bitmap-grafik af et billede . Udtrykket kan være en analogi til en kunstners skildring af en scene. Udtrykket "gengivelse" kan bruges til at beskrive processen med at beregne effekter på en videofil for at producere den endelige video. De vigtige typer gengivelse er:
-linje-gengivelse og rasterisering Højniveaurepræsentationen af et billede indeholder nødvendigvis elementer i forskellige områder, bestående af pixels. Disse elementer kaldes primitiver. I skematisk tegning kan for eksempel linjestykker og kurver være primitive. I en grafisk brugergrænseflade kan vinduer og knapper være primitive. I et 3D-billede kan primitiver være trekanter og polygoner i rummet. Ray casting metode Strålestøbning bruges hovedsageligt i realtidsmodellering, såsom i 3D computerspil og animation, hvor detaljerne ikke er så vigtige, eller i områder, hvor manuel udskiftning af dele er mere effektiv for bedre ydeevne. Dette sker normalt, når animation er nødvendig for et stort antal billeder. De resulterende overflader fremstår "flade", hvis der ikke bruges andre ekstra tricks, som om alle overflader var matte. Lysstyrke Luminosity , også kendt som global belysning , er en teknik, der forsøger at modellere de måder, hvorpå direkte belyste overflader fungerer som sekundære lyskilder, der belyser andre overflader. Dette giver mere realistisk skygge og giver en bedre opfattelse af "miljøet" . Et klassisk eksempel er måden at skygge hjørnerne af værelser på. Strålesporing Strålesporing er en udvidelse af en teknik udviklet til linjegengivelse og strålestøbning. Ligesom dem håndterer metoden komplekse objekter godt, og objekter kan beskrives matematisk. I modsætning til linjegengivelse og strålestøbning involverer strålesporing næsten altid en Monte Carlo -teknik , som er baseret på gennemsnittet af tilfældigt genererede modelprøver.Volumetrisk gengivelse er en teknik, der bruges til at vise en 2D-projektion af 3D diskret samplede data . Et typisk 3D-datasæt er en gruppe af 2D-skiver opnået ved hjælp af enten CT eller MRI . De kommer normalt i gentagne mønstre (f.eks. en skive hver millimeter) og har normalt et konstant antal pixels i et billede med et regulært mønster. Dette er et eksempel på et regulært volumetrisk gitter, hvor hvert element, eller voxel , repræsenterer en enkelt værdi, opnået ved at se på området omkring voxelen.
Ifølge Rosenblum (1994) "udforsker volumetrisk billeddannelse et sæt teknikker, der gør det muligt at se et objekt uden en matematisk repræsentation af overfladen. Oprindeligt brugt i medicinsk billeddannelse , er volumetrisk billeddannelse blevet en almindelig teknik for mange videnskabelige discipliner, der viser fænomener som skyer, vandstrømning, molekylære og biologiske strukturer. Mange volumetriske billedbehandlingsalgoritmer er beregningsmæssigt dyre og kræver et stort datavarehus. Udviklingen af computerhardware og -software øger størrelsen af visualiseringsobjekter og hastigheden på realtidsbehandling."
Teknikudvikling baseret på webteknologier og gengivelse på browsersiden tillader en simpel volumetrisk repræsentation af en kuboid med en rammeændring for at vise datavolumen, masse og tæthed - HowMuch- værktøjet , skabt af This Equals [9] [10]
Dette afsnit giver en række eksempler på, hvordan videnskabelig visualisering kan anvendes i dag [11] .
Stjernedannelse : Billedet er en volumetrisk repræsentation af den logaritmiske tæthed af gas/støv i Enzo-stjerne- og galaksesimuleringspakken. Områder med høj tæthed er repræsenteret i hvidt, mens mindre tætte områder er repræsenteret i blåt.
Gravitationsbølger : Forskerne brugte Globus Toolkit, den kombinerede kraft fra flere supercomputere, til at simulere gravitationseffekterne af en sort hul-kollision.
Supernovaeksplosioner : Figuren viser en 3D-beregning af strålingshydrodynamik i eksplosionen af en massiv massiv supernova . Koden til DJEHUTY-stjerneudviklingspagten blev brugt til at beregne en model af eksplosionen af stjernen SN 1987A i det tredimensionelle rum.
Molekylær visualisering : For at skabe et billede af et molekyle blev hovedfunktionerne i programmet VisIt brugt . Rådata blev taget fra proteindatabanken og konverteret til en VTK-fil før visualisering.
Landskabsgengivelse
Klimavisualisering [14]
Atmosfærisk anomali på Times Square
Landskabsvisualisering : Programmet VisIt kan læse nogle af de filformater, der almindeligvis bruges igeografiske informationssystemer(GIS), som tillader brugen af rasterdata, såsom terrænoplysninger, til visualisering. Billedet viser et plot af et DEM-datasæt, der indeholder information om højlandet nær Dunsmuir (Dunsmuir, CA). Konturer (isohypser, linjer med samme højde over havets overflade) tilføjes til grafen for at afspejle ændringer i højden.
Tornado-simulering : Billede skabt ud fra tornadosimuleringsdata på NCSA's IBM p690-computerklynge. En high-definition tv-animation af stormen fra NCSA blev inkluderet i NOVA-afsnittet af PBS tv-serien med titlen "Hunt for the Supertwister". Tornadoen er vist som kugler, som er farvet efter tryk - de orange og blå rør repræsenterer de stigende og faldende luftstrømme omkring tornadoen.
Klimavisualisering : Denne visualisering viser kuldioxid (kuldioxid) fra forskellige kilder, der transporteres ved konvektion. Kuldioxid fra havet vises som jetfly i februar 1900.
Times Square Atmospheric Anomaly : Billedet viser resultatet af en SAMRAI-simulering af en atmosfærisk anomali i og omkring Times Square.
Videnskabelig visualisering af matematiske strukturer blev udført for at skubbe intuitionen til at bygge mentale modeller [15] .
Højdimensionelle objekter kan gengives som projektioner til lavere dimensioner. Især 4D-objekter gengives som projektioner i 3D-rum. Projektioner af højdimensionelle objekter i lavere dimensioner kan bruges til virtuel manipulation af objekter, hvilket giver dig mulighed for at arbejde med 3D-objekter ved operationer i 2D [16] og arbejde med 4D-objekter ved operationer i tredimensionelt rum [17] .
Kurve plots
Billede abstrakt
scatter plot
Computerkortlægning af topografiske overflader : Gennem computerkortlægning af topografiske overflader kan matematikere teste teorier om, hvordan materialer ændrer sig under stress. Billedet er en del af arbejdet i National Science Foundations Electronic Imaging Laboratory ved University of Illinois i Chicago .
Kurveplot : VisIt kan plotte kurver for data læst fra filer. Programmet kan bruges til at udtrække og vise kurver for data fra multidimensionelle datasæt ved hjælp af "lineout"-sætninger eller forespørgsler. Kurverne i billedet svarer til konturlinjerne ( isohypser ) af dataene, skabt med "lineout"-kapaciteten. "Lineout" giver dig mulighed for interaktivt at tegne en linje, der definerer stien, langs hvilken dataene samples. De valgte data blev derefter plottet på kurverne.
Billedannotering : Billedet viser Leaf Area Index (LAI), et mål for global vegetation fra NetCDF-data. Hovedbilledet er det store billede nederst, der viser LAI for hele verden. Grafen ovenfor er en annotation, der indeholder tidligere opnåede billeder. Billedannotering kan bruges til at inkludere materiale, der forbedrer visualiseringen af understøttende plots, eksperimentelle data, varemærke osv.
VisitIts "Scatterplot"-funktion tillader visualisering af multidimensionelle data op til fire dimensioner. Scatterplotten tager flere skalarvariable og bruger dem som forskellige akser i faserummet . De forskellige variable kombineres for at danne glyph-koordinaterne i faserummet, og glyfferne er farvet af værdien af en anden skalarvariabel.
Model Porsche 911
Billede af flyet YF-17
Visualisering af byen
Porsche 911-model (NASTRAN): Figuren indeholder et gitterplot af Porsche 911-modellen fra NASTRAN-datasættet. VisIt kan læse en begrænset delmængde af NASTRAN-formatdata, generelt tilstrækkeligt til geometriimport og visualisering.
YF-17 fly Plot : Figuren viser en repræsentation af CGNS data for YF-17 flyet. Dataene indeholder et ustruktureret gitter med en løsning. Tegningen blev lavet ved hjælp af pseudofarveplot af hastighedsdata ( Mach-nummer ), et netværksgitter og et vektorplot af skæring gennem hastighedsfeltet.
Byvisualisering : En ESRI- formfil indeholdende beskrivelser af bygninger som polygoner blev læst ind, og derefter blev polygonerne tegnet i et rektangulært gitter, der dannede bybilledet.
Måling af indgående trafik: Brugt til at visualisere indgående trafik i milliarder af bytes på NSFNET T1-rygraden i september 1991. Trafikvolumen er vist fra lilla (nul bytes) til hvid (100 milliarder bytes). Grafen repræsenterer Merit Network, Inc. data [18]
Fremtrædende laboratorier, der arbejder på dette område:
Konferencer ordnet efter betydning inden for videnskabelig visualisering [19] :
| Amira | Avizo |
| Baudline | Bitplane |
| Datacopia | Dataplot |
| DataMelt | MeVisLab |
| NCAR kommandosprog | Orange |
| paraview | Tecplot |
| tomviz | DAMP |
| Vis5D | VisAD |
| Besøg | VTK |
| Visualisering af teknisk information | |
|---|---|
| Områder |
|
| Billedtyper _ |
|
| Personligheder |
|
| Beslægtede områder |
|
