Научная визуализация

Чтобы узнать о математической визуализации, см. «Математическая визуализация» .

Научная визуализация моделирования неустойчивости Рэлея-Тейлора, вызванной смешиванием двух жидкостей.

Рендеринг поверхности Arabidopsis thaliana пыльцевых зерен с помощью конфокального микроскопа .

Научная визуализация ( также называемая научной визуализацией ) — это междисциплинарная отрасль науки, занимающаяся визуализацией научных явлений. Это также считается подмножеством компьютерной графики , раздела информатики. Цель научной визуализации — графически проиллюстрировать научные данные, чтобы ученые могли понимать, иллюстрировать и извлекать 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.

История

Шарлем Минаром Схема составленная Марша Наполеона, .

Одним из самых ранних примеров трехмерной научной визуализации была термодинамическая поверхность Максвелла , вылепленная из глины в 1874 году Джеймсом Клерком Максвеллом . Это стало прообразом современных методов научной визуализации, использующих компьютерную графику .

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

Методы визуализации данных

Основная статья: Визуализация данных

Критерии классификации:

• размерность данных
• метод
  • методы на основе текстуры
  • подходы, основанные на геометрии, такие как графики стрелок, линии тока, линии траекторий, временные шкалы, штриховые линии, трассировка частиц, поверхностные частицы, стрелки потока, трубки потока, шары потока, объемы потока и топологический анализ.

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 линейной интегральной свертки методов . 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 появились методы визуализации, такие как гиперобтекание. были разработаны для визуализации 2D и 3D тензорных полей.

Темы

Проекция максимальной интенсивности всего тела (MIP) ПЭТ-сканирования .

Солнечной системы . Изображение главного пояса астероидов и троянских астероидов

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. 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, и постоянного 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 Министерства обороны США Программы модернизации высокопроизводительных вычислений .

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.».

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. 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.

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 аналогией «художественному изображению» 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 с дискретной выборкой набора данных . 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 молекулярные и биологические структуры. 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.

Приложения

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

В естественных науках

• 
  Звездообразование
• 
  Гравитационные волны
• 
  Массивные взрывы звездных сверхновых
• 
  Молекулярный рендеринг

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

• 
  Рендеринг местности
• 
  Визуализация климата
• 
  Атмосферная аномалия на Таймс-сквер

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 шторма 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, разработанные системой SAMRAI.

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

По математике

Основная статья: Математическая визуализация

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

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

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 высокого измерения можно использовать для манипулирования виртуальными объектами, позволяя манипулировать трехмерными объектами с помощью операций, выполняемых в двухмерном формате. и 4D-объекты посредством взаимодействий, выполняемых в 3D.

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

• 
  Графики кривых
• 
  Аннотации к изображениям
• 
  График рассеяния

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 использованием 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. Диаграмма 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 Порше 911
• 
  Сюжет самолета YF-17
• 
  Рендеринг города

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.

Организации

Важными лабораториями в этой области являются:

• Лаборатория электронной визуализации
• Комплект поставки
• Национальная лаборатория Лос-Аламоса
• Отдел передовых суперкомпьютеров НАСА
• Национальный центр суперкомпьютерных приложений
• Сандия Национальная лаборатория
• Суперкомпьютерный центр Сан-Диего
• Институт научных вычислений и визуализации
• Техасский вычислительный центр

Конференции в этой области, ранжированные по значимости в исследованиях научной визуализации, являются:

• IEEE-визуализация
• СИГГРАФ
• ЕвроВис
• Конференция по человеческому фактору в вычислительных системах (CHI)
• Еврографика
• ПасификВис

См. далее: Организации компьютерной графики , Суперкомпьютерные мощности.

См. также

Общий

• Архитектура представления данных
• Визуализация данных
• Математическая визуализация
• Молекулярная графика
• Линия трения кожи
• сонификация
• Тензорный глиф
• Визуальная аналитика

Публикации

• Транзакции ACM с графикой
• Транзакции IEEE по визуализации и компьютерной графике
• Журнал SIAM по научным вычислениям
• Руководство по визуализации

Программное обеспечение

• Амира
• уведомление
• Баудлайн
• Битплан
• Датакопия
• График данных
• МеВисЛаб
• Командный язык НКАР
• Апельсин
• OpenVisus
• Источник
• ПараВью
• Текплот
• томвиз
• ПАР
• Вис5Д
• ВизАД
• Посещать
• ВТК
• Категория:Бесплатное программное обеспечение для визуализации данных

Дальнейшее чтение

• Чарльз Д. Хансен и Кристофер Р. Джонсон (ред.) (2005). Руководство по визуализации . Эльзевир.
• Брюс Х. Маккормик , Томас А. ДеФанти и Максин Д. Браун (редакторы) (1987). Визуализация в научных вычислениях . АКМ Пресс.
• 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 Wiley Inc.
• Лоуренс Дж. Розенблюм (редактор) (1994). Научная визуализация: достижения и проблемы . Академическая пресса.
• Уилл Шредер, Кен Мартин, Билл Лоренсен (2003). Инструментарий визуализации . Китваре, Инк.
• Лиланд Уилкинсон (2005). Грамматика графики , Спрингер.

Внешние ссылки

• Национальный институт стандартов и технологий научной визуализации с обзором приложений.
• Учебники по научной визуализации, Технологический институт Джорджии
• Студия научной визуализации НАСА . Они облегчают научные исследования и распространение информации в рамках программ НАСА посредством визуализации.
• Subunit Studios Студия научной и молекулярной визуализации . Научные иллюстрации и анимационные услуги для ученых от ученых.
• scienceviz.com — научная визуализация, моделирование и компьютерная анимация для университетов, архитекторов и инженеров.