科学计算可视化复习题(杨整理).doc

科学计算可视化复习题填空题1. 科学计算可视化可在三个层次上实现，对应于三种处理方式:事后处理、跟踪处理 和 驾驭处理。2. 可视化技术的分类主要基于函数类型和定义域的维数 。如果是对一组点进行可视化，没有相关的函数，该类数据称为点集，相应的可以把可视化技术分为点集、标量、矢量和张量场的可视化。3. 使用散点图矩阵对高维散布点进行可视化，矩阵下三角存放散点图、对角线存放直方图、上三角存放 相关系数。4. 高维点数据可以使用变图元散点图、散点图矩阵和星图等多种方法进行可视化。5. 等值线生成算法主要分为以下两类：网格序列法和网格无关法。6. 等值线生成算法中的网格序列法主要分为以下两类：网格扫描法和单元剖分法。7. 等值线生成算法中的 步进法 和 适应法 属于网格无关法。8. 体可视化算法一般可分为两大类： 直接体绘制算法 和 基于面的体绘制算法 。9. 等值面生成算法主要有以下几种：opaque cube算法，dividing cube算法，marching cube算法，contour connecting算法。 10. 体数据的表达方式主要有： 基于体素的表达和 基于体元的表达 。11. 直接体可视化(DVR)算法大多采用简单的 正交观察 。因为透视观察易产生 光线逃逸问题 。12. Contour Connecting算法寻找组成三角面片的下一个节点的三种启发式算法分别是：最短对角线法 、 最大体积法、 相邻轮廓线同步前进法 。13. 著名的护士南丁格尔在描述战争中战士的死亡原因时使用了一种图形，这种图形我们现在称为 星图 ,斯诺博士在1854年描述伦敦霍乱病人地理位置时采用了一种图形，这种图形我们现在称为 散点图 。14. 试举出几种通用的数据格式，例如： XML格式 和 NetCDF格式 等。15. 为增加三维物体在二维图像上显示的真实感，主要考虑以下几个方面： 前后关系、 透视、光照、浓淡、 立体视图 、运动 。16. 常用的文件压缩技术有：行程编码 、 LZW编码 、 霍夫曼编码 。17. 对数据可视化时可以考虑使用的图形元素有：位置、形状、 方向 、 大小 。18. 一维标量场数据显示的方式主要有曲线图 、条形图 、 直方图 等三种图形。问答题1. 科学计算的目的和意义是什么？ 目的：洞察。而不仅仅是获取数据。通过科学计算来启发和促进人们对自然规律的更深层次的认识，从而发现新规律，建立新学科，并应用于生产实践。意义：模拟现实。发现规律：方案对比：工具化，方法性，边缘性（交叉学科）。2. 科学计算可视化可在三个层次上实现，对应于三种处理方式，这三种处理方法是什么，并进行说明。事后处理，跟踪处理，驾驭处理。事后处理：把计算与计算结果的可视化分成二个阶段进行，二者之间不能发生交互作用。跟踪处理：要求实时地显示计算中产生的结果，以便使研究人员能了解当前的计算情况，在发现错误或认为已无必要继续往下计算时，可停止当前的计算并开始下一个新的计算。驾驭处理：则不仅能使研究人员实时地观察到当前计算的状态，而且要能对计算进行实时干预，如增加或减少网络点，修改某些网格中的参数等并使计算继续下去3. 可视化系统的性能主要包括哪几个方面？（10分）响应时间，人机界面，适用性，成本与效益。、4. 简述实现科学计算可视化的软硬件要求是什么？硬件要求：高性能图形工作站，高传输速率的网络，大容量外存储器，图形拷贝设备。软件要求：用适当的图形表示方式显示数据场中各类物理量的分布情况提供三维数据场的体绘制能力，实现三维数据场的整体显示提供对三维数据场按任意角度进行切片的功能实现动态显示多维数据的可视化技术数据场与物体外形的合成显示科学数据的模型、结构与格式；科学数据的管理与操纵交互式数据可视化分析系统的可扩充性和友好的人机界面5. 试分析可视化技术的组成，与传统计算机图形学的区别是什么？可视化图形与传统图形的区别在于它主要表现内在物理特性，而不是强调外观的真实感。6. 按照函数类型和定义域类型进行分类可视化技术可以分为哪几类？（1）点数据场技术，点数据可视化技术是对定义域中的一些点进行映射，其关键是如何将n维空间中的点向二维图像平面投影。对于一维点、二维点和三维点的投影方法是较直接的。（2）标量场技术，一维标量场可直接用线画图表示，其基本方法是在x-y平面内，根据采样点的值，构造插值函数f(x)，根据f(x)生成采样点之间的线段。二维域上的标量场数据是属于二维函数F(x1，x2)采样的情形。三维域上的标量场的可视化一般称为体可视化（3）矢量场，在科学计算应用中常常涉及流体的流动，即在几何数据点上含有矢量值的数据。矢量场包括二维（平面场）、三维（立体场）或多维矢量场。（4）张量场技术，张量场出现在一些应用领域中。三维二阶张量可用排列成3 x 3数组的9个分量来表示。张量场由二维或三维域中各点上的许多这种数组组成，可以把张量映射到标量，但会丢失许多信息。然而，对张量场直接进行可视化是比较困难的。7. 常用的图像处理技术有哪些？图像增强，特征提取，图像变换。图像增强：图像增强就是强调图像的某些特征以便于分析或显示，主要包括：像素操作，局部区域操作，伪彩。特征提取：特征提取允许对图像进行统计，从而以参数的形式来描述它。特征提取采取的几种技术主要基于空间特征，边界检测，边界提取和等值线追踪，形状特征及纹理。图像变换：通过某个函数来映射输入的图像数据，实现图像的压缩，或是为了更容易地确定原始数据的特征8. 使用二维图像如何更好的显示三维物体？前后关系，透视、光照与浓淡，立体视图，运动。前后关系：在可视化对象的周围安排一些附加对象，这些对象与要求显示给用户的信息无关，但它可以帮助人们更快、更好地获得对所显示对象的认识透视、光照和浓淡：透视不仅限于几何，随距离的增加而增加烟雾和蓝色（蓝天的颜色）也很重要，这些效果一般通过深度提示求实现在环境中加入光源是很重要的提示手段，阴影则是另一提示信息浓淡效果表示物体的朝向9. 简述体数据的分类方法。为了识别体数据中不同的结构，第一步是将体数据中的数量值划分成不同的范围，而各个范围所表示的物体应和某一物体相对应，这个过程即是体数据分类基于点的分类方法：只考虑体素的数量值，而不考虑其位置，常用的点分类方法有二种：阈值方法，极大似然分类方法。基于边的分类方法：基于边的分类方法适应于检测体数据中的数值不连续的部分基于区域的分类方法：基于区域的分类方法考虑体数据中感兴趣物体的整个区域，而不是个别体素或等值面10. 常用物体空间扫描方法有哪些？主要有：足迹表法，基于错切-变形的体绘制算法，体元透射法，子区域透射法。足迹表法：将离散的三维光强度场重构为连续场，并决定每一个三维采样点对屏幕像素点的贡献范围。基于错切-变形体绘制算法：三维离散数据场的投影变化分解为三维数据场的错切变换和二维图像的变形。采用一个中间坐标系，在一定的旋转合变化范围内 体绘制只进行一次，小的变化通过二维图像的错切和变形来完成体元透射法：利用三维数据场中各采样点之间的空间相关性（即相邻体元数据变化不大）来减少计算量子区域透射法：将数据场重新划分为许多子区域（聚类），每个子区域将近似地看成由同一类物质组成、在绘制过程中将被赋予同一种颜色值和不透明度值11. 绘制三线性插值原理简图，并给出插值公式。12. 简述3种常用的文件压缩技术。行程编码：该方法在图像文件中搜索连续、重复的值，然后把该串重复值存储为重复的次数和值，从而减小文件尺寸。LZW编码：LZW编码是用一个代码来替换图像文件中的重复模式，LZW算法搜索重复序列，并构造一张这些序列与其对应的代码的表，根据该表解码压缩文件。霍夫曼编码：霍夫曼编码是变长编码，为出现频繁的编码分配短编码，出现次数少的编码分配长编码，图像的霍夫曼编码第一步是统计输入图像文件中的每个值出现的次数，然后根据每个值出现的次数构造一颗二叉树。13. 常用的图像降色方法有哪些？均匀降色法，基于出现频率的降色法，中值切割降色法。均匀将色法：减少光栅文件中颜色数量的最简单的方法是分别将R、G、B分量除以一个整数值然后取整，通常一个图像文件中，RGB各分量的所有256个值不会全部出现，因此可以根据文件中出现的颜色值的最大、最小值直接进行均匀量化。基于出现频率的降色法：只保留在图像中出现最频繁的那些颜色值，首先，减少图像中表示RGB颜色分量的比特位数，然后扫描更改后的颜色集合，产生每个RGB颜色分量值的出现频率，如果要产生包括k种颜色的彩色文件，就只选择在图像中出现最频繁的k种颜色。中值切割降色法：将图像中的颜色空间分为k个子区域，用每个子块的平均颜色替换块中的像素颜色。14. 常用的数据变换方法有哪些？数据规范化，过滤平滑网格重新划分坐标变换线性变换几何变换数据分割15. Surfer软件常用的插值方法有哪些（列出5个）？距离倒数乘方法改进的谢别德法多元回归法局部多元回归法最小曲率法径向基本函数法邻居发邻近法三角网/线性插值法数据度量移动平均克里金法16. OpenGL技术的主要特点是什么？工业标准，可靠度高，可拓展性，可伸缩性，容易使用，灵活性。综述题1. 综述点数据场可视化技术。点数据可视化技术是对定义域中的一些点进行映射，其关键是如何将n维空间中的点向二维图像平面投影。对于一维点、二维点和三维点的投影方法是较直接的。一维点是最简单的情况，可直接在坐标轴上用符号标注；在显示平面上可直接将二维点的两个值对应到（X，Y）坐标值上；三维点可采用投影方法，将三维点三个值对应到图像空间的三个坐标轴上，再将这些点向二维显示平面投影；可采用一些简单的光照模型，将第三维深度信息用光照强弱表示或采用一些更简单的方法，如用符号的大小、颜色直接表示第三维信息。高维数据场可视化：变图元散点图，散点图矩阵，多变量轮廓，星图，andrews绘图，anderson绘图，chernoff脸谱。2. 综述标量场可视化技术。一维标量场可直接用线画图表示，其基本方法是在x-y平面内，根据采样点的值，构造插值函数f(x)，根据f(x)生成采样点之间的线段。图形表示形式主要有：曲线图，叠加线状图，直方图，条形图。二维域上的标量场数据是属于二维函数F(x1，x2)采样的情形：包括等值线图，高度场图，多个标量场（三维条形图或柱状图，三维直方图，有限区域图）。三维域上的标量场的可视化一般称为体可视化。包括等值面，编织图，体绘制。3. 综述等值线生成技术。根据等值线生成时对网格单元的处理次序，可将等值线生成方法分为网格序列法和网格无关法。网格序列法的基本思想是按网格单元的排列次序来逐个处理每一单元，寻找各单元内的等值线段，在处理完所有单元后，即可生成该网格中的等值线分布，网格序列法主要包括网格扫描法和单元剖分法，前者生成速度快，但有二义性问题；后者生成速度相对较慢一些，但无二义性问题网格无关法通常是先求出等值线的起始点，利用该点附近的局部几何性质，计算该等值线的下一点；然后，利用已经求出的新点，重复计算下一点，直至到达区域边界或回到原起始点，主要有步进法和适应法。4. 综述等值面生成技术。Opaque cube算法：确定边界单元，绘制各边界单元中的6个多边形面。Marching cube算法：该算法的主要思想是对所有体元逐一进行处理，将体元各顶点处的数据值与给定阈值进行比较，确定等值面与该单元的相交情况，通过插值计算交点，并将各交点连成三角形来构成等值面片，所有单元中的三角形集合即构成整个等值面。Dividing cube算法：是逐个扫描每个体元，找出与等值面相交的单元，再将其投影到图像空间中，比较投影区域与像素尺寸的大小。若投影区域大于像素尺寸，则进一步将该单元划分为8个子单元，直到子单元的投影区域小于像素尺寸为止。Contour cube算法：在二维数据切片中逐提取闭合的等值线，然后将相邻切片的等值线相联接，形成曲面网格逼近等值表面。5. 综述体可视化基本方法。体可视化的基本方法主要有：直接体绘制算法（DVR），基于面的体绘制算法（SF）。直接体绘制算法把体数据作为整体直接投射到图像平面上，以得到体数据的全局图像，它不需要构造中间几何图元。直接体绘制算法主要有Ray Casting算法。基于面的体绘制算法是按给定的阈值提取一个同值表面，然后按传统的曲面浓淡方法绘制，同值表面由与阈值相匹配的曲面几何图元拼接而成，所有顶点值全高于给定阈值或全低于给定阈值的体元对最后成像没有影响，从而在拼接中不予考虑，只用到跨越阈值的体元。SF算法主要包括：Contour Connecting、Marching Cubes、Marching Tetrahedra、Dividing Cubes等。6. 综述科学计算可视化常用的浓淡处理方法有哪些？大部分体可视化算法部采用梯度浓淡处理方法，用体空间某点的梯度值近似法向量。Z-Buffer方法：这是一种较简单的浓淡处理方法，首先把体数据二值化，然后由某个视向观察体数据，记录每条观察光线与等值曲面的交点，得到给定视向的ZBuffer上的值Z(x,y)，该点的法向量按Z(x,y)的梯度向量近似计算。灰度值梯度算法：用体数据灰度值的梯度来计算表面法向量，亦即法向量由梯度向量（dg/dx,dg/dy,dg/dz）求出，其中g是灰度值函数。Marching Cubes算法：Marching Cubes方法把三角形表面曲面方法和GG方法结合起来求法向量，将8个相邻体素看成是一个立方体，用不超过4个三角形表示该立方体内的曲面，三角形顶点的法向量由立方体顶点的法向量通过线性插值而求得，这个由多边形表示的曲面可用传统的浓淡方法绘制7. 综述Contour Con