第一讲-科学计算可视化流程.ppt

科学计算可视化,科学计算可视化的流程,2,主要内容,可视化流程可视化软件系统架构实用可视化系统VTK简介及实例程序,科学计算可视化的研究内容,科学计算可视化的研究内容包括两方面的内容：一方面研究如何把科学数据转换成可视的图形与可理解的信息的工具.另一方面研究把可视化工具应用于科学和工程的各个学科。科学计算可视化研究的重点是有关可视化参考模型的内涵，即可视化过程的组成内容.,可视化流程图,观察数据实验数据仿真数据,参考模型为系统开发、应用开发以及教育培训建立了一个统一的理论基础。1992年Astheimer,P.提出了可视化过程的流程图,矩形框表示数据交换语义层，椭圆框表示数据交换模块类。,数据交换语义层包含三个层次数据，即“应用数据”、“几何数据”和“图象数据”。,数据交换模块可分为两类：滤波模块和映射模块。,滤波模块的功能是完成数据在同一语义层内的转换，如数据插值、几何数据的规整等。映射模块是完成数据在不同语义层之间的变换功能。四种映射模块为：数据预处理、映射、绘制和显示。,5,可视化的流程,6,概述,可视化的流程,数据,科学计算可视化技术处理的对象是科学数据，这些科学数据的来源是多种多样的，数据中包含的科学规律和现象有很多。科学数据属性：来源、维数、定义域的维数、组织形式、时间特性及数据量。数据的时间特性：数据是否与时间相关，是否表示随时间变化的物理现象。,8,三维数据各采样点分布及空间邻接关系可用网格描述依各网格结点之间的连接关系划分结构化网格（structuredmesh）非结构化网格（unstructuredmesh）存贮在每一网格点的数据用于描述该采样点（或该网格单元）处三维数据场的属性,9,概述,结构化网格与非结构化网格示例,数据,数据的组织形式分为有网格数据和无网格散乱数据，有网格数据的组织形式也不一样。,数据预处理,可视化模块的数据来源主要是计算机模拟数据和实验/测量数据。可分为数值数据、几何数据和图象数据。数值数据又称属性数据，用来表示温度、速度、压力等等。可划分为标量、矢量和张量形式。几何数据用来表示对象的形状，包括点、线、多边形、曲面等，一般由几何造型软件生成，它是一类独立变量，有时与其表示对象的属性联系在一起。图象数据以位图形式表示，如：医学数据、遥感数据和扫描数据等等。其主要功能为：数据规范化处理、滤波处理、平滑处理、网格重新划分、坐标变换、分割与边缘检测等。,12,概述,可视化的流程,13,概述,变换是指对数据进行预处理，以便利后续处理对庞大的数据场只提取与可视目标相关的信息以减少数据量通过几何变换对点的坐标进行缩放通过拓扑变换调整网格点的连接关系将数据转换成更为通用的标准格式,（1）数据预处理：可视化的数据来源十分丰富，数据格式也是多种多样的，这一步将各种各样的数据转换为可视化工具可以处理的标准格式。过滤：对原始数据进行预处理，可以转换数据形式、滤掉噪声、抽取感兴趣的数据等；数据恢复和增强如果数据很少，但很精确，可以采用插值算法计算模型。如果数据少，且有一定误差，我们可以采用逼近。,15,可视化的流程,映射,映射模块实现数值数据向几何数据的转换功能。它是可视化技术的核心。映射：映射就是运用各种各样的可视化方法对数据进行处理，提取出数据中包含的各种科学规律、现象等，将这些抽象的、甚至是不可见的规律和现象用一些可见的物体点、线、面等表示出来的。对不同类型的应用数据应采用不同的建模方式。根据可视化数据集的类型，一般可分为五类：点数据可视化、标量场可视化、矢量场可视化、张量场可视化和其它可视化技术。由于可视化技术是一门应用技术，并且正处于发展的初级阶段，针对不同领域的可视化映射技术不断出现。,17,映射是整个可视化流程的核心设计合理的可视化方案和算法将经过变换处理的数据映射为可供绘制、显示的形状或属性,18,概述,可视化的流程,绘制,根据参考模型，绘制模块应实现将几何模型转换到图象数据的功能。目前成熟的计算机图形学理论和方法可提供丰富的绘制算法。在可视化的研究上，体绘制技术逐步成为研究的关键技术之一。它提供的直接体绘制技术丰富了图形学绘制技术的内容。显示模块将绘制模块生成的图象数据，按指定要求进行输出。图形用户界面（GUI）的研究为其提供了技术保障。,20,绘制和显示：将上述可供绘制的元素转换成图像，绘制在屏幕或其他介质上可视化流程的最后一个步骤可直接借鉴计算机图形学的现有方法,21,可视化算法分类标量场算法矢量场算法张量场算法,22,标量场算法颜色映射轮廓抽取体绘制,23,矢量场算法从几何形状、颜色或纹理等着手，试图将三维矢量信息分别映射为这三类可绘制的元素或这些元素的组合,24,张量场算法点图标方法超流线方法,VisualizationSystems可视化软件系统架构,Showinghowthemapandrenderstepsarerealisedinavisualizationsystem,子程序库,1960年代子程序库用来画图、绘制等高线等科学家用自己的代码建立子程序库主要在1970-1985时期:GHOST(UKAEACulham)NAG图像库,NAGGraphics:www.nag.co.uk,子程序库,时至今日NAG图库仍然可用VtkC+提供了可视效果的绘制特点：灵活，但是需要编写程序应用编程接口,Vtk:,交互式软件包,1970年代后期利用菜单驱动的软件包实现可视化不需要编写程序例如:特点：灵活性不够，但不需要编程。,gnuplot,交互式软件包,Matlab是一个强有力的计算与可视化的系统。基于C语言编写的软件,现行的可视化软件,可视化巨大发展基于美国基金会的报告：VisualizationinScientificComputingMcCormick,deFantiandBrown-1987主要观点：美国的高性能运算缺少相应的可视化软件支持，造成处理数据的困难推动了可视化系统软件第三个阶段的发展。,可视化编程系统,1980年代可视化被视为一系列的简单程序组合:如：绘制读取数据创建等值线绘制等值线系统提供实现可视化步骤地不同模块科学家用可视化程序将各模块综合在一起。,可视化编程-IRISExplorer,可视化编程系统,可视化编程系统可以容易的实现可视化需求例如:IRISExplorerwww.nag.co.ukAVSOpenDX(grownfromIBMVisualizationDataExplorer),基于服务的可视化系统,网络时代，可视化第四个阶段利用网络技术基于服务的可视化系统,/vizwiz,基于服务的可视化系统,orserverside建立网页用以解决可视化的需求在服务器上建立可视化处理系统，在客户端显示效果。,IRISExplorerSerViswww.visualization.leeds.ac.uk/aqual,可视化系统的第四个阶段,这四个阶段总结如下：子程序库批处理计算时期交互软件包交互计算时期,与终端连接到主机可视化编程系统工作站与图形用户界面时期基于服务的可视化网络计算时期,37,VTK简介,全称：VisualizationToolkit源码开放的免费可视化软件系统采用面向对象的方法设计开发，以C语言编写包含由700多个类组成的内容极为丰富的类库支持几何造型及可视化中复杂数据的表达、对标量场、矢量场、张量场的可视化以及隐函数造型、多边形网格简化、Delaunay三角分割等高级造型技术除C语言外，还允许用户通过Tcl/Tk，Java和Python等解释性语言编写应用程序以快速完成可视化应用实例的开发,38,VTK简介,采用一个数据流模型以实现数据信息向图形信息的转换在这个模型中，相关模块连接成网络数据在网络中流动