大学计算机项目报告

可视化简介定义可视化（Visualization）是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。目前正在飞速发展的虚拟现实技术也是以图形图像的可视化技术为依托的。关键技术名字服务和资源检索技术对于一个管理成千上万数量级摄像头资源的监控管理平台，实现对资源的快速检索是非常重要的问题。在设计中采用了先进的“名字服务”方法，能有效实现所有资源的统一命名和快速检索。实现方案是，为每一个摄像头定义一个独立的名字和属性，属性包括与摄像头相关的编码设备(如DVR)、控制设备(如矩阵)、存储备份设备(如NVR)、媒体转发设备(如媒体服务器)的信息(如IP地址、端口号、通道号)。系统对该摄像头的显示和检索可以使用三种方式：按名字进行搜索(支持模糊搜索)、按资源目录进行查找以及按GIS地理信息服务进行搜索。所有搜索最终会定位到资源的名称，通过资源名称定位到该资源的相关信息，系统可以利用这些信息实现全域联网的视频浏览、录像、存储备份、PTZ控制、视频分发以及其他管理应用功能[3]。异构硬件的集成技术对于省级视频监控系统，所用到的前端摄像头、编码器、控制器以及报警设备将会面临多种厂家、多种型号的集成问题。例如广州市入围的网络视频服务器供应商有8家，数字硬盘录像机厂家有10多家，摄像头厂家有20多家，由于目前没有制定统一的编码标准和PTZ控制协议，因此每个厂家编码设备输出的数字视音频信号、控制协议都不相同，每种摄像头的控制指令也不相同。管理平台如何统一显示、存储前端的视音频信息，统一控制前端不同的PTZ设备是一大技术难题。这就需要很好解决这一难题，实现不同厂家的设备间的完全集成，包括通过统一的通信协议转换及媒体解码软件实现在客户端工作站上播放不同编码格式的视频图像;通过统一的电视墙管理软件实现在电视墙上切换显示不同厂家设备传送的视频信号;通过统一的控制指令实现对前端不同厂家PTZ设备的控制。可视化软件可视化软件一般分为三个层次。第一层是操作系统，该层的一部分程序直接和硬件打交道，控制工作站或超级计算机各种模块的工作，另一部分程序可进行任务调度，视频同步控制，以TCP/IP方式在网络中传输图形信息及通信信息。第二层为可视化软件开发工具，它用来帮助开发人员设计可视化应用软件。第三层为各行各业采用的可视化应用软件。大多数可视化工作一般都在图形工作站上进行，少数大型的、需要协同工作的可视化工作在超级图形计算机上进行。SGI是视算技术的先驱之一，在强有力的高速图形硬件支持下，SGI推出了一系列功能强大的可视化软件开发工具，如IRISGL（图形库）、IL（图像库）、VL(视频库)、ML（电影库）、CASEVision（软件工程可视化开发工具）等，其中IRISGL后来被工业界接受，成为业界开放式标准，称为OpenGL。OpenGL支持一种立即方式的接口，信息可以直接流向显示器。SGI还开发出许多OpenGL的应用程序接口（API），如OpenGLOptimizer是一种多平台工具箱，提供高层次的构造、交互操作，在CAD/CAM/CAE和AEC的应用中提供最优的图形功能。OpenGLVolumizer是体渲染的突破性工具，便于对基于体素的数据集可视化。OpenGLPerformer是实时三维图形渲染工具。OpenGLInventor是三维视景处理工具。OpenGLVizServer是一种提供远程可视化服务的工具。自从OpenGL推出以来，已有两千多个三维图形应用软件在其上开发出来。如A/W公司的三维动画软件Maya、PTC公司的CAD/CAM/CAE应用软件Pro/Engnieer。Landmark公司的石油勘探与开发软件R2003,MultiGen公司的视景仿真软件Paradigm等。可视化硬件可视化硬件主要是图形工作站和超级可视化计算机。图形工作站广泛采用RISC处理器和UNIX操作系统。具有丰富的图形处理功能和灵活的窗口管理功能，可配置大容量的内存和硬盘，具有良好的人机交互界面、输入/输出和网络功能完善，主要用于科学技术方面。1997年SGI推出了不用总线的UMA结构O2工作站。它采用高带宽的存储器系统，取消了视频卡、图形卡、图像卡。图形处理、图像处理、视频处理、存储器和主存储器用一个统一的存储器系统代替，带宽可达到2.1GB/s。CPU和视频显示可直接访问统一的存储器系统。此外，它还有一个单独的窗口界面，能让用户通过该窗口访问Web站点，而一个文件列表在窗口顶部，方便用户对媒体资源进行管理。2000年SGI推出强力台式工作站Octane2。Octane2把具有突破性的新一代Vpro3D图形系统、先进的交叉开关(Crossbar)结构和最新的MIPSRISC处理器有机地结合在一起。有了Octane2及其空前的精确性、交互性和快速的图形功能，用户可以解决最富有挑战性的三维造型、可视化及图形处理问题。Octane2含有集成在一块芯片上的OpenGL1.2的核心功能及图像扩展的部分硬件加速功能。可用硬件实现镜面光照计算、能够快速准确地展现曲面，并具有48比特RGBA功能。它是当今高水准的可视化台式工作站。它可为用户提供双通道的双头显示。2000年7月SGI推出了可视化与超级计算完美结合的Onyx3000系列超强图形系统。Onyx3000在模块化方面迈出了一大步。系统硬件由7种模块构成：图形扩展模块G-brick，基本输入/输出扩展模块I-brick，PCI扩展模块P-brick，高性能I/O扩展模块X-brick，路由器互连扩展模块R-brick，CPU扩展模块C-brick和磁盘扩展模块D-brick。全机采用NUMA3体系结构。高性能的模块化连通性有利于把超级计算能力和可视化处理无缝集成。全机可由2个CPU扩展到512个CPU。Onyx3000采用InfiniteReality3图形处理流水线，可实时地对三维形体进行渲染。其中包括色彩、透明、纹理、光照等功能。2002年2月SGI推出Onyx3000IP机，采用性能更好的InfinitePerformance图形处理流水线，速度更快、图形更精致。Onyx3000其卓越的性能和灵活性可使用户得到惊人的视觉真实效果，并充分保护用户的投资。引导技术中的可视化可视化的原则忠于发言人的语言：只能如实记录发言人的原话，应口语化，不宜予以过度加工、过度书面语。能图形化时，尽可能使用图形化、草图化。兼顾效率：不擅长画图的facilitator（引导者）可采取文字记录的方式。可视化的注意事项大多使用大白纸记录（或A1幅面的大白纸，或称海报纸，或专用的56cm×85cm白板纸，注意，是用于白板的“白板-纸”，不是印刷行业专用的“白色-板纸”，后者因为是板纸，厚度惊人、重量不菲，使用不便）。视不同情形，会结合使用报事贴（post-it，或称“便利贴”），尤其是需要将讨论内容移动位置时，采取报事贴会比较方便。善用颜色：最常用的方式是使用3种或3种以上颜色的白板笔，以利于全体研讨者能看清。一般会规定每种颜色的用途，以统一风格。常用的方式：蓝色笔书写标题，黑色笔书写正文，红色笔用于标注/修订等。不使用记号笔的原因：避免无意中的污染，难以清理。关注细节：字体要足够大，若研讨人数达到30人以上时，需考虑最后一排人群应该能够看清文字；字体建议使用楷体或行楷，避免使用草书等难以辨认的字体；报事贴不要用反、旋转，保持统一、美观，避免干扰思考。可视化的意义展现全貌：很多讨论所涉及的主题都是包括多个元素，其中一个元素会影响到多个其他元素，如果不采取可视化，则无法看到全貌、也无法进行真正的讨论。增强理解、便于对话、探索、交流。简化复杂性，增强审视。处理异议：在讨论过程中，出现观点不同时，争论的双方看到自己的观点得以记录并展现于众时，情绪会逐渐趋于缓和。五种可视化技术直方图首先来了解一下直方图。通过直方图，可以纵观某个数值变量所有可能的值，以及其出现的频率。直方图看似简单，实际上功能却很强大。有时，直方图也被称为频数分布图。从视觉效果上来说，需要画一个频率图，把相关变量排布在X轴上，而Y轴显示的则是每个值出现的频率。例如，假设某个公司为了使自己的智能恒温器更加畅销，于是采取了一种营销策略，即根据顾客邮政编码的不同来提供相应的折扣。这时，通过绘制与恒温器折扣相关的直方图，人们就能更好地了解各个值的范围，以及它们各自出现的频率。图3.1恒温器折扣直方图（单位：美元）从上图可以发现，恒温器的折扣大约有半数介于100到120美元之间。而折扣低于60美元或者高于140美元的邮编，都只存在一小部分。条形图与饼状图上文所讲的直方图通常用于处理数值变量，而本段所涉及的条形图与饼状图则主要适用于类别变量。如果要分析变量分布，并且这些变量的值又比较固定，比如只存在低、正常、高，是、否，或者常规驱动、电驱动、混合驱动等有限选项，那么这个时候最适合的选择就是条形图或者饼状图。那么到底是选条形图还是饼状图呢？其实这两种方法都值得一试，然后再看看哪个的视觉效果会更好一些。但是在可能选项比较少的情况下，饼状图还是更胜一筹。如果数据类别过多的话，无论是条形图还是饼状图，可视化的效果都不会太好。在这种情况下，可以考虑只对前几项最大值进行可视化处理。在下面这个例子中，病人的血压情况同时在条形图和饼状图中表示出来，并且分为了三个类别，分别是低、正常和高。图3.2病人血压条形图与饼状图散点图与折线图或许最简单的图莫过于散点图，因为它将数据展现在一个二维的笛卡尔坐标系中。散点图尤其适用于研究两个变量之间的关系，因为它能将这种相互关系更加直观地展现出来，以便我们进行研究。折线图其实也是散点图的一种，只不过它用一根线将所有的点连接了起来。如果变量Y的值是连续的，则常使用折线图。例如，假设你想要去调查房价与建筑面积之间的关系，那么下面这幅散点图就可以帮到你。在这幅散点图上，Y轴表示房价，X轴表示建筑面积。同时，你要注意观察它是如何表示变量之间的线性关系的。总体上看来，建筑面积越大，房价越高。可以通过颜色和尺寸的改变来扩展散点图的维度。比如我们可以根据每个房子卧室的数量来对点进行上色，从而就可以获得一个三维图。图3.3散点图如果想把散点图扩展为三维图或者是四维图，一个较为简便的方法就是改变气泡的颜色和大小。例如，如果根据每栋房子里房间数量的多少，来对上一幅散点图中的每一个气泡进行涂色，那么将得到三维的效果。时间序列图时间序列图也类似于散点图，只不过X轴上标注的是时间范围。在时间序列图上，所有的点连接成一条线，以提醒我们时间是连续的。如果想要更加直观地研究某一数据随时间的变化趋势，时间序列图就是绝佳选择。因此，时间序列图在分析