Vizualizarea științifică este o ramură interdisciplinară a științei . Potrivit lui Friendly, „se ocupă în principal de vizualizarea fenomenelor tridimensionale (date arhitecturale, meteorologice, medicale, biologice și așa mai departe), cu accent pe reprezentarea realistă a volumelor, suprafețelor, surselor de lumină etc. pe, poate în dinamică (în timp)” [2] . Vizualizarea științifică are în vedere și un subset de tehnici de grafică pe computer , o ramură a informaticii . Scopul vizualizării științifice este de a ilustra grafic datele științifice, astfel încât oamenii de știință să poată înțelege, vizualiza și obține o perspectivă asupra datelor.
Unul dintre cele mai vechi exemple de vizualizare științifică 3D a fost suprafața termodinamică Maxwell făcută din lut în 1874 de James Clerk Maxwell [3] . A fost prototipul tehnicii moderne de imagistică științifică care folosește grafica computerizată [4] .
Exemplele 2D timpurii notabile includ harta din 1869 a înaintarii lui Napoleon asupra Moscovei de Charles Joseph Minard [2] . Florence Nightingale a folosit hărți pe care le-a numit „coxcombs” (cocoș) în 1857, ca parte a unei campanii de îmbunătățire a salubrității în armata britanică [2] . John Snow în 1855 a folosit o hartă de distribuție a punctelor pentru a vizualiza un focar de holeră în Broad Street [2] .
Vizualizarea științifică folosind grafica pe computer a câștigat popularitate ca fiind destul de matură. Principalele aplicații au fost câmpurile scalare și vectoriale din simulări pe calculator și date experimentale. Principalele metode de vizualizare a câmpurilor scalare bidimensionale (2D) sunt redarea culorilor și desenarea liniilor de contur . Câmpurile vectoriale 2D sunt redate folosind glife și linii de fluidizare sau metode de convoluție integrală liniară (LIC). Câmpurile tensor 2D sunt adesea convertite într-un câmp vectorial utilizând unul dintre cei doi vectori proprii pentru a reprezenta fiecare punct al câmpului, apoi redate folosind instrumente de redare a câmpurilor vectoriale.
Pentru câmpurile scalare 3D, metoda principală este randarea volumetrică și suprafețele nivelate . Metodele de vizualizare a câmpurilor vectoriale includ glife (pictograme grafice) cum ar fi săgeți, linii și urme , urmărirea particulelor, convoluția integrală liniară (LIC) și metode topologice. Mai recent, au fost dezvoltate metode de vizualizare a câmpurilor tensorale 2D și 3D, cum ar fi hyperstreamlines [5] .
Animația pe computer este arta, tehnica și știința de a crea imagini în mișcare folosind computere . Devine din ce în ce mai comun prin crearea graficii 3D pe computer , deși grafica pe computer 2D rămâne utilizată pe scară largă pentru nevoi stilistice, mai puțin intense de date sau de randare în timp real mai rapidă Uneori, dispozitivul țintă al animației este computerul în sine, dar uneori alte medii , cum ar fi filmul . O astfel de animație este denumită CGI ( Imagine generată de computer ), mai ales atunci când este utilizată în filme. Aplicația este animația medicală , care este cel mai des folosită ca instrument de predare pentru personalul medical sau pacienți.
O simulare pe computer este un program de calculator sau o rețea de computere care încearcă să modeleze un model abstract al unui anumit sistem. Modelarea computerizată a devenit o parte utilă a modelării matematice a multor sisteme naturale în fizică și fizică computațională, chimie și biologie, sisteme umane în economie, psihologie și sociologie, în procesul de proiectare și noile tehnologii, pentru a înțelege cum funcționează aceste sisteme sau să le observe comportamentul [ 6] .
Simulările pe computer variază de la programe individuale de computer care rulează câteva minute, grupuri de computere dintr-o rețea care rulează ore întregi, până la simulări continue care rulează luni de zile. Amploarea evenimentelor simulate pe computer depășește cu mult orice utilizare posibilă (sau chiar imaginabilă mental) a modelării matematice tradiționale cu un creion în mână - în urmă cu zece ani , mai multe supercalculatoare ale Departamentului Apărării din SUA au cumpărat în cadrul Programului de modernizare a computerelor de înaltă performanță [7] .
Vizualizarea informațiilor este studiul „ reprezentării vizuale a unor seturi mari de informații non-digitale, cum ar fi fișiere și linii de cod în sisteme software , biblioteci și baze de date biobliografice , conexiuni la Internet și așa mai departe” [2] .
Vizualizarea informațiilor se concentrează pe crearea de abordări pentru furnizarea de informații abstracte într-un mod intuitiv. Prezentarea vizuală și tehnicile interactive profită de lățimea de bandă a ochiului uman către creier, permițând utilizatorilor să vadă, să exploreze și să înțeleagă o cantitate mare de informații simultan [8] . Diferența cheie dintre vizualizarea științifică și vizualizarea informațiilor este că vizualizarea informațiilor este adesea aplicată datelor care nu sunt generate de căutarea științifică. Câteva exemple sunt prezentarea grafică a datelor pentru afaceri, guvern, știri și rețele sociale.
Tehnologia de interfață și percepție arată cum noi interfețe și o mai bună înțelegere a problemelor perceptuale creează noi posibilități de vizualizare științifică [9] .
Redarea este procesul de obținere a unei imagini dintr -un model folosind un program de calculator. Un model este o descriere a obiectelor tridimensionale într-un limbaj sau o structură de date strict definite. Poate conține geometrie, punct de vedere, textură , iluminare și umbrire . O imagine este o imagine digitală sau un grafic bitmap a unei imagini . Termenul poate fi o analogie pentru reprezentarea unei scene de către un artist. Termenul „redare” poate fi folosit pentru a descrie procesul de calculare a efectelor asupra unui fișier video pentru a produce videoclipul final. Tipurile importante de randare sunt:
Redare și rasterizare Reprezentarea la nivel înalt a unei imagini conține în mod necesar elemente în diverse zone, constând din pixeli. Aceste elemente sunt numite primitive. În desenul schematic, de exemplu, segmentele de linie și curbele pot fi primitive. Într-o interfață grafică cu utilizatorul, ferestrele și butoanele pot fi primitive. Într-o imagine 3D, primitivele pot fi triunghiuri și poligoane în spațiu. Metoda de turnare cu raze Ray casting este folosit în principal în modelarea în timp real, cum ar fi în jocurile 3D pe computer și animația, în care detaliile nu sunt la fel de importante, sau în zonele în care înlocuirea manuală a pieselor este mai eficientă pentru o performanță mai bună. Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când este necesară animația pentru un număr mare de cadre. Suprafețele rezultate apar „plate” dacă nu sunt folosite alte trucuri suplimentare, ca și cum toate suprafețele ar fi mate. Luminozitate Luminozitatea , cunoscută și sub denumirea de iluminare globală , este o tehnică care încearcă să modeleze modurile în care suprafețele iluminate direct acționează ca surse de lumină secundare care iluminează alte suprafețe. Acest lucru oferă umbrire mai realistă și oferă o percepție mai bună a „mediului” . Un exemplu clasic este modul de umbrire a colțurilor camerelor. Ray tracing Ray tracing este o extensie a unei tehnici dezvoltate pentru randarea liniilor și turnarea razelor. Ca și ei, metoda tratează bine obiectele complexe și obiectele pot fi descrise matematic. Spre deosebire de redarea liniilor și turnarea razelor, trasarea razelor implică aproape întotdeauna o tehnică Monte Carlo , care se bazează pe media eșantioanelor model generate aleatoriu.Redarea volumetrică este o tehnică utilizată pentru a afișa o proiecție 2D a datelor 3D eșantionate discret . Un set de date 3D tipic este un grup de felii 2D obținute fie folosind CT , fie RMN . Ele vin de obicei în modele repetate (de exemplu, o felie la fiecare milimetru) și au de obicei un număr constant de pixeli într-o imagine cu un model obișnuit. Acesta este un exemplu de rețea volumetrică obișnuită în care fiecare element, sau voxel , reprezintă o singură valoare, obținută prin examinarea zonei din jurul voxelului.
Potrivit lui Rosenblum (1994), „imaginile volumetrice explorează un set de tehnici care permit vizualizarea unui obiect fără o reprezentare matematică a suprafeței. Utilizată inițial în imagistica medicală , imagistica volumetrică a devenit o tehnică curentă pentru multe discipline științifice care afișează fenomene precum norii, fluxul de apă, structuri moleculare și biologice. Mulți algoritmi de imagistică volumetrică sunt costisitoare din punct de vedere computațional și necesită un depozit de date mare. Dezvoltarea hardware-ului și software-ului computerului crește dimensiunea obiectelor de vizualizare și viteza de procesare în timp real.”
Dezvoltarea tehnicii bazată pe tehnologii web și randare pe partea browserului permite o reprezentare volumetrică simplă a unui cuboid cu o schimbare a cadrului pentru a afișa volumul, masa și densitatea datelor - instrumentul HowMuch , creat de This Equals [9] [10]
Această secțiune oferă o serie de exemple despre modul în care vizualizarea științifică poate fi aplicată astăzi [11] .
Formarea stelelor : Imaginea este o reprezentare volumetrică a densității logaritmice a gazului/prafului din pachetul de simulare a stelei și galaxiilor Enzo. Zonele cu densitate mare sunt reprezentate în alb, în timp ce zonele mai puțin dense sunt reprezentate în albastru.
Unde gravitaționale : Cercetătorii au folosit Globus Toolkit, puterea combinată a mai multor supercomputere, pentru a simula efectele gravitaționale ale unei coliziuni cu găuri negre.
Explozii de supernove : Figura arată un calcul 3D al hidrodinamicii radiative în explozia unei supernove masive . Codul pactului de evoluție stelar DJEHUTY a fost folosit pentru a calcula un model al exploziei stelei SN 1987A în spațiul tridimensional.
Vizualizare moleculară : Pentru a crea o imagine a unei molecule, au fost utilizate principalele caracteristici ale programului VisIt . Datele brute au fost preluate din Protein Data Bank și convertite într-un fișier VTK înainte de vizualizare.
Redare peisaj
Vizualizarea climei [14]
Anomalie atmosferică în Times Square
Vizualizare peisaj : Programul VisIt poate citi unele dintre formatele de fișiere utilizate în mod obișnuit însistemele de informații geografice(GIS), care permite utilizarea datelor raster, cum ar fi informațiile de teren, pentru vizualizare. Imaginea arată o diagramă a unui set de date DEM care conține informații despre zonele muntoase de lângă Dunsmuir (Dunsmuir, CA). Contururile (izohipse, linii cu aceeași înălțime deasupra nivelului mării) sunt adăugate graficului pentru a reflecta modificările de înălțime.
Simulare tornadă: Imagine creată din datele de simulare a tornadei pe clusterul de calcul IBM p690 al NCSA. O animație de televiziune de înaltă definiție a furtunii provenite de la NCSA a fost inclusă în episodul NOVA din serialul de televiziune PBS intitulat „Hunt for the Supertwister”. Tornada este prezentată sub formă de sfere, care sunt colorate în funcție de presiune - tuburile portocalii și albastre reprezintă curenții de aer ascendenți și descendenți din jurul tornadei.
Vizualizare climatică : Această vizualizare arată dioxidul de carbon (dioxid de carbon) din diverse surse care este transportat prin convecție. Dioxidul de carbon din ocean este prezentat sub formă de jeturi în februarie 1900.
Anomalie atmosferică din Times Square : imaginea arată rezultatul unei simulări SAMRAI a unei anomalii atmosferice în și în jurul lui Times Square.
Vizualizarea științifică a structurilor matematice a fost efectuată pentru a împinge intuiția pentru a construi modele mentale [15] .
Obiectele cu dimensiuni mari pot fi redate ca proiecții în dimensiuni inferioare. În special, obiectele 4D sunt redate ca proiecții în spații 3D. Proiecțiile obiectelor de dimensiuni mari în dimensiuni mai mici pot fi folosite pentru manipularea virtuală a obiectelor, ceea ce vă permite să lucrați cu obiecte 3D prin operații în 2D [16] și să lucrați cu obiecte 4D prin operații în spațiul tridimensional [17] .
Grafice curbe
Imagine abstractă
diagramă de dispersie
Cartografierea computerizată a suprafețelor topografice : Prin cartografierea computerizată a suprafețelor topografice, matematicienii pot testa teoriile despre modul în care materialele se schimbă sub stres. Imaginea face parte din activitatea Laboratorului de Imagistica Electronică al Fundației Naționale de Știință de la Universitatea Illinois din Chicago .
Curbe Plots : VisIt poate trasa curbe pentru datele citite din fișiere. Programul poate fi folosit pentru a extrage și afișa curbe pentru date din seturi de date multidimensionale folosind instrucțiuni sau interogări „lineout”. Curbele din imagine corespund liniilor de contur ( izohipse ) ale datelor, create cu capacitatea de „liniere”. „Lineout” vă permite să desenați interactiv o linie care definește calea de-a lungul căreia sunt eșantionate datele. Datele selectate au fost apoi trasate pe curbe.
Adnotare imagine : imaginea arată Leaf Area Index (LAI), o măsură a vegetației globale din datele NetCDF. Imaginea principală este imaginea mare din partea de jos care arată LAI pentru întreaga lume. Graficul de mai sus este o adnotare care conține imagini obținute anterior. Adnotarea imaginii poate fi utilizată pentru a include material care îmbunătățește vizualizarea parcelelor suport, date experimentale, mărci înregistrate etc.
Caracteristica „ Scatterplot ” a lui VisIt permite vizualizarea datelor multidimensionale de până la patru dimensiuni. Graficul de dispersie preia mai multe variabile scalare și le folosește ca axe diferite în spațiul fazelor . Diferitele variabile sunt combinate pentru a forma coordonatele glifului în spațiul fazelor, iar glifele sunt colorate după valoarea unei alte variabile scalare.
Modelul Porsche 911
Imaginea aeronavei YF-17
Vizualizarea orașului
Modelul Porsche 911 (NASTRAN): Figura conține o diagramă în grilă a modelului Porsche 911 din setul de date NASTRAN. VisIt poate citi un subset limitat de date în format NASTRAN, în general suficient pentru importarea și vizualizarea geometriei.
Graficul aeronavei YF-17 : Figura prezintă o reprezentare a datelor CGNS pentru aeronava YF-17. Datele conțin o grilă nestructurată cu o soluție. Desenul a fost creat folosind diagrame pseudocolor ale datelor de viteză ( numărul Mach ), o grilă de rețea și o diagramă vectorială de tăiere prin câmpul de viteză.
Vizualizarea orașului : a fost citit un fișier de formă ESRI care conține descrieri ale clădirilor ca poligoane, iar apoi poligoanele au fost desenate într-o grilă dreptunghiulară care a format peisajul urban.
Măsurarea traficului de intrare: Folosit pentru a vizualiza traficul de intrare în miliarde de octeți pe coloana vertebrală NSFNET T1 în septembrie 1991. Volumul traficului este afișat de la violet (zero octeți) la alb (100 de miliarde de octeți). Graficul reprezintă Merit Network, Inc. date [18]
Laboratoare proeminente care lucrează în acest domeniu:
Conferințe ordonate după importanță în domeniul vizualizării științifice [19] :
| Amira | Avizo |
| linie baud | Bitplane |
| Datacopia | Dataplot |
| DataMelt | MeVisLab |
| Limbajul de comandă NCAR | portocaliu |
| paraviz | Tecplot |
| tomviz | VAPORI |
| Vis5D | VisAD |
| Vizitați | VTK |
setul de instrumente pentru topologie
| Vizualizarea informațiilor tehnice | |
|---|---|
| Zone |
|
| Tipuri de imagini |
|
| Personalități |
|
Domenii conexe |
|
