文档介绍：计算机图形学第14讲科学数据可视化技术
华中科技大学CAD中心
吴义忠 **********
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内容提要
科学数据可视化意义
科学数据可视化过程
科学数据可视化方法
科学数据可视化工具
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、科学数据可视化意义
数据可视化技术是指运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理和分析的技术。可视化技术将数据以图像、曲线、二维图形、三维图形或动画效果显示在人们面前，并可对其模式和相互关系进行可视化分析，及时掌握计算过程中数据的变化以及其直接影响。
数据可视化的应用十分广泛,几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信或商业等各种领域。目前在全球范围内有很多颇具影响力的专业数据可视化软件及图形图像处理技术，为您提供生物医学、工程分析、地理地质、气候气象等领域的数据可视化应用解决方案。
在生物医学领域，利用可视化技术，将CT、MRI或PET三维图像进行几何重构生成三维模型，使人们从外部观察到人体内部状况，准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系，从而及时诊断疾病。此外在可视化技术的基础上可以进一步实现放射治疗、矫形手术等的计算机模拟及手术规划。例如在脑肿瘤放射治疗中，利用可视化技术就可以基于重构出的人脑内部结构三维图像，对颅骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等剂量线等进行计算机模拟，并选择最佳方案，同时还可以在屏幕上监视手术进行的情况，从而大大提高手术的成功率。
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在工程设计领域，计算力学更离不开可视化技术。在有限元分析中，应用可视化技术可实现形体的网格划分及有限元分析结果的图形显示，即所谓有限元分析的前后处理，并根据分析结果，实现网格优化，使计算结果更加可靠和精确。例如，用多种不同方法表示出每一点的速度、压力、温度和组分等，并显示出涡流、冲击波、剪切层、尾流及湍流等。在流场的可视化中，既要提高显示速度，又要逼真地显示流场的细微结构和各种参数的等值面。当然，计算流体动力学和有限元分析一样，计算的速度和准确度受网格划分的影响很大，通过可视化技术可以针对不同对象，找到最适合的网格划分方法。
在地质领域，利用可视化技术可以从大量的地质勘探数据或测井数据中，构造出感兴趣的等值面、等值线，并显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，从而使专业人员能对原始数据做出正确解释，得到需要的地质信息，如地质结构、矿产储量等。
在气象领域，科学计算可视化可将大量的天气数据转换为图像，在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、旋涡、云层的位置及运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等，使预报人员能对未来的天气做出准确的分析和预测。并根据全球的气象监测数据和计算结果，将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来，从而对全球的气象情况及其变化趋势进行研究和预测。
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可视化过程
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二维数据场是科学计算可视化处理的最简单的一类数据场，二维数据场是在某一平面上的一些离散数据，可看成定义在某一平面上的一维标量函数F=F(x,y)。二维数据场可视化的方法主要有颜色映射法、等值线、立体图法和层次分割法等，这些方法的原理都比较简单。
科学计算可视化的常用方法
1）二维平面数据场的可视化方法
颜色映射法
等值线法
层次划分法
2）三维空间数据场方法
三维空间数据场与二维数据场不同，它是对三维空间中的采样，表示了一个三维空间内部的详细信息，这类数据场最典型的医学CT采样数据，每个CT的照片实际上是一个二维数据场，照片的灰度表示了某一片物体的密度。将这些照片按一定的顺序排列起来，就组成了一个三维数据场。此外，用大规模计算机计算的航天飞机周围的密度分布也是一个三维数据场的例子。
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抽取表面信息的可视化方法
断层间的构造等值面的方法
立方体中构造等值面方法（Marching Cube）
直接体绘制方法
光线投射体绘制流程
体绘制生成的图象
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3）向量场可视化方法
标量（Scalar）：指只有大小而没有方向的量，比如长度、质量等；
向量（Vector），也叫矢量：是既有大小也有方向的量，如力、速度等。
向量场同标量场一样，也分为二维、三维等，但向量场中每个采样点的数据不是温度、压力、密度等标量，而是速度等向量。向量场可视化技术的难点是很难找出在三维空间中表示向量的方法。
三维向量场箭头表示
三维空间中的流线
三维空间中的流面
4）基于动画的可视化方法