Vědecká vizualizace je interdisciplinární obor vědy . Podle Friendly se „zabývá především vizualizací trojrozměrných jevů (architektonických, meteorologických, lékařských, biologických dat a tak dále), s důrazem na realistické zobrazení objemů, povrchů, světelných zdrojů atd. na, možná v dynamice (v čase)“ [2] . Vědecká vizualizace také zvažuje podmnožinu metod počítačové grafiky , odvětví informatiky. Účelem vědecké vizualizace je graficky znázornit vědecká data, aby vědci mohli data porozumět, prohlížet a získat vhled do nich.
Jedním z prvních příkladů 3D vědecké vizualizace byl Maxwellův termodynamický povrch vyrobený z hlíny v roce 1874 Jamesem Clerkem Maxwellem [3] . Byl to prototyp moderní vědecké zobrazovací techniky, která využívá počítačovou grafiku [4] .
Pozoruhodné rané 2D příklady zahrnují mapu Napoleonova postupu na Moskvu z roku 1869 od Charlese Josepha Minarda 2] . Florence Nightingaleová používala grafy, které nazvala „coxcombs“ (kohoutí hřeben) v roce 1857 jako součást kampaně za zlepšení hygieny v britské armádě [2] . John Snow v roce 1855 použil tečkovou distribuční mapu k vizualizaci vypuknutí cholery v Broad Street [2] .
Vědecká vizualizace pomocí počítačové grafiky si získala oblibu jako poměrně vyspělá. Hlavními aplikacemi byla skalární a vektorová pole z počítačových simulací a experimentálních dat. Hlavní metody pro vizualizaci dvourozměrných (2D) skalárních polí jsou vykreslování barev a kreslení obrysových čar . 2D vektorová pole jsou vykreslována pomocí glyfů a proudnic nebo metod lineární integrální konvoluce (LIC). 2D tenzorová pole se často převádějí na vektorové pole pomocí jednoho ze dvou vlastních vektorů, které reprezentují každý bod pole, a poté se vykreslují pomocí rendererů vektorových polí.
Pro 3D skalární pole je hlavní metodou objemové vykreslování a rovné povrchy . Metody pro vizualizaci vektorových polí zahrnují glyfy (grafické ikony), jako jsou šipky, proudnice a stopy , trasování částic, lineární integrální konvoluce (LIC) a topologické metody. V poslední době byly vyvinuty metody pro vizualizaci 2D a 3D tenzorových polí, jako jsou hyperstreamlines [5] .
Počítačová animace je umění, technika a věda o vytváření pohyblivých obrázků pomocí počítačů . Stává se stále běžnějším prostřednictvím vytváření 3D počítačové grafiky , ačkoli 2D počítačová grafika zůstává široce používána pro potřeby stylistického, méně náročného na data nebo rychlejšího vykreslování v reálném čase Někdy je cílovým zařízením animace samotný počítač, ale někdy jiná média , jako je film . Taková animace je označována jako CGI ( Computer Generated Image ), zejména při použití ve filmech. Aplikací je lékařská animace , která se nejčastěji používá jako výukový nástroj pro zdravotnický personál nebo pacienty.
Počítačová simulace je počítačový program nebo síť počítačů, která se pokouší modelovat abstraktní model určitého systému. Počítačové modelování se stalo užitečnou součástí matematického modelování mnoha přírodních systémů ve fyzice a výpočetní fyzice, chemii a biologii, lidských systémů v ekonomii, psychologii a sociologii, v procesu navrhování a nových technologiích, abychom pochopili, jak tyto systémy fungují, popř. pozorovat jejich chování [6] .
Počítačové simulace sahají od jednotlivých počítačových programů běžících několik minut, skupin počítačů v síti běžících hodiny až po průběžné simulace běžící měsíce. Rozsah počítačově simulovaných událostí daleko přesahuje jakékoli možné (nebo dokonce jakékoli mentálně představitelné) použití tradičního matematického modelování s tužkou v ruce – před deseti lety bylo několik superpočítačů amerického ministerstva obrany zakoupeno v rámci programu modernizace vysoce výkonných počítačů [7] .
Vizualizace informací je studie o „ vizuální reprezentaci velkých souborů nedigitálních informací, jako jsou soubory a řádky kódu v softwarových systémech , knihovnách a biobliografických databázích , připojení k internetu a tak dále“ [2] .
Informační vizualizace se zaměřuje na vytváření přístupů pro poskytování abstraktních informací intuitivním způsobem. Vizuální prezentace a interaktivní techniky využívají šířku pásma lidského oka k mozku a umožňují uživatelům vidět, prozkoumat a pochopit velké množství informací najednou [8] . Klíčový rozdíl mezi vědeckou vizualizací a vizualizací informací je v tom, že vizualizace informací se často aplikuje na data, která nejsou generována vědeckým vyhledáváním. Některé příklady jsou grafická prezentace dat pro obchod, vládu, zprávy a sociální média.
Technologie rozhraní a vnímání ukazuje, jak nová rozhraní a lepší porozumění problémům vnímání vytvářejí nové možnosti pro vědeckou vizualizaci [9] .
Vykreslování je proces získání obrázku z modelu pomocí počítačového programu. Model je popis trojrozměrných objektů v přesně definovaném jazyce nebo datové struktuře. Může obsahovat geometrii, pohled, texturu , osvětlení a stínování . Obrázek je digitální obrázek nebo bitmapová grafika obrázku . Termín může být analogií pro umělcovo zobrazení scény. Termín „vykreslování“ lze použít k popisu procesu výpočtu efektů na video soubor za účelem vytvoření konečného videa. Důležité typy vykreslování jsou:
Vykreslování řádcích a rastrování Reprezentace obrazu na vysoké úrovni nutně obsahuje prvky v různých oblastech, které se skládají z pixelů. Tyto prvky se nazývají primitiva. Ve schematickém kreslení mohou být například úsečky a křivky primitivy. V grafickém uživatelském rozhraní mohou být okna a tlačítka primitivní. V 3D obrazu mohou být primitivy trojúhelníky a mnohoúhelníky v prostoru. Metoda odlévání paprsků Odlévání paprsků se používá hlavně při modelování v reálném čase, například ve 3D počítačových hrách a animacích, kde detaily nejsou tak důležité, nebo v oblastech, kde je ruční výměna dílů efektivnější pro lepší výkon. K tomu obvykle dochází, když je potřeba animace pro velký počet snímků. Výsledné povrchy vypadají "ploché", pokud nejsou použity žádné další triky, jako by všechny povrchy byly matné. Zářivost Luminosity , také známá jako globální osvětlení , je technika, která se pokouší modelovat způsoby, kterými přímo osvětlené povrchy fungují jako sekundární zdroje světla, které osvětlují jiné povrchy. To poskytuje realističtější stínování a poskytuje lepší vnímání "prostředí" . Klasickým příkladem je způsob zastínění rohů místností. Sledování paprsků Ray tracing je rozšířením techniky vyvinuté pro vykreslování čar a odlévání paprsků. Stejně jako oni si metoda dobře poradí se složitými objekty a objekty lze popsat matematicky. Na rozdíl od vykreslování čar a odlévání paprsků zahrnuje sledování paprsků téměř vždy techniku Monte Carlo , která je založena na průměru náhodně generovaných vzorků modelu.Objemové vykreslování je technika používaná k zobrazení 2D projekce 3D diskrétně vzorkovaných dat . Typický 3D soubor dat je skupina 2D řezů získaných pomocí CT nebo MRI . Obvykle přicházejí v opakujících se vzorech (například jeden řez na každý milimetr) a obvykle mají konstantní počet pixelů v obrázku s pravidelným vzorem. Toto je příklad pravidelné objemové mřížky, ve které každý prvek neboli voxel představuje jedinou hodnotu získanou pohledem na oblast obklopující voxel.
Podle Rosenbluma (1994) „objemové zobrazování zkoumá soubor technik, které umožňují pozorování objektu bez matematického znázornění povrchu. Zpočátku používané v lékařském zobrazování se objemové zobrazování stalo běžnou technikou pro mnoho vědeckých oborů, které zobrazují jevy, jako jsou mraky, proudění vody, molekulární a biologické struktury. Mnoho algoritmů objemového zobrazování je výpočetně nákladné a vyžaduje velký datový sklad. Vývoj počítačového hardwaru a softwaru zvyšuje velikost vizualizačních objektů a rychlost zpracování v reálném čase.“
Technologický vývoj založený na webových technologiích a vykreslování na straně prohlížeče umožňuje jednoduchou objemovou reprezentaci kvádru se změnou rámce pro zobrazení objemu, hmotnosti a hustoty dat - nástroj HowMuch , vytvořený This Equals [9] [10]
Tato část poskytuje řadu příkladů toho, jak lze dnes vědeckou vizualizaci použít [11] .
Vznik hvězd : Snímek je objemovou reprezentací logaritmické hustoty plynu/prachu v balíčku simulace hvězd a galaxií Enzo. Oblasti s vysokou hustotou jsou znázorněny bíle, zatímco oblasti s nižší hustotou jsou znázorněny modře.
Gravitační vlny : Výzkumníci použili sadu Globus Toolkit, kombinovaný výkon několika superpočítačů, k simulaci gravitačních účinků srážky černé díry.
Výbuchy supernov : Obrázek ukazuje 3D výpočet radiační hydrodynamiky při explozi masivní masivní supernovy . K výpočtu modelu exploze hvězdy SN 1987A v trojrozměrném prostoru byl použit kód paktu hvězdné evoluce DJEHUTY.
Molekulární vizualizace : K vytvoření obrazu molekuly byly použity hlavní funkce programu VisIt . Nezpracovaná data byla odebrána z Protein Data Bank a před vizualizací převedena do souboru VTK .
Vykreslování krajiny
Vizualizace klimatu [14]
Atmosférická anomálie na Times Square
Landscape Visualization : Program VisIt umí číst některé formáty souborů běžně používané vgeografických informačních systémech(GIS), což umožňuje použití rastrových dat, jako jsou informace o terénu, pro vizualizaci. Obrázek ukazuje graf datové sady DEM obsahující informace o vysočině poblíž Dunsmuir (Dunsmuir, CA). Kontury (izohypsy, čáry se stejnou výškou nad hladinou moře) jsou přidány do grafu, aby odrážely změny výšky.
Tornado Simulation : Obrázek vytvořený z dat simulace tornáda na výpočetním clusteru IBM p690 NCSA. Televizní animace s vysokým rozlišením bouře pocházející z NCSA byla zahrnuta do epizody NOVA televizního seriálu PBS s názvem „Hunt for the Supertwister“. Tornádo je zobrazeno jako koule, které jsou zbarveny podle tlaku - oranžové a modré trubice představují stoupající a klesající proudy vzduchu kolem tornáda.
Vizualizace klimatu : Tato vizualizace zobrazuje oxid uhličitý (oxid uhličitý) z různých zdrojů, který je transportován konvekcí. Oxid uhličitý z oceánu je zobrazen jako výtrysky během února 1900.
Times Square Atmospheric Anomálie : Obrázek ukazuje výsledek SAMRAI simulace atmosférické anomálie na Times Square a jeho okolí.
Vědecká vizualizace matematických struktur byla provedena s cílem přimět intuici k vytváření mentálních modelů [15] .
Vysokorozměrné objekty lze vykreslit jako projekce do nižších dimenzí. Zejména 4D objekty jsou vykreslovány jako projekce do 3D prostorů. Pro virtuální manipulaci s objekty lze využít projekce vysokorozměrných objektů do nižších dimenzí, což umožňuje pracovat s 3D objekty operacemi ve 2D [16] a pracovat se 4D objekty operacemi v trojrozměrném prostoru [17] .
Grafy křivek
Abstraktní obrázek
bodový diagram
Počítačové mapování topografických povrchů : Prostřednictvím počítačového mapování topografických povrchů mohou matematici testovat teorie o tom, jak se materiály mění pod napětím. Snímek je součástí práce Laboratoře elektronického zobrazování National Science Foundation 's Electronic Imaging Laboratory na University of Illinois v Chicagu .
Curve Plots : VisIt umí vykreslovat křivky pro data načtená ze souborů. Program lze použít k extrahování a zobrazení křivek pro data z vícerozměrných datových sad pomocí příkazů „lineout“ nebo dotazů. Křivky na obrázku odpovídají vrstevnicovým liniím ( izohypsám ) dat vytvořeným pomocí funkce "lineout". "Lineout" umožňuje interaktivně nakreslit čáru, která definuje cestu, po které jsou data vzorkována. Vybraná data byla poté vynesena do křivek.
Anotace obrázku : Obrázek ukazuje index listové oblasti (LAI), měřítko globální vegetace z dat NetCDF. Hlavní obrázek je velký obrázek ve spodní části zobrazující LAI pro celý svět. Výše uvedený graf je anotace obsahující dříve získané obrázky. Anotace obrázku lze použít k zahrnutí materiálu, který zlepšuje vizualizaci podpůrných grafů, experimentálních dat, ochranné známky atd.
Funkce "Scatterplot" VisIt umožňuje vizualizaci vícerozměrných dat až do čtyř rozměrů. Bodový graf bere několik skalárních proměnných a používá je jako různé osy ve fázovém prostoru . Různé proměnné jsou kombinovány za účelem vytvoření souřadnic glyfů ve fázovém prostoru a glyfy jsou obarveny hodnotou jiné skalární proměnné.
Model Porsche 911
Obrázek letadla YF-17
Vizualizace města
Model Porsche 911 (NASTRAN): Obrázek obsahuje mřížkový graf modelu Porsche 911 z datové sady NASTRAN. VisIt dokáže číst omezenou podmnožinu dat ve formátu NASTRAN, která obecně postačuje pro import geometrie a vizualizaci.
Graf letounu YF-17 : Obrázek ukazuje reprezentaci dat CGNS pro letoun YF-17. Data obsahují nestrukturovanou mřížku s řešením. Kresba byla vytvořena pomocí pseudobarevných grafů rychlostních dat ( Machovo číslo ), síťové mřížky a vektorového grafu řezů přes pole rychlosti.
Vizualizace města : Byl načten soubor tvaru ESRI obsahující popisy budov jako polygony a poté byly polygony nakresleny do obdélníkové sítě, která vytvořila panoráma města.
Ingress Traffic Measurement : Používá se k vizualizaci příchozího provozu v miliardách bajtů na páteřní síti NSFNET T1 v září 1991. Objem provozu je zobrazen od fialové (nula bajtů) po bílou (100 miliard bajtů). Graf představuje Merit Network, Inc. údaje [18]
Prominentní laboratoře pracující v této oblasti:
Konference seřazené podle důležitosti v oblasti vědecké vizualizace [19] :
| Amira | Avizo |
| Baudline | Bitplane |
| Datacopia | Dataplot |
| DataMelt | MeVisLab |
| Příkazový jazyk NCAR | Oranžová |
| paraview | Tecplot |
| tomviz | PÁRA |
| Vis5D | VisAD |
| Navštivte | VTK |
| Vizualizace technických informací | |
|---|---|
| Oblasti |
|
| Typy obrázků |
|
| Osobnosti |
|
| Související oblasti |
|
