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根據(jù)屬性數(shù)據(jù)在空間的分布,其數(shù)據(jù)場可分為規(guī)則分布和不規(guī)則分布。
數(shù)據(jù)場的可視化目前主要集中在二維和三維。二維標量數(shù)據(jù)場的可視化比較成熟,三維場還在不斷發(fā)展。
"數(shù)據(jù)場可視化的處理方法
數(shù)據(jù)場可視化是把數(shù)值計算或試驗測量的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人的視覺可以感受的計算機圖像,即用直觀的圖形輸出代替數(shù)字輸出。計算機圖形學處理的對象是曲線和曲面等幾何對象。可視化要處理的對象則是數(shù)據(jù)場。計算機圖形學中已有許多算法來顯示與處理各種實體,還配備了專用硬件。可視化處理方法主要有:
其一,從數(shù)據(jù)場中提取曲線信息及提取邊界曲面和等值面等曲面信息,其后采用原有顯示技術對其加以顯示。這種方法的缺點是:在構(gòu)造曲面的過程中會丟失大量信息,主要是曲面內(nèi)部或曲面外部的信息。因此,只是顯示某些特殊的局部信息。
其二,剖面顯示,即研究體數(shù)據(jù)在某一剖面上的分布情況,這種方法在發(fā)動機試驗中很有效。例如,顯示在垂直于發(fā)動機軸的各主要特征截面的數(shù)據(jù)信息。
其三,體繪制技術。這種方法的特點是對體數(shù)據(jù)進行整體顯示,即將數(shù)據(jù)場的不同層次、不同材料以及不同特性都在一幅圖像中整體表現(xiàn)出來。顯然,體繪制方法有助于人們把握數(shù)據(jù)場的全局。
下面以三維數(shù)據(jù)場可視化的處理過程為例,闡述其主要處理過程。
()數(shù)據(jù)預處理
可視化的輸人數(shù)據(jù)來自計算機模擬計算的數(shù)據(jù)或試驗測量數(shù)據(jù),也可從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用。可視化軟件中的預處理模塊應能處理數(shù)值數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù),并能使數(shù)據(jù)格式化、標準化。對數(shù)據(jù)的存儲、管理和調(diào)用,通常采用廣泛的數(shù)據(jù)庫管理。
對于模擬計算和試驗測量的數(shù)據(jù),可能含有外來“噪聲”,一般不能直接輸入到可視化功能處理模塊中,通常需對其進行變換處理,進行某些增強、預備或清理過程,以及進行坐標變換、
幾何變換與線性變換等。()影射影射實質(zhì)上是構(gòu)模。它是將數(shù)值模擬和試驗測量的數(shù)據(jù)影射成可繪制圖像的幾何數(shù)據(jù),它是三維數(shù)據(jù)場可視化的核心部分。對不同類型的數(shù)據(jù)有不同的影射。例如: 對一維標量數(shù)據(jù)場采用線畫圖、直方圖和柱形圖;對二維標量場,常采用網(wǎng)格序列 •%•
法、網(wǎng)格無關法、區(qū)域填充法;三維標量場的影射主要包括斷層間表面重構(gòu)技術、等值面的生成和繪制技術及體繪制方法。
斷層間表面重構(gòu)是從一系列斷面上的輪廓線中推導出相應實體的空間結(jié)構(gòu)。這種技術廣泛應用于醫(yī)學、生物、材料工程和構(gòu)件檢測。常采用拓撲重構(gòu)、三角片表面重構(gòu)及面向體重構(gòu)等。
等值面生成和繪制技術應用很廣,很多標量場問題均可歸納為等值面的抽取和繪制。如有限元分析中包括等勢面、等壓面、等位面、等溫面的生成,常用方法有 "%&’’顯示法、 ()%*+&,-"算法、有限元中的等值面生成、幾何變形模型和模型法等。
"體數(shù)據(jù)顯示方法有:一種是以像素順序進行,即依序處理像素;另一種是依序處理體元。常用的體繪制法是材料混合法,它是首先將輸入的體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成一系列物質(zhì)比例體,物質(zhì)比例體中的每一數(shù)據(jù)表現(xiàn)了在此區(qū)域內(nèi)某物質(zhì)存在的概率。物質(zhì)比例體可以通過輸入方式構(gòu)造,也可以利用概率劃分的方法進行拘造。例如,構(gòu)造顏色體,可以通過將每一種物質(zhì)給出一種顏色,對體中的任一位置,由物質(zhì)比例體可以得知此處各物質(zhì)的比例,將各種物質(zhì)的比例與其對應的顏色相乘后相加,就可以得到顏色體。
另一種體繪制方法是源一衰減方法,它是通過一個映射,依據(jù)節(jié)點處的灰度值,對每一節(jié)點分配一個發(fā)光強度及一個衰減因子。當光線穿過體數(shù)據(jù)的定義區(qū)域時,沿光線進行采樣,利用體元頂點處的值進行插值獲得采樣點的發(fā)光強度及衰減因子,由此計算出光線在此體元內(nèi)所發(fā)出光的總量及對光的衰減程度。由前至后反復進行此過程,將所得結(jié)果與所發(fā)出的光進行結(jié)合,最終結(jié)果作為此光線的顏色。體繪制法采用光照模型直接從數(shù)據(jù)場繪制出各類物理量的分布,因此這種直接體繪制技術能顯示出對象體豐富的細節(jié)內(nèi)容。
矢量場和張量場不同之處在于每個物理量不僅有大小,而且有方向,其影射方法包括矢量場線和面的生成、質(zhì)點跟蹤、矢量場拓撲及張量場中超流線可視化方法等。(.)繪制
繪制是將影射所獲得的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)。繪制中可以采用計算機圖形學理論和方法,包括掃描轉(zhuǎn)換、隱蔽面的消除、光照模型、明暗處理、透明與陰影、紋理影射和反走樣技術等。通常計算機圖形學提供的繪制方法基本上可以滿足可視化繪制要求。
(/)顯示
顯示是將繪制生成的圖像數(shù)據(jù)在指定的輸出設備上按一定要求(如顯示窗口的大小與位置、存儲格式等)進行輸出。顯示模塊除完成可視圖像信息的輸出功能外,還應實現(xiàn)人一機交互界面。可視化系統(tǒng)中的人一機交互過程包括與圖形的交互、與數(shù)據(jù)的交互。
.0數(shù)據(jù)場可視化技術的相關知識三維數(shù)據(jù)場的可視化涉及計算機圖形學、圖像處理和視覺信息等諸方面知識,現(xiàn)概述有關幾何變換、視圖變換及顏色的基本知識。
(1)幾何變換
由于物理對象是在一公共坐標系定義的,屏幕圖形實際是以物理設備坐標系定義的,基于此,在實現(xiàn)可視化時,需要對對象進行一系列幾何變換,包括圖形對象的放大和縮小、改變圖形對象方向性的旋轉(zhuǎn)變換、定位圖形對象的平移變換等。
(2)視圖變換
•12.3•
三維圖形對象的視覺效果與觀察者的方向和位置緊密相關。常用方法是將三維目標影射到二維輸出設備。其投影有平行投影(利用多視圖產(chǎn)生立體效果)、透視投射(利用攝像原理獲得立體圖像)。
()顏色在人眼感覺到的可見光譜中,不同波長引起的顏色感覺不同,例如,波長 "%為紅色、 &’%為黃色、 &(%為綠色以及 )"%為藍色等。
顏色分非彩色和彩色。彩色有三種特性:明度、色調(diào)(紅、橙、黃、綠、藍、青、紫等)、飽和度(即摻人白光的多少)。色調(diào)決定于波長。紅、綠和藍是三基色。紅色 *綠色為黃色;紅色 *藍色為紫色;藍色 *綠色為青色;紅色 *藍色 *綠色為白色。
可視化技術普遍采用彩色圖像。其顯示方式有:
偽彩色圖像顯示。它通過人工方式對圖像著色之后再顯示出來。例如,像素與溫度有關,因此可利用偽彩色技術來區(qū)分不同的溫度。首先選擇顏色,然后確定溫度與顏色的映射關系。顏色數(shù)一般控制在 (+種以內(nèi),中間用顏色平滑過渡。
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