可視化技術(shù)

一.引言

現(xiàn)代的數(shù)據(jù)可視化(Data Visualization)技術(shù)指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將數(shù)據(jù)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái),并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)可視化概念首先來(lái)自科學(xué)計(jì)算可視化(Visualization in Scientific Computing)，科學(xué)家們不僅需要通過(guò)圖形圖像來(lái)分析由計(jì)算機(jī)算出的數(shù)據(jù)，而且需要了解在計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)的變化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化概念已大大擴(kuò)展，它不僅包括科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化,而且包括工程數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。學(xué)術(shù)界常把這種空間數(shù)據(jù)的可視化稱為體視化(Volum Visualization)技術(shù)。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子商務(wù)的發(fā)展，提出了信息可視化(Information Visualization)的要求。我們可以通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，發(fā)現(xiàn)大量金融、通信和商業(yè)數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律，從而為決策提供依據(jù)。這已成為數(shù)據(jù)可視化技術(shù)中新的熱點(diǎn)。

為適應(yīng)硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和通信方面的飛速發(fā)展，可視化的軟件產(chǎn)品在近幾年中發(fā)展很快,其中以AVS/Express開(kāi)發(fā)版、IDL(包括VIP、ION)和PV-WAVE等為代表。AVS/Express開(kāi)發(fā)版，可以提供多平臺(tái)的交互式多維可視化軟件開(kāi)發(fā)和集成環(huán)境。

二.發(fā)展數(shù)據(jù)可視化的重要意義

怎樣來(lái)分析大量、復(fù)雜和多維的數(shù)據(jù)呢?答案是要提供象人眼一樣的直覺(jué)的、交互的和反應(yīng)靈敏的可視化環(huán)境。因此，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的主要特點(diǎn)是：

(1)交互性。用戶可以方便地以交互的方式管理和開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)。

(2)多維性。可以看到表示對(duì)象或事件的數(shù)據(jù)的多個(gè)屬性或變量，而數(shù)據(jù)可以按其每一維的值，將其分類、排序、組合和顯示。

(3)可視性。數(shù)據(jù)可以用圖象、曲線、二維圖形、三維體和動(dòng)畫(huà)來(lái)顯示，并可對(duì)其模式和相互關(guān)系進(jìn)行可視化分析。 歷史證明，人類的視覺(jué)在人類的科學(xué)發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮過(guò)杰出的作用。通常在可視化方面，關(guān)鍵技術(shù)的出現(xiàn)，就是重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的前奏。望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡在天文學(xué)和生物發(fā)展中的作用，就是明證。這些工具，放大和擴(kuò)展了人類眼晴的功能。今天，這個(gè)道理仍然成立。人類的可視化功能，允許人類對(duì)大量抽象的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。新的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)工具，可以大大拓展我們的視力。人的創(chuàng)造性不僅取決于人的邏輯思維，而且取決于人的形象思維。海量的數(shù)據(jù)只有通過(guò)可視化變成形象，才能激發(fā)人的形象思維。從表面上看來(lái)是雜亂無(wú)章的海量數(shù)據(jù)中，找出其中隱藏的規(guī)律，為科學(xué)發(fā)現(xiàn)、工程開(kāi)發(fā)、醫(yī)療診斷和業(yè)務(wù)決策等提供依據(jù)。這里我們還必須區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)、信息和知識(shí)的概念。數(shù)據(jù)是符號(hào)的集合。信息是有用的數(shù)據(jù)。信息不等同于知識(shí)。信息不能像知識(shí)那樣去反映數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。對(duì)于知識(shí)，有人主張可分成兩類，一類是無(wú)法用語(yǔ)言和文字來(lái)描述的，稱之謂隱知識(shí)(Tacit Knowledge);另一類是可以用語(yǔ)言和文字來(lái)描述的，稱之謂顯知識(shí)(Explicit Knowledge)。當(dāng)前，信息就是這種顯知識(shí)。展望未來(lái)，在腦科學(xué)取得突破的基礎(chǔ)上，將研制成功類人腦的計(jì)算機(jī)-生物計(jì)算機(jī)，從而開(kāi)創(chuàng)人工智能的黃金時(shí)代。但即使到那時(shí)，信息也不能完全表達(dá)人類全部的隱知識(shí)。只有將數(shù)據(jù)和信息用圖形和圖像表示出來(lái)，才有可能為獲得十分寶貴的隱知識(shí)創(chuàng)造條件?？傊瑪?shù)據(jù)可視化可以大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使時(shí)刻都在產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)得到有效利用;可以在人與數(shù)據(jù)、人與人之間實(shí)現(xiàn)圖像通信，從而使人們能夠觀察到數(shù)據(jù)中隱含的現(xiàn)象，為發(fā)現(xiàn)和理解科學(xué)規(guī)律提供有力工具;可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算和編程過(guò)程的引導(dǎo)和控制，通過(guò)交互手段改變過(guò)程所依據(jù)的條件，并觀察其影響。

計(jì)算機(jī)用于科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理已有近50年的歷史。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的限制，數(shù)據(jù)只能以批處理而不能進(jìn)行交互處理。不能對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行干預(yù)和引導(dǎo)，只能被動(dòng)地等待計(jì)算結(jié)果的輸出。而大量的輸出數(shù)據(jù)也只能采用人工方式處理，或者使用繪圖儀輸出二維圖形。這樣做，不僅不能及時(shí)地得到有關(guān)數(shù)據(jù)的直觀、形象的整體概念，而且還有可能丟失大量信息。近年來(lái)，來(lái)自超級(jí)計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、先進(jìn)醫(yī)學(xué)成象設(shè)備以及地質(zhì)勘探的數(shù)據(jù)與日俱增，使數(shù)據(jù)可視化日益成為迫切需要解決的問(wèn)題。另一方面，近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度迅速提高，內(nèi)存容量和磁盤空間不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)功能日益增強(qiáng)，并可用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)許多重要的圖形生成及圖像處理算法，這才有可能運(yùn)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，直觀、形象地顯示海量的數(shù)據(jù)和信息，并進(jìn)行交互處理。

下面我們舉例來(lái)說(shuō)明發(fā)展可視技術(shù)的重大意義。長(zhǎng)期以來(lái)人類就有認(rèn)識(shí)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的愿望。直到70年代計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和核磁共振圖像(MRI)技術(shù)和可視化技術(shù)的出現(xiàn),才使獲取人體內(nèi)部數(shù)據(jù)的愿望成為現(xiàn)實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館(NLM)于1989年開(kāi)始實(shí)施可視化人體計(jì)劃(VHP)。委托科羅拉多大學(xué)醫(yī)學(xué)院建立起一男一女的全部解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。他們將一具男性和一具女性尸體從頭到腳做 CT掃描和核磁共振掃描。男的間距1毫米，共1878 個(gè)斷面;女的間距0.33毫米，共5189個(gè)斷面。然后將尸體填充藍(lán)色乳膠并裹以明膠后冰凍至攝氏零下80 度，再以同樣的間距對(duì)尸體作組織切片的數(shù)碼相機(jī)攝影。分辨率為2048 ×1216。所得數(shù)據(jù)共56GB(男13GB，女43GB)。全球用戶在與美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館簽訂使用協(xié)議并付少量費(fèi)用后,即可獲得這一龐大的數(shù)據(jù),用于教學(xué)和科學(xué)研究。VHP數(shù)據(jù)集的出現(xiàn)，標(biāo)志計(jì)算機(jī)三維重構(gòu)圖像和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，從而大大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展和普及。

三.數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用

數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用十分廣泛,幾乎可以應(yīng)用于自然科學(xué)、工程技術(shù)、金融、通信和商業(yè)等各種領(lǐng)域。下面舉例說(shuō)明幾個(gè)數(shù)據(jù)可視化成功應(yīng)用的領(lǐng)域。

1.醫(yī)學(xué)

醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的可視化，已成為數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域中最為活躍的研究領(lǐng)域之一。由于近代非侵入診斷技術(shù)如CT、MRI和正電子放射斷層掃描(PET)的發(fā)展,醫(yī)生已經(jīng)可以較易獲得病人有關(guān)部位的一組二維斷層圖象。CT打破傳統(tǒng)的膠片感光成像模式，通過(guò)計(jì)算機(jī)重構(gòu)人體器官或組織的圖像，使醫(yī)學(xué)圖像從二維走向三維，使人們從人體外部可以看到內(nèi)部。PET把核技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)。經(jīng)核素標(biāo)記的示蹤劑注入人體后，核素衰變過(guò)程中產(chǎn)生的正電子湮滅通過(guò)電子檢測(cè)和計(jì)算機(jī)重構(gòu)成像，使我們可以得到人體代謝或功能圖像。在此基礎(chǔ)上，利用可視化軟件,對(duì)上述多種模態(tài)的圖像進(jìn)行圖像融合，可以準(zhǔn)確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀以及它與周圍生物組織之間的空間關(guān)系，從而及時(shí)高效地診斷疾病。美國(guó)加洲的ADAC實(shí)驗(yàn)室,約翰.霍普金斯大學(xué)、焦點(diǎn)圖形公司、集成醫(yī)學(xué)圖象處理系統(tǒng)公司以及德國(guó)柏林大學(xué)等、都采用可視化軟件系統(tǒng),將獲得的二維斷層圖象，重構(gòu)有關(guān)器官和組織的三維圖象。他們開(kāi)發(fā)出的軟件已在許多醫(yī)院得到應(yīng)用。另外，美國(guó)華盛頓大學(xué)利用可視化軟件系統(tǒng)和心臟超聲診斷技術(shù),可以獲得心臟的三維圖象,并用于監(jiān)控心臟的形狀、大小和運(yùn)動(dòng)，為綜合診斷提供依據(jù)。電子束CT(EBCT)由電子束掃描替代了X線管與檢測(cè)器的機(jī)械掃描，因而掃描速度提高近百倍，檢查運(yùn)動(dòng)的器官(如心臟大血管)能得到清晰的圖像，實(shí)現(xiàn)了電影CT，是CT技術(shù)的一次革命。中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)阜外心血管病醫(yī)院已將EBCT三維圖像重建用于主動(dòng)脈病變的臨床診斷和冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)(CABG)后的血管顯示。

圖1 美國(guó)ADAC實(shí)驗(yàn)室給出的多種模態(tài)的融合圖象

由于EBCT血管造影圖像時(shí)間分辨率高，消除了呼吸及運(yùn)動(dòng)偽影，可以明確診斷各種主動(dòng)脈病變和顯示冠狀動(dòng)脈搭橋血管解剖結(jié)構(gòu)。三維重建圖像利于整體直觀地顯示病變，幫助明確診斷并指導(dǎo)手術(shù)。從而在主動(dòng)脈病變的診斷和冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)后的血管顯示方面，可望取代有創(chuàng)的常規(guī)血管造影

在可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)放射治療、矯形手術(shù)等的計(jì)算機(jī)模擬及手術(shù)規(guī)劃。例如，在做腦部腫瘤放射治療時(shí)，需要在顱骨上穿孔，然后將放射性同位素準(zhǔn)確地安放在腦中病灶部位，既要使治療效果最好,又要保證整個(gè)手術(shù)過(guò)程及同位素射線不傷及正常組織。由于人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且在不開(kāi)顱的情況下，醫(yī)生無(wú)法觀察到手術(shù)實(shí)際進(jìn)行情況，因而要達(dá)到上述要求是十分困難的。利用可視化技術(shù)就可以在重構(gòu)出的人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維圖像的基礎(chǔ)上，對(duì)顱骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等劑量線等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，并選擇最佳方案。同時(shí)還可以在屏幕上監(jiān)視手術(shù)進(jìn)行的情況，從而大大提高手術(shù)的成功率。又如，有不少兒童的髖關(guān)節(jié)發(fā)育不正常，當(dāng)作矯形手術(shù)時(shí)，需要對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行切割、移位、固定等操作。利用可視化技術(shù)可以首先在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造出髖關(guān)節(jié)的三維圖像，然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)切割部位、切割形狀、移位多少及固定方式等的多種方案進(jìn)行模擬，從而大大提高矯形手術(shù)的質(zhì)量。

2.油氣勘探

圖2 用PGS Tigress有限公司軟件顯示的油藏三維圖

多年前，人們就已經(jīng)找到了許多大型油氣田。目前石油工業(yè)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題是：如何尋找規(guī)模小而埋藏深的油氣田。除了尋找新油田之外，新技術(shù)的出現(xiàn)還允許我們通過(guò)改善分析和回收方法，使現(xiàn)存油田處于最佳狀態(tài)，并延長(zhǎng)很多油田的產(chǎn)油壽命。科學(xué)家和工程技術(shù)人員必須先對(duì)大量的地震勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的解釋，然后才能確定油田是否存在，并確定對(duì)地下資源的開(kāi)采管理方案。油氣勘探的主要方式，是通過(guò)天然地震波或人工爆炸產(chǎn)生的聲波在地質(zhì)構(gòu)造中的傳播，來(lái)重構(gòu)大范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，并通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)了解局部區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)，探明油藏氣藏位置及其分布，估計(jì)蘊(yùn)藏量及其勘探價(jià)值。由于地震數(shù)據(jù)及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量極其龐大，而且分布不均勻，因而無(wú)法根據(jù)紙面上的數(shù)據(jù)作出分析。利用可視化技術(shù)可以從大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)或測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中，構(gòu)造出感興趣的等值面、等值線，并顯示其范圍及走向，并用不同顏色顯示出多種參數(shù)及其 相互關(guān)系，從而使專業(yè)人員能對(duì)原始數(shù)據(jù)作出正確解釋，得到礦藏是否存在、礦藏位置及儲(chǔ)量大小等重要信息。這不僅可以指導(dǎo)打井作業(yè)、減少無(wú)效井位、節(jié)約資金，而且必將大大提高尋找油藏的效率，從而具有重大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。英國(guó)的PGS Tigress有限公司開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)的可視化軟件,已在全世界許多油田和天然氣開(kāi)發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。利用這種軟件，可以進(jìn)行地震數(shù)據(jù)處理、測(cè)井多井評(píng)估、模擬油氣的儲(chǔ)存和生產(chǎn)過(guò)程。不僅能確定油氣儲(chǔ)存的位置，而且便可以跟蹤油氣的運(yùn)動(dòng)，便于確定開(kāi)采油氣的最優(yōu)路徑。我國(guó)大慶勘探開(kāi)發(fā)研究院開(kāi)發(fā)了地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，可以全方位、方便靈活地對(duì)三維數(shù)據(jù)體中的斷層、部面、層面及其內(nèi)部所包含的數(shù)據(jù)類別、地質(zhì)屬性進(jìn)行立體顯示，具有面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)環(huán)境，能滿足用戶的各種數(shù)據(jù)可視化要求。

3.氣象預(yù)報(bào)

圖3 美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局預(yù)報(bào)的北克拉羅多的天氣數(shù)據(jù)的三維圖象

氣象預(yù)報(bào)關(guān)系到億萬(wàn)人民的生活、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全。對(duì)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)和預(yù)防將會(huì)大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性依賴于對(duì)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析。一方面，科學(xué)計(jì)算可視化可將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出某一時(shí)刻的等壓面、等溫面、旋渦、云層的位置及運(yùn)動(dòng)、暴雨區(qū)的位置及其強(qiáng)度、風(fēng)力的大小及方向等，使預(yù)

報(bào)人員能對(duì)未來(lái)的天氣作出準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)。另一方面,根據(jù)全球的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，可將不同時(shí)期全球的氣溫分布、氣壓分布、雨量分布及風(fēng)力風(fēng)向等以圖像形式表示出來(lái)，從而對(duì)全球的氣象情況及其變化趨勢(shì)進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了氣象預(yù)報(bào)辦公室(WFO-Advanced)的高級(jí)版，其關(guān)鍵部分是顯示天氣數(shù)據(jù)的三維圖象。為此，該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了三維可視化軟件系統(tǒng)Display 3D(D3D)。利用這個(gè)系統(tǒng)可以將從氣球、地面站、雷達(dá)、飛機(jī)和衛(wèi)星等收集來(lái)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，并在此基礎(chǔ)上及時(shí)跟蹤和評(píng)估當(dāng)?shù)氐闹匾獨(dú)庀笄闆r，從而及時(shí)準(zhǔn)確地作出天氣預(yù)報(bào)。通常情況下，氣象工作者將二維的層狀數(shù)據(jù)人為疊加來(lái)進(jìn)行分析，而運(yùn)用三維可視化，可讓氣象工作者從大量二維圖像計(jì)算中解脫出來(lái)，讓他們的精力集中于預(yù)報(bào)所需的實(shí)際數(shù)值。利用WFO-Advanced 和 D3D ，氣象工作者可以建立在4小時(shí)內(nèi)做出未來(lái)12-18小時(shí)的中尺度(20-200km)或區(qū)域預(yù)報(bào)模式。該軟件中的動(dòng)畫(huà)模塊可以生成圖像序列、顯示出動(dòng)態(tài)圖像。這一軟件的最大特點(diǎn)在于生成云霧十分逼真。我國(guó)軍事氣象部門最近開(kāi)發(fā)的“軍用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，能高速處理數(shù)千個(gè)氣象臺(tái)站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)滾動(dòng)制作10天以內(nèi)逐日軍用天氣預(yù)報(bào)、軍事氣象要素預(yù)報(bào)和三維可視化信息。

4.工程

計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)行等多項(xiàng)內(nèi)容。可視化技術(shù)有助于整個(gè)工程過(guò)程一體化和流線化，并能使工程的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員看到和了解過(guò)程中參數(shù)變化對(duì)整體的動(dòng)態(tài)影響，從而達(dá)到縮短研制周期、節(jié)省工程全壽命費(fèi)用的目的?？梢暬夹g(shù)可將多種來(lái)源的各種數(shù)據(jù)(包括表格數(shù)據(jù)、離散采樣數(shù)據(jù)、貼體坐標(biāo)數(shù)據(jù)、多重半結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)等)融合成三維的圖形圖像。

在工程設(shè)計(jì)中常采用計(jì)算力學(xué)的手段。計(jì)算力學(xué)更離不開(kāi)可視化技術(shù)。有限元分析(FEA)是50年代提出的適用于計(jì)算機(jī)處理的一種結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計(jì)算方法。有限元分析在飛機(jī)設(shè)計(jì)、水壩建造、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看,有限元分析將研究對(duì)象劃分為若干個(gè)子單元，并在此基礎(chǔ)上求出偏微分方程的近似解。在有限元分析中，應(yīng)用可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)形體的網(wǎng)格劃分及有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)的圖形顯示，即所謂有限元分析的前后處理，并根據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分的優(yōu)化，使計(jì)算結(jié)果更加可靠和精確。

圖4 美國(guó)航空航天局阿姆斯研究中心的虛擬風(fēng)洞

飛機(jī)、汽車、船舶等在設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮在氣體、液體高速運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中獲得優(yōu)良性能和正常工作。過(guò)去的做法是：將所設(shè)計(jì)的飛機(jī)模型放在大型風(fēng)洞或水洞里做流體動(dòng)力學(xué)的物理模擬實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修改設(shè)計(jì)。這種做法既耗費(fèi)資金，又延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。目前已實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的模擬計(jì)算，這就是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)。其核心是求解表示流體流動(dòng)的偏微分方程。目前，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)可以對(duì)復(fù)雜幾何模型的Navier-Stokes方程式求解。最后可計(jì)算出流場(chǎng)中各種參數(shù)在每一時(shí)刻的數(shù)值，但數(shù)據(jù)量十分龐大。為了理解和分析流體流動(dòng)的模擬計(jì)算結(jié)果，必須利用可視化技術(shù)在屏幕上將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。例如，用多種不同方法表示出每一點(diǎn)的速度、壓力、溫度和組分等,并顯示出渦流、沖擊波、剪切層、尾流及湍流等。在流場(chǎng)的可視化中,既要提高顯示速度，又要逼真地顯示流場(chǎng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和各種參數(shù)的等值面。當(dāng)然，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和有限元分析一樣，計(jì)算的速度和準(zhǔn)確度受網(wǎng)格劃分的影響很大，通過(guò)可視化技術(shù)可以針對(duì)不同對(duì)象，找到最適合的網(wǎng)格劃分方法。美國(guó)航空航天局阿姆斯研究中心(AMES)的航空航天數(shù)字模擬設(shè)備(NAF)，不僅將可視化技術(shù)用于CFD計(jì)算，同時(shí)也用于從風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的二維圖象重構(gòu)三維流場(chǎng),并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析。特別是他們利用基于高度三維交互特性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),構(gòu)筑了“虛擬風(fēng)洞”，為分析各種非定常流動(dòng)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提供直觀的研究環(huán)境。

四.信息可視化技術(shù)的發(fā)展

近年來(lái)，國(guó)際上提出信息了可視化問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，科學(xué)計(jì)算可視化是指空間數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化，而信息可視化則是指非空間數(shù)據(jù)的可視化。隨著社會(huì)信息化的推進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益廣泛，信息源越來(lái)越龐大。除了需求對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸、檢索及分類等外，更迫切需求了解數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系及發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)際上，在激增的數(shù)據(jù)背后，隱藏著許多重要的信息，人們希望能夠?qū)ζ溥M(jìn)行更高層次的分析，以便更好地利用這些數(shù)據(jù)。目前的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能，但無(wú)法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的關(guān)系和規(guī)則，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。另一方面，人工智能自1956 年誕生后也取得了重大進(jìn)展。目前的研究熱點(diǎn)是機(jī)器學(xué)習(xí)。機(jī)器學(xué)習(xí)是用計(jì)算機(jī)模擬人類學(xué)習(xí)的一門科學(xué)，比較成熟的算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)分析和挖掘大量數(shù)據(jù)背后的知識(shí)，這兩者的結(jié)合促成了“數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)(KDD：Knowledge Discovery in Databases)”的產(chǎn)生。實(shí)際上，KDD是一門交叉性學(xué)科，涉及到機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、統(tǒng)計(jì)學(xué)、智能數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取、數(shù)據(jù)可視化、高性能計(jì)算、專家系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。KDD可以用在信息管理、過(guò)程控制、查詢優(yōu)化、科學(xué)研究、決策支持和數(shù)據(jù)自身維護(hù)等許多方面。

KDD的核心技術(shù)是數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)。它是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中,提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識(shí)的過(guò)程。人們把原始數(shù)據(jù)看作是形成知識(shí)的源泉,就像從礦石中采礦一樣。原始數(shù)據(jù)可以是結(jié)構(gòu)化的，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，也可以是半結(jié)構(gòu)化的，如文本、圖形、圖像數(shù)據(jù)，甚至是分布在網(wǎng)絡(luò)上的不同構(gòu)型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘的方法可以是數(shù)學(xué)的，也可以是非數(shù)學(xué)的;可以是演繹的，也可以是歸納的。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘可以發(fā)現(xiàn)多種類型的知識(shí)，包括反映同類事物共同性質(zhì)的廣義型知識(shí);反映事物各方面特征的特征型知識(shí);反映不同事物之間屬性差別的差異型知識(shí);反映一事物和其它事物之間依賴或關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)型知識(shí);根據(jù)當(dāng)前歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)推測(cè)未來(lái)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)型知識(shí);揭示事物偏離常規(guī)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的偏離型知識(shí)。為了發(fā)現(xiàn)這些不同類型的知識(shí)。要采用多種發(fā)現(xiàn)知識(shí)的工具。為了使發(fā)現(xiàn)知識(shí)的過(guò)程和結(jié)果易于理解和在發(fā)現(xiàn)知識(shí)過(guò)程中進(jìn)行人機(jī)交互，要發(fā)展發(fā)現(xiàn)知識(shí)的可視化方法。 為了了解數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系及發(fā)展趨勢(shì)，人們可以求助于可視化技術(shù)。信息可視化不僅用圖像來(lái)顯示多維的非空間數(shù)據(jù)，使用戶加深對(duì)數(shù)據(jù)含義的理解，而且用形象直觀的圖像來(lái)指引檢索過(guò)程，加快檢索速度。在科學(xué)計(jì)算可視化中，顯示的對(duì)象涉及標(biāo)量、矢量及張量等不同類別的空間數(shù)據(jù)，研究的重點(diǎn)放在如何真實(shí)、快速地顯示三維數(shù)據(jù)場(chǎng)。而在信息可視化中，顯示的對(duì)象主要是多維的標(biāo)量數(shù)據(jù)，目前的研究重點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)和選擇什么樣的顯示方式才能便于用戶了解龐大的多維數(shù)據(jù)及它們相互之間的關(guān)系，其中更多地涉及心理學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)等問(wèn)題。

圖5 意大利中央銀行對(duì)各分行業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)圖

信息可視化在商務(wù)、金融和通信等領(lǐng)域，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。在通信領(lǐng)域，一方面，目前正在開(kāi)發(fā)更為精細(xì)和高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)模型，以輔助將來(lái)的規(guī)劃過(guò)程。另一方面，更復(fù)雜的發(fā)射和交換設(shè)備，為現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)提供了更大的自由度和靈活性，但造成在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上運(yùn)行的的原始數(shù)據(jù)不斷增加。全部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的最優(yōu)化，需要有效地使用來(lái)自所有這些信號(hào)源，而且需要在諸如市場(chǎng)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和日常管理等傳統(tǒng)的不同領(lǐng)域之間，進(jìn)行信息和思想的動(dòng)態(tài)交換。覆蓋物理網(wǎng)絡(luò)的是一個(gè)包括聲音、數(shù)據(jù)和圖象服務(wù)的廣闊領(lǐng)域，其中每一項(xiàng)都有自己的數(shù)據(jù)和管理要求。 此外，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)不受國(guó)界的限制，是一個(gè)覆蓋很多國(guó)家和載體的國(guó)際性結(jié)構(gòu)，因而其潛在的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜程度均以更大的數(shù)量級(jí)在遞增。在英國(guó)電信公司(BT)的網(wǎng)絡(luò)中，就充分應(yīng)用了信息可視化技術(shù)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有六千多個(gè)切換設(shè)備和兩千五百多萬(wàn)條客戶線，從而產(chǎn)生了每分鐘幾兆字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)。在BT網(wǎng)絡(luò)中，每五分鐘大約有六萬(wàn)個(gè)與數(shù)字開(kāi)關(guān)相連的局域路徑的運(yùn)行情況要報(bào)告給中央操作單元(Ceutral Operations Unit)，中央操作單元再將這些數(shù)字用于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)測(cè)量大量運(yùn)行參數(shù)，每天要產(chǎn)生兩千兆字節(jié)以上的數(shù)據(jù)。圖形輸出描繪了選擇的運(yùn)行參數(shù)的地理分布，以及你所感興趣的時(shí)間間隔中的動(dòng)畫(huà)。每個(gè)區(qū)域中參數(shù)的最小值，最大值和平均值都可以用一個(gè)彩條圖表示?？梢暬诜强臻g數(shù)據(jù)中，諸如在財(cái)務(wù)指標(biāo)或流通量統(tǒng)計(jì)中的應(yīng)用，引起了廣泛的興趣。很多用于工程和科學(xué)應(yīng)用中的可視化工具和技術(shù)能夠很快地轉(zhuǎn)移到財(cái)務(wù)和統(tǒng)計(jì)中來(lái)?？梢暬瘧?yīng)用成功的關(guān)鍵在于它具有為用戶提供了交互式的研究數(shù)據(jù)和揭示那些用其它方法很困難揭示的趨勢(shì)、循環(huán)和模式的能力。在非空間數(shù)據(jù)范圍內(nèi)應(yīng)用的一個(gè)典型例子是網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)，其中包括記錄單個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元的特性、開(kāi)關(guān)、較大區(qū)域或地理分組等。另外城市景象(Cityscape)可視化也是這方面的一項(xiàng)潛在的有用技術(shù).。城市景象是一個(gè)擴(kuò)展的3D條狀圖，其中2D域上的標(biāo)量值表示為一個(gè)均勻網(wǎng)格上的街區(qū)或大樓?？梢暬硎境鰧?duì)一年中的每個(gè)月，劃分成十個(gè)地理帶上設(shè)想的呼叫失敗率的統(tǒng)計(jì)資料。BT已將城市景象應(yīng)用用于調(diào)查按月按區(qū)的服務(wù)統(tǒng)計(jì)和傳送系統(tǒng)運(yùn)行性能。這些應(yīng)用可以非常容易地用于金融信息，諸如每個(gè)區(qū)域、每個(gè)時(shí)間段的股票收益特性，或按地理和按收入水視化挖掘(VisualMine)，通過(guò)顯示各個(gè)分行的貨幣流通總量、總收入和現(xiàn)金運(yùn)作平統(tǒng)計(jì)的消費(fèi)總量。例如意大利中央銀行就使用了意大利人工智能軟件公司開(kāi)發(fā)的可總量，可以從異常現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)通過(guò)銀行系統(tǒng)的非法活動(dòng)。由由于信息可視化對(duì)日益顯著的“數(shù)據(jù)超載”問(wèn)題，可以提供近實(shí)時(shí)的解，它將對(duì)商務(wù)、金融和通信等領(lǐng)域的信息管理，產(chǎn)生重要的影響。由此可見(jiàn)，數(shù)量日益增加的數(shù)據(jù)和信息是有用的，而關(guān)鍵在于盡快從中提練對(duì)我們有用的知識(shí)。

五.大力推動(dòng)我國(guó)可視化技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的研究開(kāi)始于90年代初。由于數(shù)據(jù)可視化所處理的數(shù)據(jù)量十分龐大,生成圖像的算法又比較復(fù)雜,過(guò)去常常需要使用巨型計(jì)算機(jī)和高檔圖形工作站等。因此,數(shù)據(jù)可視化開(kāi)始都在國(guó)家級(jí)研究中心、高水平的大學(xué)、大公司的研究開(kāi)發(fā)中心進(jìn)行研究和應(yīng)用。近年來(lái)，隨著PC功能的提高、各種圖形顯卡以及可視化軟件的發(fā)展, 可視化技術(shù)已擴(kuò)展到科學(xué)研究、工程、軍事、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著Internetr 興起，信息可視化技術(shù)方興未艾。我國(guó)在80年代就開(kāi)始進(jìn)行科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的研究和應(yīng)用。至今，我國(guó)不論在算法方面，還是在油氣勘探、氣象、計(jì)算力學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用方面，都已取得了一大批可喜的成果。但從總體上來(lái)說(shuō)，與國(guó)外先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?，特別是在商業(yè)軟件方面，還是空白。因此，組織力量開(kāi)發(fā)可視化商業(yè)軟件，并通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，促使其逐步成熟，已成為當(dāng)務(wù)之急。