可視化技術(shù)

一.引言

現代的數據可視化(Data Visualization)技術(shù)指的是運用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將數據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)。它涉及到計算機圖形學(xué)、圖像處理、計算機輔助設計、計算機視覺(jué)及人機交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。數據可視化概念首先來(lái)自科學(xué)計算可視化(Visualization in Scientific Computing)，科學(xué)家們不僅需要通過(guò)圖形圖像來(lái)分析由計算機算出的數據，而且需要了解在計算過(guò)程中數據的變化。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，數據可視化概念已大大擴展，它不僅包括科學(xué)計算數據的可視化,而且包括工程數據和測量數據的可視化。學(xué)術(shù)界常把這種空間數據的可視化稱(chēng)為體視化(Volum Visualization)技術(shù)。近年來(lái)，隨著(zhù)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)數據可視化技術(shù)，發(fā)現大量金融、通信和商業(yè)數據中隱含的規律，從而為決策提供依據。這已成為數據可視化技術(shù)中新的熱點(diǎn)。

為適應硬件平臺、操作系統、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)展數據可視化的重要意義

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

(1)交互性。用戶(hù)可以方便地以交互的方式管理和開(kāi)發(fā)數據。

(2)多維性?？梢钥吹奖硎緦ο蠡蚴录臄祿亩鄠€(gè)屬性或變量，而數據可以按其每一維的值，將其分類(lèi)、排序、組合和顯示。

(3)可視性。數據可以用圖象、曲線(xiàn)、二維圖形、三維體和動(dòng)畫(huà)來(lái)顯示，并可對其模式和相互關(guān)系進(jìn)行可視化分析。 歷史證明，人類(lèi)的視覺(jué)在人類(lèi)的科學(xué)發(fā)現中發(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，就是重大科學(xué)發(fā)現的前奏。望遠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，放大和擴展了人類(lèi)眼晴的功能。今天，這個(gè)道理仍然成立。人類(lèi)的可視化功能，允許人類(lèi)對大量抽象的數據進(jìn)行分析。新的數據開(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。海量的數據只有通過(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)章的海量數據中，找出其中隱藏的規律，為科學(xué)發(fā)現、工程開(kāi)發(fā)、醫療診斷和業(yè)務(wù)決策等提供依據。這里我們還必須區分數據、信息和知識的概念。數據是符號的集合。信息是有用的數據。信息不等同于知識。信息不能像知識那樣去反映數據之間的內在聯(lián)系。對于知識，有人主張可分成兩類(lèi)，一類(lèi)是無(wú)法用語(yǔ)言和文字來(lái)描述的，稱(chēng)之謂隱知識(Tacit Knowledge);另一類(lèi)是可以用語(yǔ)言和文字來(lái)描述的，稱(chēng)之謂顯知識(Explicit Knowledge)。當前，信息就是這種顯知識。展望未來(lái)，在腦科學(xué)取得突破的基礎上，將研制成功類(lèi)人腦的計算機-生物計算機，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人類(lèi)全部的隱知識。只有將數據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創(chuàng )造條件?？傊?，數據可視化可以大大加快數據的處理速度，使時(shí)刻都在產(chǎn)生的海量數據得到有效利用;可以在人與數據、人與人之間實(shí)現圖像通信，從而使人們能夠觀(guān)察到數據中隱含的現象，為發(fā)現和理解科學(xué)規律提供有力工具;可以實(shí)現對計算和編程過(guò)程的引導和控制，通過(guò)交互手段改變過(guò)程所依據的條件，并觀(guān)察其影響。

計算機用于科學(xué)計算和數據處理已有近50年的歷史。但是，長(cháng)期以來(lái)，由于計算機技術(shù)水平的限制，數據只能以批處理而不能進(jìn)行交互處理。不能對計算過(guò)程進(jìn)行干預和引導，只能被動(dòng)地等待計算結果的輸出。而大量的輸出數據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)數據的直觀(guān)、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)自超級計算機、衛星、先進(jìn)醫學(xué)成象設備以及地質(zhì)勘探的數據與日俱增，使數據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)由于計算機的計算速度迅速提高，內存容量和磁盤(pán)空間不斷擴大，網(wǎng)絡(luò )功能日益增強，并可用硬件來(lái)實(shí)現許多重要的圖形生成及圖像處理算法，這才有可能運用數據可視化技術(shù)，直觀(guān)、形象地顯示海量的數據和信息，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(cháng)期以來(lái)人類(lèi)就有認識自身內部結構的愿望。直到70年代計算機斷層掃描(CT)和核磁共振圖像(MRI)技術(shù)和可視化技術(shù)的出現,才使獲取人體內部數據的愿望成為現實(shí)。為了實(shí)現這一目的，美國國家醫學(xué)圖書(shū)館(NLM)于1989年開(kāi)始實(shí)施可視化人體計劃(VHP)。委托科羅拉多大學(xué)醫學(xué)院建立起一男一女的全部解剖結構數據庫。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，再以同樣的間距對尸體作組織切片的數碼相機攝影。分辨率為2048 ×1216。所得數據共56GB(男13GB，女43GB)。全球用戶(hù)在與美國國家醫學(xué)圖書(shū)館簽訂使用協(xié)議并付少量費用后,即可獲得這一龐大的數據,用于教學(xué)和科學(xué)研究。VHP數據集的出現，標志計算機三維重構圖像和虛擬現實(shí)技術(shù)進(jìn)入了醫學(xué)領(lǐng)域，從而大大促進(jìn)了醫學(xué)的發(fā)展和普及。

三.數據可視化的應用

數據可視化的應用十分廣泛,幾乎可以應用于自然科學(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)數據可視化成功應用的領(lǐng)域。

1.醫學(xué)

醫學(xué)數據的可視化，已成為數據可視化領(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打破傳統的膠片感光成像模式，通過(guò)計算機重構人體器官或組織的圖像，使醫學(xué)圖像從二維走向三維，使人們從人體外部可以看到內部。PET把核技術(shù)與計算機技術(shù)結合起來(lái)。經(jīng)核素標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)電子檢測和計算機重構成像，使我們可以得到人體代謝或功能圖像。在此基礎上，利用可視化軟件,對上述多種模態(tài)的圖像進(jìn)行圖像融合，可以準確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀以及它與周?chē)锝M織之間的空間關(guān)系，從而及時(shí)高效地診斷疾病。美國加洲的ADAC實(shí)驗室,約翰.霍普金斯大學(xué)、焦點(diǎn)圖形公司、集成醫學(xué)圖象處理系統公司以及德國柏林大學(xué)等、都采用可視化軟件系統,將獲得的二維斷層圖象，重構有關(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院得到應用。另外，美國華盛頓大學(xué)利用可視化軟件系統和心臟超聲診斷技術(shù),可以獲得心臟的三維圖象,并用于監控心臟的形狀、大小和運動(dòng)，為綜合診斷提供依據。電子束CT(EBCT)由電子束掃描替代了X線(xiàn)管與檢測器的機械掃描，因而掃描速度提高近百倍，檢查運動(dòng)的器官(如心臟大血管)能得到清晰的圖像，實(shí)現了電影CT，是CT技術(shù)的一次革命。中國協(xié)和醫科大學(xué)阜外心血管病醫院已將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。