交互式可視化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、可視化利用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可交互的圖形化表示，從其本質(zhì)而言，可視化主要包括兩個(gè)部分：顯示和交互。為了突出后者相關(guān)技術(shù)與可視化的關(guān)系，并且與人機(jī)交互等相關(guān)學(xué)科區(qū)分開來(lái)，通常稱為交互式可視化，因與可視分析有著密切的關(guān)系，又稱之為交互可視分析。
　　多年來(lái)，交互式可視化被廣泛認(rèn)為是科學(xué)可視化主要的研究問(wèn)題之一。隨著數(shù)值模擬規(guī)模的不斷增大、交互設(shè)備的日新月異、可視化需求的日益增高，交互式可視化技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)，近年來(lái)已逐漸成為科學(xué)可視化

2、領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
　　本文針對(duì)已有的交互式可視化技術(shù)存在缺乏直觀性以及效率不高、交互點(diǎn)定位精度低甚至有誤等問(wèn)題，結(jié)合流場(chǎng)科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的交互三維體可視化的實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)交互點(diǎn)準(zhǔn)確快速確定、關(guān)鍵特征交互可視化、大規(guī)?？茖W(xué)數(shù)據(jù)交互可視化等關(guān)鍵技術(shù)展開研究，主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.針對(duì)已有體可視化交互方法缺乏直觀性以及效率不高問(wèn)題，提出一種直觀高效的直接體過(guò)濾交互體繪制方法。該方法適用于體可視化方法和轉(zhuǎn)換函數(shù)

3、設(shè)計(jì)。采用基于草圖的交互界面，提供了支持RGBA四個(gè)通道分通道直接編輯的轉(zhuǎn)換函數(shù)編輯器，支持自然直接的數(shù)據(jù)分析和編輯操作，可以根據(jù)用戶需要突出顯示所關(guān)注特征，編輯的結(jié)果基于所見即所得（WYSIWYG）模式。應(yīng)用多個(gè)實(shí)例數(shù)據(jù)的交互體可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提出的直接體過(guò)濾方法的有效性與易用性，所開發(fā)的RGBA四個(gè)通道直接編輯器實(shí)際使用效果顯著。用戶對(duì)比也證實(shí)了所提出方法的友好性和高效性優(yōu)于已有方法。
　　2.已有的多結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)分割與

4、標(biāo)記方法很難自動(dòng)得到正確的分割與標(biāo)記結(jié)果，常常需要依賴專業(yè)人士的交互，這使得多結(jié)構(gòu)體分析耗時(shí)、費(fèi)力且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤和遺漏。為了解決這一問(wèn)題，提出一種新穎的模型驅(qū)動(dòng)的體分析方法。利用高斯混合模型GMM結(jié)合區(qū)域增長(zhǎng)方法，實(shí)現(xiàn)多結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)自動(dòng)分割；利用新提出的體-模型匹配方法，直接建立已分割體數(shù)據(jù)與幾何模型數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同組織的自動(dòng)標(biāo)記；另外，提供了一些對(duì)復(fù)雜多結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)分析實(shí)用而有效的交互分析功能。多個(gè)應(yīng)用實(shí)例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出體

5、數(shù)據(jù)分析方法將已有的知識(shí)模型融入到了體數(shù)據(jù)分析中，可以顯著減少用戶的交互與分析時(shí)間，提高分析效率，有效實(shí)現(xiàn)多結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)的自動(dòng)和半自動(dòng)標(biāo)記以及真實(shí)感繪制。
　　3.如何根據(jù)用戶的二維輸入推測(cè)三維信息是科學(xué)數(shù)據(jù)交互式可視化所面臨的一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題。已有的方法通常假設(shè)用戶的輸入是精確的，但是實(shí)際上由于諸多因素的影響，用戶的輸入并不精確，從而造成推測(cè)交互點(diǎn)位置的不準(zhǔn)確和錯(cuò)誤。為了克服已有方法的不足，提出一種在體數(shù)據(jù)可視分析過(guò)程中基于顯著性推

6、測(cè)交互位置的有效方法。該方法基于所提出的體顯著性定義，不僅考慮數(shù)據(jù)網(wǎng)格空間和屬性空間，也融入了轉(zhuǎn)換函數(shù)空間和用戶輸入。所得到的顯著性不僅可以像傳統(tǒng)方法一樣顯示原始數(shù)據(jù)中顯著地區(qū)域，而且可以反映使用者所關(guān)注的區(qū)域。另外，所提出的顯著性可以消除數(shù)據(jù)和設(shè)備誤差導(dǎo)致的錯(cuò)誤，有助于用戶快速聚焦所關(guān)注的區(qū)域。多個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了所提出方法可以合理優(yōu)化用戶輸入，幫助用戶準(zhǔn)確獲取所關(guān)注數(shù)據(jù)特征。
　　4.針對(duì)時(shí)變體數(shù)據(jù)可視化轉(zhuǎn)換函數(shù)設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵幀選擇等

7、關(guān)鍵問(wèn)題，提出一種基于時(shí)空體顯著性檢測(cè)分析時(shí)變體數(shù)據(jù)場(chǎng)中顯著區(qū)域的可視分析方法?；陲@著區(qū)域相對(duì)其周圍更為突出這一中心環(huán)繞假設(shè)，將已有的空間顯著性擴(kuò)展到時(shí)間域，引入時(shí)間體顯著性，定義為體屬性時(shí)間維梯度尺度無(wú)關(guān)的高斯加權(quán)平均，然后利用中心環(huán)繞算子計(jì)算。綜合空間體顯著性和時(shí)間體顯著性之后，得到的時(shí)空體顯著性可以檢測(cè)顯著區(qū)域的變化，最后將所定義的顯著性用于自動(dòng)生成時(shí)變體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)、檢測(cè)時(shí)變體數(shù)據(jù)關(guān)鍵幀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法不僅可以突出關(guān)

8、鍵特征及其發(fā)展變化，也反映了整個(gè)體數(shù)據(jù)的重要變化，并顯著減少了視覺混亂。所提出的時(shí)變體顯著性定義為時(shí)變體數(shù)據(jù)的分析提供了一種新的思路。
　　5.利用天河-1A超級(jí)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)和ParaView并行可視化開源平臺(tái)構(gòu)建了面向計(jì)算流體力學(xué)的大規(guī)模數(shù)據(jù)交互式可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)所提出的體顯著性確定流線種子點(diǎn)布局，實(shí)現(xiàn)高效的動(dòng)態(tài)圖元三維流場(chǎng)顯示方法；利用所提出的三維空間交互點(diǎn)優(yōu)化算法，基于三維力傳感器交互設(shè)備Falcon實(shí)現(xiàn)了三維立體