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?？梢钥吹奖硎緦?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。總之，數(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。