可视化技术

一.引言

现代的数据可视化(Data Visualization)技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。数据可视化概念首先来自科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)，科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化,而且包括工程数据和测量数据的可视化。学术界常把这种空间数据的可视化称为体视化(Volum Visualization)技术。近年来，随着网络技术和电子商务的发展，提出了信息可视化(Information Visualization)的要求。我们可以通过数据可视化技术，发现大量金融、通信和商业数据中隐含的规律，从而为决策提供依据。这已成为数据可视化技术中新的热点。

为适应硬件平台、操作系统、网络和通信方面的飞速发展，可视化的软件产品在近几年中发展很快,其中以AVS/Express开发版、IDL(包括VIP、ION)和PV-WAVE等为代表。AVS/Express开发版，可以提供多平台的交互式多维可视化软件开发和集成环境。

二.发展数据可视化的重要意义

怎样来分析大量、复杂和多维的数据呢?答案是要提供象人眼一样的直觉的、交互的和反应灵敏的可视化环境。因此，数据可视化技术的主要特点是：

(1)交互性。用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。

(2)多维性。可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。

(3)可视性。数据可以用图象、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析。 历史证明，人类的视觉在人类的科学发现中发挥过杰出的作用。通常在可视化方面，关键技术的出现，就是重大科学发现的前奏。望远镜和显微镜在天文学和生物发展中的作用，就是明证。这些工具，放大和扩展了人类眼晴的功能。今天，这个道理仍然成立。人类的可视化功能，允许人类对大量抽象的数据进行分析。新的数据开发工具，可以大大拓展我们的视力。人的创造性不仅取决于人的逻辑思维，而且取决于人的形象思维。海量的数据只有通过可视化变成形象，才能激发人的形象思维。从表面上看来是杂乱无章的海量数据中，找出其中隐藏的规律，为科学发现、工程开发、医疗诊断和业务决策等提供依据。这里我们还必须区分数据、信息和知识的概念。数据是符号的集合。信息是有用的数据。信息不等同于知识。信息不能像知识那样去反映数据之间的内在联系。对于知识，有人主张可分成两类，一类是无法用语言和文字来描述的，称之谓隐知识(Tacit Knowledge);另一类是可以用语言和文字来描述的，称之谓显知识(Explicit Knowledge)。当前，信息就是这种显知识。展望未来，在脑科学取得突破的基础上，将研制成功类人脑的计算机-生物计算机，从而开创人工智能的黄金时代。但即使到那时，信息也不能完全表达人类全部的隐知识。只有将数据和信息用图形和图像表示出来，才有可能为获得十分宝贵的隐知识创造条件。总之，数据可视化可以大大加快数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到有效利用;可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具;可以实现对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响。

计算机用于科学计算和数据处理已有近50年的历史。但是，长期以来，由于计算机技术水平的限制，数据只能以批处理而不能进行交互处理。不能对计算过程进行干预和引导，只能被动地等待计算结果的输出。而大量的输出数据也只能采用人工方式处理，或者使用绘图仪输出二维图形。这样做，不仅不能及时地得到有关数据的直观、形象的整体概念，而且还有可能丢失大量信息。近年来，来自超级计算机、卫星、先进医学成象设备以及地质勘探的数据与日俱增，使数据可视化日益成为迫切需要解决的问题。另一方面，近年来由于计算机的计算速度迅速提高，内存容量和磁盘空间不断扩大，网络功能日益增强，并可用硬件来实现许多重要的图形生成及图像处理算法，这才有可能运用数据可视化技术，直观、形象地显示海量的数据和信息，并进行交互处理。

下面我们举例来说明发展可视技术的重大意义。长期以来人类就有认识自身内部结构的愿望。直到70年代计算机断层扫描(CT)和核磁共振图像(MRI)技术和可视化技术的出现,才使获取人体内部数据的愿望成为现实。为了实现这一目的，美国国家医学图书馆(NLM)于1989年开始实施可视化人体计划(VHP)。委托科罗拉多大学医学院建立起一男一女的全部解剖结构数据库。他们将一具男性和一具女性尸体从头到脚做 CT扫描和核磁共振扫描。男的间距1毫米，共1878 个断面;女的间距0.33毫米，共5189个断面。然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80 度，再以同样的间距对尸体作组织切片的数码相机摄影。分辨率为2048 ×1216。所得数据共56GB(男13GB，女43GB)。全球用户在与美国国家医学图书馆签订使用协议并付少量费用后,即可获得这一庞大的数据,用于教学和科学研究。VHP数据集的出现，标志计算机三维重构图像和虚拟现实技术进入了医学领域，从而大大促进了医学的发展和普及。

三.数据可视化的应用

数据可视化的应用十分广泛,几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信和商业等各种领域。下面举例说明几个数据可视化成功应用的领域。

1.医学

医学数据的可视化，已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一。由于近代非侵入诊断技术如CT、MRI和正电子放射断层扫描(PET)的发展,医生已经可以较易获得病人有关部位的一组二维断层图象。CT打破传统的胶片感光成像模式，通过计算机重构人体器官或组织的图像，使医学图像从二维走向三维，使人们从人体外部可以看到内部。PET把核技术与计算机技术结合起来。经核素标记的示踪剂注入人体后，核素衰变过程中产生的正电子湮灭通过电子检测和计算机重构成像，使我们可以得到人体代谢或功能图像。在此基础上，利用可视化软件,对上述多种模态的图像进行图像融合，可以准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系，从而及时高效地诊断疾病。美国加洲的ADAC实验室,约翰.霍普金斯大学、焦点图形公司、集成医学图象处理系统公司以及德国柏林大学等、都采用可视化软件系统,将获得的二维断层图象，重构有关器官和组织的三维图象。他们开发出的软件已在许多医院得到应用。另外，美国华盛顿大学利用可视化软件系统和心脏超声诊断技术,可以获得心脏的三维图象,并用于监控心脏的形状、大小和运动，为综合诊断提供依据。电子束CT(EBCT)由电子束扫描替代了X线管与检测器的机械扫描，因而扫描速度提高近百倍，检查运动的器官(如心脏大血管)能得到清晰的图像，实现了电影CT，是CT技术的一次革命。中国协和医科大学阜外心血管病医院已将EBCT三维图像重建用于主动脉病变的临床诊断和冠状动脉搭桥术(CABG)后的血管显示。