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,并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)視覺及人機(jī)交互技術(shù)等多個領(lǐng)域。數(shù)據(jù)可視化概念首先來自科學(xué)計算可視化(Visualization in Scientific Computing)，科學(xué)家們不僅需要通過圖形圖像來分析由計算機(jī)算出的數(shù)據(jù)，而且需要了解在計算過程中數(shù)據(jù)的變化。隨著計算機(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)計算數(shù)據(jù)的可視化,而且包括工程數(shù)據(jù)和測量數(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，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。

為適應(yīng)硬件平臺、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開發(fā)版、IDL(包括VIP、ION)和PV-WAVE等為代表。AVS/Express開發(fā)版，可以提供多平臺的交互式多維可視化軟件開發(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)的主要特點是：

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

(2)多維性。可以看到表示對象或事件的數(shù)據(jù)的多個屬性或變量，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、三維體和動畫來顯示，并可對其模式和相互關(guān)系進(jìn)行可視化分析。 歷史證明，人類的視覺在人類的科學(xué)發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮過杰出的作用。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，這個道理仍然成立。人類的可視化功能，允許人類對大量抽象的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。新的數(shù)據(jù)開發(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)只有通過可視化變成形象，才能激發(fā)人的形象思維。從表面上看來是雜亂無章的海量數(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)、信息和知識的概念。數(shù)據(jù)是符號的集合。信息是有用的數(shù)據(jù)。信息不等同于知識。信息不能像知識那樣去反映數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。對于知識，有人主張可分成兩類，一類是無法用語言和文字來描述的，稱之謂隱知識(Tacit Knowledge);另一類是可以用語言和文字來描述的，稱之謂顯知識(Explicit Knowledge)。當(dāng)前，信息就是這種顯知識。展望未來，在腦科學(xué)取得突破的基礎(chǔ)上，將研制成功類人腦的計算機(jī)-生物計算機(jī)，從而開創(chuàng)人工智能的黃金時代。但即使到那時，信息也不能完全表達(dá)人類全部的隱知識。只有將數(shù)據(jù)和信息用圖形和圖像表示出來，才有可能為獲得十分寶貴的隱知識創(chuàng)造條件?？傊?，數(shù)據(jù)可視化可以大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使時刻都在產(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;可以實現(xiàn)對計算和編程過程的引導(dǎo)和控制，通過交互手段改變過程所依據(jù)的條件，并觀察其影響。

計算機(jī)用于科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理已有近50年的歷史。但是，長期以來，由于計算機(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。不能對計算過程進(jìn)行干預(yù)和引導(dǎo)，只能被動地等待計算結(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，來自超級計算機(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題。另一方面，近年來由于計算機(jī)的計算速度迅速提高，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)，并可用硬件來實現(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。

下面我們舉例來說明發(fā)展可視技術(shù)的重大意義。長期以來人類就有認(rèn)識自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的愿望。直到70年代計算機(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。為了實現(xiàn)這一目的，美國國家醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)于1989年開始實施可視化人體計劃(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。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 個斷面;女的間距0.33毫米，共5189個斷面。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)。全球用戶在與美國國家醫(yī)學(xué)圖書館簽訂使用協(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)志計算機(jī)三維重構(gòu)圖像和虛擬現(xiàn)實技術(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。下面舉例說明幾個數(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，通過計算機(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)與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來。經(jīng)核素標(biāo)記的示蹤劑注入人體后，核素衰變過程中產(chǎn)生的正電子湮滅通過電子檢測和計算機(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，從而及時高效地診斷疾病。美國加洲的ADAC實驗室,約翰.霍普金斯大學(xué)、焦點圖形公司、集成醫(yī)學(xué)圖象處理系統(tǒng)公司以及德國柏林大學(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。他們開發(fā)出的軟件已在許多醫(yī)院得到應(yīng)用。另外，美國華盛頓大學(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，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線管與檢測器的機(jī)械掃描，因而掃描速度提高近百倍，檢查運(yùn)動的器官(如心臟大血管)能得到清晰的圖像，實現(xiàn)了電影CT，是CT技術(shù)的一次革命。中國協(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脈病變的臨床診斷和冠狀動脈搭橋術(shù)(CABG)后的血管顯示。