科学可视化

科学可视化（英语：scientific visualization 或 scientific visualisation）是科学之中的一个跨学科研究与应用领域，主要关注的是三维现象的可视化，如建筑学、气象学、医学或生物学方面的各种系统。重点在于对体、面以及光源等等的逼真渲染，或许甚至还包括某种动态（时间）成分。科学可视化侧重于利用计算机图形学来创建客观的视觉图像，将数学方程等文字信息转换大量压缩呈现在一张图纸上，从而帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的方程、数字等等形式所呈现的科学概念或结果，除有助于公众吸收之外，重要的是便于专家快速了解状况，在同样时间内做出有效的筛选和判断。美国计算机科学家布鲁斯·麦考梅克（英语：Bruce H. McCormick）在其1987年关于科学可视化的定义之中，首次阐述了科学可视化的目标和范围：“利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式” 。1982年2月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了科学可视化技术的首次会议，会议认为“科学家不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中的数据变换，而这些都需要借助于计算机图形学以及图像处理技术”。此类数字体表现形式或数据集（英语：Data set）可能会是液体流型（英语：Fluid dynamics）或分子动力学之类计算机模拟的输出，或者经验数据（如利用地理学、气象学或天体物理学设备所获得的记录）。就医学数据（CT、MRI、PET等），常常听说的一条术语就是“医学可视化（英语：Medical imaging）”。科学可视化本身并不是最终目的，而是许多科学技术工作的一个构成要素。这些工作之中通常会包括对于科学技术数据和模型的解释、操作与处理。科学工作者对数据加以可视化，旨在寻找其中的种种模式、特点、关系以及异常情况；换句话说，也就是为了帮助理解。因此，应当把可视化看作是任务驱动型，而不是数据驱动型。科学的可视化与科学本身一样历史悠久。传说，阿基米德被害时正在沙子上绘制几何图形。就像其中包含等值线（英语：Contour line）（isolines）的地磁图以及表示海上主要风向的箭头图那样，天象图也产生于中世纪。很久以前，人们就已经理解了视知觉在理解数据方面的作用 。作为一个利用计算机手段的学科，科学可视化领域如今依然还属于新事物。其发端于美国国家科学基金会1987年关于“科学计算领域之中的可视化”的报告。科学可视化的起源可以追溯到真空管计算机时代，并与计算机图形学的发展齐头并进。早期的软件曾经都是自己编制的，且设备昂贵。当时，研究人员所做的是对科学现象的动态情况加以建模，而好莱坞则开始注重那些让各种事物看起来华丽缤纷的算法。1980年代中期，当高性能计算技术造就了人们对于分析、发现及通讯手段的更高需求的时候，形式与功能才走到了一起。形形色色的传感器和超级计算机模拟为人们提供了数量如此庞大的数据，以致人们不得不求助于新的，远为精密复杂的可视化算法和工具 。1986年10月，美国国家科学基金会主办了一次名为“图形学、图像处理及工作站专题讨论”（原文：Panel on Graphics, Image Processing and Workstations）的会议，旨在针对那些开展高级科学计算（scientific computing，又称为“计算科学”）工作的研究机构，提出关于图形硬件和软件采购方面的建议。图形学和影像学技术方法在计算科学方面的应用，当时乃是一项新的领域；上述专题组成员把该领域称为“科学计算之中的可视化”（英文：Visualization in Scientific Computing，ViSC）。该专题组认为，科学可视化乃是正在兴起的一项重大的基于计算机的技术，需要联邦政府大力加强对它的支持。1987年，首届“科学计算之中的可视化”研讨会召集了众多来自学术界、行业以及政府部门的研究人员。其报告概括总结了科学可视化——这幅“科学画卷“（英文：scientific imagery）的全景及其未来需求。布鲁斯·麦考梅克（英语：Bruce H. McCormick）在1987年的报告中称：这份报告所阐明的一点就是，可视化具有培育和促进主要科学突破的潜力。这有助于将计算机图形学、图像处理、 计算机视觉、计算机辅助设计、信号处理以及关于人机界面的研究工作统一起来。在与各种会议、期刊杂志以及商业展览相配合的情况下，这培育和促进了相关的研究与开发工作，包括从高级科学计算工作站硬件、软件以及网络技术，直至录像磁带、书籍、CD光盘等等。此后，科学可视化获得了极大的发展，并且于二十世纪90年代，成为了举世公认的一门学科。1990年代初期，先后出现了许多不同的科学可视化方法和手段。当前，《大英百科全书》依然把科学可视化作为计算机图形学的组成部分。这部百科全书利用图片和动画的形式来展现对于各种科学事件的模拟，如恒星的诞生、龙卷风的演变等等……。最近，2007年召开的ACM SIGGRAPH科学可视化研讨会，就科学可视化的原理和应用开展了教育培训活动。其中，所介绍的基本概念包括可视化、人类知觉、科学方法以及关于数据的方方面面，如数据的采集、分类、存储和检索（retrieval）。他们所已经确定的可视化技术方法包括二维、三维以及多维可视化技术方法，如色彩变换（color transformations）、高维数据集符号（英语：Glyph (data visualization)）、气体和液体信息可视化、立体渲染、等值线（英语：Contour line）（isolines）和等值面、着色、颗粒跟踪、动画、虚拟环境技术以及交互式驾驶（interactive steering）。进一步延伸的主题则包括交互技术、已有的可视化系统与工具、可视化方面的美学问题，而相关主题则包括数学方法、计算机图形学以及通用的计算机科学。现如今，一些定义有时还对“科学可视化”与“信息可视化”之间差别作出了规定。比如，ETH Zurich提出，科学可视化提供的是图形化表现形式数值型数据，以便对这些数据进行定性和定量分析。与全自动分析（比如，借助于统计学方法）相比，科学可视化最终的分析步骤则是留给了用户，从而对人类视觉系统的能力加以了利用。科学可视化不同于与之相关的信息可视化领域，因为科学可视化侧重于那些代表时空连续函数之样本的数据，而不是那些内在离散的数据。全身PET扫描的MIP动画CT诊断软件之中典型的三维及多平面重建（MPR）视图头部MRI的矢状位切面动画太阳系主带小行星（main asteroid belt）和特洛伊天体（Trojan asteroids）之图像液体流之科学可视化：水中的表面波SF6和NH3同时释放时的化学成像（英语：Chemical imaging）利用原子力显微镜对玻璃表面进行的表面形貌扫描（topographic scan）绕着两个正交平面呈双重旋转的正五胞体（英文：Pentachoron）的三维投影计算机动画是利用计算机创建动态图像的艺术、方法、技术和科学。如今，计算机动画的创建工作越来越多地采用三维计算机图形学手段，尽管二维计算机图形学当前依然广泛应用于体裁化、低带宽以及更快实时渲染的需求。有时，动画的目标载体就是计算机本身，而有时其目标则是别的介质（medium），如电影胶片。另外，计算机动画有时又称为电脑成像技术或计算机生成图像；在用于电影胶片的时候，甚至还会被称为电脑特效。计算机模拟，又称为计算机仿真，是指计算机程序或计算机网络试图对于特定系统模型的模拟。对于许许多多系统的数学建模来说，计算机模拟都已经成为有效实用的组成部分。比如，这些系统包括物理学、计算物理学、化学以及生物学领域的天然系统；经济学、心理学以及社会科学领域的人类系统。在工程设计过程以及新技术当中，计算机模拟旨在深入认识和理解这些系统的运行情况或者观察它们的行为表现。对某一系统同时进行可视化与模拟的过程，称为视觉化。根据规模的不同，计算机模拟所需的时间也各不相同，包括从只需运行几分钟的计算机程序，到需要运行数小时的基于网络的计算机群，直至需要持续不断运行数日之久的大型模拟。计算机模拟所模拟事件的规模已经远远超出了传统铅笔纸张式数学建模所能企及的任何可能（甚至是任何可以想像的事情）：十多年前，关于一支军队进攻另一军队的沙漠战役模拟，采用了美国国防部高性能计算现代化项目（High Performance Computing Modernization Program）的多台超级计算机。其中，在其模拟的科威特周围地区范围内，所建模的坦克、卡车以及其他的交通工具就多达66,239辆。信息可视化的研究对象是大规模非数字体信息的视觉表达（representation）问题。此类信息如软件系统之中众多的文件或者代码行、图书馆与文献书目数据库以及国际互联网上的关系网络等等。信息可视化集中关注的是创建以直观的方式传达抽象信息的手段和方法。可视化的表达形式与交互技术则是利用人类眼睛通往心灵深处的广阔带宽优势，使得用户能够目睹、探索以至立即理解大量的信息。界面技术与感知所要揭示的就是，新的界面以及对于基本感知（perception）问题的深入理解，将会如何为科学可视化领域创造新的机遇。在计算机图形学当中，渲染是指利用计算机程序，依据模型生成图像的过程。其中，模型是采用严格定义的语言或数据结构而对于三维对象的一种描述；这种模型之中一般都会含有几何学、视角、纹理、照明以及阴影（shading）方面的信息；渲染所产生的图像则是一种数字图像或位图（又称光栅图）。“渲染”一词可能是对艺术家渲染画面场景的一种类比。另外，渲染还用于描述为了生成最终的视频输出而在视频编辑文件之中计算效果的过程。表面渲染（surface rendering），又称为表面绘制。立体渲染，又称为体渲染、体绘制或者立体绘制，指的是一种用于展现三维离散采样数据集之二维投影（2D projection）的技术方法。典型的三维数据集就是利用CT、MRI或PET技术所采集和重建出来的一组二维切片图像。通常情况下，这些图像都是按照某种规则的模式（比如，每毫秒一层）而采集和重建的；因而，在同样的规则模式下，这些图像分别都具有相同的像素数量。这些是一类关于规则立体网格的例子；其中，每个立体元素或者说体素分别采用单独一个取值来表示，而这种取值是通过在相应体素周围毗邻区域采样而获得的。重要的渲染技术方法包括：立体可视化（volume visualization），又称为体视化或三维可视化，研究的是一套旨在实现在无须数学上表达另一面（背面）的情况下查看对象的技术方法。立体可视化最初用于医学成像，而如今已经成为许多学科领域的一项基本技术。当前，对于各种现象的描绘，如云彩、水流、分子结构以及生物结构，立体可视化已经成为不可或缺的一项技术方法。许多立体可视化算法都具有高昂的计算代价，需要大量的数据存储能力。当前，硬件和软件方面的种种进展正在不断促进着立体可视化和实时性能的发展。本节将列举一系列关于当今可以如何运用科学可视化的示例。恒星的形成引力波大型恒星的超新星爆炸三维分子结构的渲染地形地貌的渲染龙卷风走廊（英语：Tornado Alley）（Tornado Alley）：美国国内龙卷风活动的分布情况气候的可视化时代广场的大气异常曲线图图像标注散点图（Scatter plot）保时捷911模型YF-17飞机制图城市的渲染西班牙马德里的地铁路线图本领域的其他可视化专家包括：要了解更多可视化专家，请参见计算机图形学研究人员科学可视化领域的重要实验室包括：科学可视化领域的重要会议包括：关于其他科学可视化组织机构,请参见：计算机图形学组织机构