Visualização científica - Scientific visualization

Para visualização matemática, consulte visualização matemática .
Uma visualização científica de uma simulação de uma instabilidade de Rayleigh – Taylor causada por dois fluidos de mistura.
Renderização de superfície de grãos de pólen de Arabidopsis thaliana com microscópio confocal .

Visualização científica ( também soletrada visualização científica ) é um ramo interdisciplinar da ciência preocupado com a visualização de fenômenos científicos. Também é considerado um subconjunto da computação gráfica , um ramo da ciência da computação. O objetivo da visualização científica é ilustrar graficamente os dados científicos para permitir que os cientistas entendam, ilustrem e obtenham uma visão a partir de seus dados. A pesquisa sobre como as pessoas leem e interpretam incorretamente vários tipos de visualizações está ajudando a determinar quais tipos e recursos de visualizações são mais compreensíveis e eficazes na transmissão de informações.

História

Mapa de fluxo de Charles Minard da marcha de Napoleão .

Um dos primeiros exemplos de visualização científica tridimensional foi a superfície termodinâmica de Maxwell , esculpida em argila em 1874 por James Clerk Maxwell . Este prefigurou técnicas modernas de visualização científica que usam computação gráfica .

Os primeiros exemplos bidimensionais notáveis ​​incluem o mapa de fluxo da Marcha de Napoleão em Moscou, produzido por Charles Joseph Minard em 1869; os "coxcombs" usados ​​por Florence Nightingale em 1857 como parte de uma campanha para melhorar as condições sanitárias no exército britânico; e o mapa de pontos usado por John Snow em 1855 para visualizar o surto de cólera da Broad Street .

Métodos de visualização de dados

Artigo principal: Visualização de dados

Conjuntos de dados bidimensionais

A visualização científica usando computação gráfica ganhou popularidade à medida que os gráficos amadureceram. As aplicações primárias foram campos escalares e campos vetoriais de simulações de computador e também dados medidos. Os métodos principais para visualizar campos escalares bidimensionais (2D) são o mapeamento de cores e o desenho de linhas de contorno . Os campos de vetor 2D são visualizados usando glifos e linhas de fluxo ou métodos de convolução integral de linha . Os campos de tensor 2D são frequentemente resolvidos em um campo vetorial usando um dos dois autovetores para representar o tensor de cada ponto no campo e, em seguida, visualizados usando métodos de visualização de campo vetorial.

Conjuntos de dados tridimensionais

Para campos escalares 3D, os métodos principais são renderização de volume e isosuperfícies . Métodos para visualizar campos de vetor incluem glifos (ícones gráficos), como setas, linhas aerodinâmicas e listras , rastreamento de partículas, convolução integral de linha (LIC) e métodos topológicos. Posteriormente, técnicas de visualização, como hipertramines, foram desenvolvidas para visualizar campos tensores 2D e 3D.

Tópicos

Projeção de intensidade máxima (MIP) de um PET scan de corpo inteiro .
Imagem do sistema solar do cinturão de asteróides principal e os asteróides de Tróia.
Visualização científica do fluxo de fluido: ondas de superfície na água
Imagem química de uma liberação simultânea de SF 6 e NH 3 .
Varredura topográfica de uma superfície de vidro por um microscópio de força atômica .

Animação por computador

Animação por computador é a arte, técnica e ciência de criar imagens em movimento por meio do uso de computadores . É cada vez mais comum ser criado por meio de gráficos de computador 3D , embora os gráficos de computador 2D ainda sejam amplamente usados ​​para necessidades estilísticas, de baixa largura de banda e de renderização mais rápida em tempo real . Às vezes, o alvo da animação é o próprio computador, mas às vezes o alvo é outro meio , como o filme . Também é conhecido como CGI ( imagens geradas por computador ou imagens geradas por computador), especialmente quando usado em filmes. Os aplicativos incluem animação médica , que é mais comumente utilizada como uma ferramenta instrutiva para profissionais médicos ou seus pacientes.

Simulação de computador

Simulação de computador é um programa de computador, ou rede de computadores, que tenta simular um modelo abstrato de um sistema particular. As simulações de computador tornaram-se uma parte útil da modelagem matemática de muitos sistemas naturais em física e física computacional, química e biologia; sistemas humanos em economia, psicologia e ciências sociais; e no processo de engenharia e nova tecnologia, para obter uma visão sobre a operação desses sistemas ou para observar seu comportamento. A visualização e simulação simultâneas de um sistema é chamada de visualização .

As simulações de computador variam de programas de computador que rodam por alguns minutos, a grupos de computadores baseados em rede rodando por horas, a simulações contínuas que rodam por meses. A escala de eventos que estão sendo simulados por simulações de computador excedeu em muito qualquer coisa possível (ou talvez até imaginável) usando a modelagem matemática tradicional de papel e lápis : mais de 10 anos atrás, uma simulação de batalha no deserto, de uma força invadindo outra, envolveu o modelagem de 66.239 tanques, caminhões e outros veículos em terreno simulado ao redor do Kuwait , usando vários supercomputadores no Programa de Modernização de Computação de Alto Desempenho do DoD .

Visualização de informação

A visualização da informação é o estudo da " representação visual de coleções em grande escala de informações não numéricas, como arquivos e linhas de código em sistemas de software , bibliotecas e bancos de dados bibliográficos , redes de relações na internet e assim por diante".

A visualização da informação focada na criação de abordagens para transmitir informações abstratas de forma intuitiva. As representações visuais e as técnicas de interação tiram proveito do amplo caminho de largura de banda do olho humano na mente para permitir que os usuários vejam, explorem e entendam grandes quantidades de informações de uma só vez. A principal diferença entre visualização científica e visualização de informação é que a visualização de informação é freqüentemente aplicada a dados que não são gerados por investigação científica. Alguns exemplos são representações gráficas de dados para negócios, governo, notícias e mídia social.

Tecnologia de interface e percepção

A tecnologia de interface e a percepção mostram como novas interfaces e uma melhor compreensão das questões perceptivas subjacentes criam novas oportunidades para a comunidade de visualização científica.

Renderização de superfície

Rendering é o processo de geração de uma imagem a partir de um modelo , por meio de programas de computador. O modelo é uma descrição de objetos tridimensionais em uma linguagem ou estrutura de dados estritamente definida. Ele conteria informações de geometria, ponto de vista, textura , iluminação e sombreamento . A imagem é uma imagem digital de ou gráficos raster imagem . O termo pode ser feito por analogia com uma "representação artística" de uma cena. 'Renderização' também é usado para descrever o processo de cálculo de efeitos em um arquivo de edição de vídeo para produzir a saída de vídeo final. Técnicas de renderização importantes são:

Renderização e rasterização Scanline
Uma representação de alto nível de uma imagem necessariamente contém elementos em um domínio diferente dos pixels. Esses elementos são chamados de primitivos. Em um desenho esquemático, por exemplo, segmentos de linha e curvas podem ser primitivos. Em uma interface gráfica com o usuário, as janelas e os botões podem ser os primitivos. Na renderização 3D, triângulos e polígonos no espaço podem ser primitivos.
Ray casting
Ray casting é usado principalmente para simulações em tempo real, como aquelas usadas em jogos de computador 3D e animações de desenho animado, onde os detalhes não são importantes, ou onde é mais eficiente falsificar manualmente os detalhes para obter melhor desempenho na fase computacional. Geralmente, esse é o caso quando um grande número de quadros precisa ser animado. As superfícies resultantes têm uma aparência "plana" característica quando nenhum truque adicional é usado, como se os objetos na cena fossem todos pintados com acabamento fosco.
Radiosidade
A radiosidade , também conhecida como iluminação global, é um método que tenta simular a maneira como superfícies iluminadas diretamente atuam como fontes de luz indireta que iluminam outras superfícies. Isso produz sombreamento mais realista e parece capturar melhor o ' ambiente ' de uma cena interna. Um exemplo clássico é a maneira como as sombras 'abraçam' os cantos dos quartos.
Rastreamento de raio
O rastreamento de raios é uma extensão da mesma técnica desenvolvida em renderização de linha de varredura e lançamento de raios. Como esses, ele lida bem com objetos complicados, e os objetos podem ser descritos matematicamente. Ao contrário do scanline e do casting, o ray tracing é quase sempre uma técnica de Monte Carlo, que se baseia na média de um número de amostras geradas aleatoriamente de um modelo.

Renderização de volume

A renderização de volume é uma técnica usada para exibir uma projeção 2D de um conjunto de dados 3D amostrados discretamente . Um conjunto de dados 3D típico é um grupo de imagens de fatias 2D adquiridas por um scanner de TC ou MRI . Normalmente, eles são adquiridos em um padrão regular (por exemplo, uma fatia a cada milímetro) e geralmente têm um número regular de pixels de imagem em um padrão regular. Este é um exemplo de grade volumétrica regular, com cada elemento de volume, ou voxel, representado por um único valor que é obtido por amostragem da área imediata ao redor do voxel.

Visualização de volume

Segundo Rosenblum (1994) "a visualização de volume examina um conjunto de técnicas que permite visualizar um objeto sem representar matematicamente a outra superfície. Inicialmente usada em imagens médicas , a visualização de volume tornou-se uma técnica essencial para muitas ciências, retratar fenômenos tornou-se uma técnica essencial. como nuvens, fluxos de água e estrutura molecular e biológica. Muitos algoritmos de visualização de volume são computacionalmente caros e exigem grande armazenamento de dados. Avanços em hardware e software estão generalizando a visualização de volume, bem como desempenhos em tempo real ".

Desenvolvimentos de tecnologias baseadas na web e renderização no navegador permitiram a apresentação volumétrica simples de um cubóide com uma estrutura de referência em mudança para mostrar dados de volume, massa e densidade.

Formulários

Esta seção dará uma série de exemplos de como a visualização científica pode ser aplicada hoje.

Nas ciências naturais

  • Formação de estrelas

  • Ondas gravitacionais

  • Massive Star Supernovae Explosions

  • Renderização molecular

Formação de estrelas : O gráfico apresentado é um gráfico de Volume do logaritmo da densidade de gás / poeira em uma estrela Enzo e simulação de galáxia. As regiões de alta densidade são brancas, enquanto as regiões menos densas são mais azuis e também mais transparentes.

Ondas gravitacionais : os pesquisadores usaram o Globus Toolkit para aproveitar o poder de vários supercomputadores para simular os efeitos gravitacionais das colisões de buracos negros.

Explosões de supernovas estelares maciças : na imagem, cálculos hidrodinâmicos de radiação tridimensional de explosões de supernovas estelares maciças O código de evolução estelar DJEHUTY foi usado para calcular a explosão do modelo SN 1987A em três dimensões.

Renderização molecular : os recursos gerais de plotagem do VisIt foram usados ​​para criar a renderização molecular mostrada na visualização em destaque. Os dados originais foram retirados do Protein Data Bank e transformados em um arquivo VTK antes da renderização.

Em geografia e ecologia

  • Renderização de terreno

  • Visualização do clima

  • Anomalia atmosférica na Times Square

Visualização do terreno : VisIt pode ler vários formatos de arquivo comuns na área de Sistemas de Informação Geográfica (SIG), permitindo traçar dados raster como dados de terreno em visualizações. A imagem apresentada mostra um gráfico de um conjunto de dados DEM contendo áreas montanhosas perto de Dunsmuir, CA. Linhas de elevação são adicionadas ao gráfico para ajudar a delinear mudanças na elevação.

Simulação de tornado : esta imagem foi criada a partir de dados gerados por uma simulação de tornado calculada no cluster de computação IBM p690 da NCSA. As animações de televisão de alta definição da tempestade produzidas no NCSA foram incluídas em um episódio da série de televisão NOVA da PBS chamada "Hunt for the Supertwister". O tornado é representado por esferas coloridas de acordo com a pressão; tubos laranja e azuis representam o fluxo de ar que sobe e desce ao redor do tornado.

Visualização do clima : esta visualização mostra o dióxido de carbono de várias fontes que são advectadas individualmente como traçadores no modelo de atmosfera. O dióxido de carbono do oceano é mostrado como plumas durante fevereiro de 1900.

Anomalia atmosférica na Times Square Na imagem, são visualizados os resultados da estrutura de simulação do SAMRAI de uma anomalia atmosférica dentro e ao redor da Times Square.

Vista de um cubo 4D projetado em 3D: projeção ortogonal (esquerda) e projeção em perspectiva (direita).

Na matemática

Artigo principal: Visualização matemática

A visualização científica de estruturas matemáticas foi realizada com o propósito de construir intuição e auxiliar na formação de modelos mentais.

Coloração de domínio de f ( x ) = ( x 2 −1) ( x −2− i ) 2/x 2 + 2 + 2 i

Objetos de dimensões superiores podem ser visualizados na forma de projeções (vistas) em dimensões inferiores. Em particular, objetos quadridimensionais são visualizados por meio de projeção em três dimensões. As projeções dimensionais inferiores de objetos dimensionais superiores podem ser usadas para fins de manipulação de objetos virtuais, permitindo que objetos 3D sejam manipulados por operações realizadas em 2D e objetos 4D por interações realizadas em 3D.

Na análise complexa , as funções do plano complexo são inerentemente 4-dimensionais, mas não há projeção geométrica natural em representações visuais dimensionais inferiores. Em vez disso, a visão de cores é explorada para capturar informações dimensionais usando técnicas como coloração de domínio .

Nas ciências formais

  • Gráficos de curvas

  • Anotações de imagem

  • Gráfico de dispersão

Mapeamento computadorizado de superfícies topográficas : Por meio do mapeamento computadorizado de superfícies topográficas, os matemáticos podem testar teorias de como os materiais mudarão quando submetidos a tensões. A imagem é parte do trabalho do Laboratório de Visualização Eletrônica financiado pela NSF na Universidade de Illinois em Chicago.

Parcelas da curva : visita pode traçar curvas de leitura de dados a partir de arquivos e pode ser usado para extrair e curva trama de dados a partir de conjuntos de dados de dimensão superior usando operadores lineout ou consultas. As curvas na imagem apresentada correspondem aos dados de elevação ao longo das linhas desenhadas nos dados DEM e foram criadas com a capacidade de linha de recurso. Lineout permite que você desenhe uma linha interativamente, que especifica um caminho para a extração de dados. Os dados resultantes foram então plotados como curvas.

Anotações de imagem : O gráfico apresentado mostra o índice de área foliar (LAI), uma medida da matéria vegetativa global, a partir de um conjunto de dados NetCDF. O gráfico principal é o grande gráfico na parte inferior, que mostra o LAI para todo o mundo. Os gráficos na parte superior são, na verdade, anotações que contêm imagens geradas anteriormente. As anotações de imagem podem ser usadas para incluir material que aprimora uma visualização, como plotagens auxiliares, imagens de dados experimentais, logotipos de projeto, etc.

Gráfico de dispersão : gráfico de dispersão de visita permite visualizar dados multivariados de até quatro dimensões. O gráfico de dispersão pega várias variáveis ​​escalares e as usa para diferentes eixos no espaço de fase. As diferentes variáveis ​​são combinadas para formar coordenadas no espaço de fase e são exibidas usando glifos e coloridas usando outra variável escalar.

Nas ciências aplicadas

  • Modelo Porsche 911

  • Plot de aeronave YF-17

  • Renderização de cidade

Modelo Porsche 911 ( modelo NASTRAN): O gráfico apresentado contém um gráfico de malha de um modelo Porsche 911 importado de um arquivo de dados em massa NASTRAN. VisIt pode ler um subconjunto limitado de arquivos de dados em massa NASTRAN, em geral o suficiente para importar a geometria do modelo para visualização.

Plotagem da aeronave YF-17 : A imagem apresentada exibe plotagens de um conjunto de dados CGNS representando uma aeronave a jato YF-17. O conjunto de dados consiste em uma grade não estruturada com solução. A imagem foi criada usando um gráfico de pseudocolor da variável Mach do conjunto de dados, um gráfico de malha da grade e um gráfico vetorial de uma fatia através do campo Velocidade.

Renderização da cidade : um arquivo de forma ESRI contendo uma descrição poligonal das pegadas do prédio foi lido e, em seguida, os polígonos foram reamostrados em uma grade retilínea, que foi extrudada para a paisagem urbana apresentada.

Tráfego de entrada medido : esta imagem é um estudo de visualização do tráfego de entrada medido em bilhões de bytes no backbone NSFNET T1 para o mês de setembro de 1991. A faixa de volume de tráfego é representada de roxo (zero bytes) a branco (100 bilhões de bytes). Representa os dados coletados pela Merit Network, Inc.

Organizações

Laboratórios importantes na área são:

As conferências neste campo, classificadas por importância na pesquisa de visualização científica, são:

Veja mais: Organizações de computação gráfica , instalações de supercomputação

Veja também

Em geral
Publicações
Programas

Referências

Leitura adicional

links externos