交互式可視化關鍵技術研究.pdf

1、可視化利用計算機將數據轉換成可交互的圖形化表示，從其本質而言，可視化主要包括兩個部分：顯示和交互。為了突出后者相關技術與可視化的關系，并且與人機交互等相關學科區(qū)分開來，通常稱為交互式可視化，因與可視分析有著密切的關系，又稱之為交互可視分析。
　　多年來，交互式可視化被廣泛認為是科學可視化主要的研究問題之一。隨著數值模擬規(guī)模的不斷增大、交互設備的日新月異、可視化需求的日益增高，交互式可視化技術面臨新的挑戰(zhàn)，近年來已逐漸成為科學可視化

2、領域研究的熱點。
　　本文針對已有的交互式可視化技術存在缺乏直觀性以及效率不高、交互點定位精度低甚至有誤等問題，結合流場科學計算數據和醫(yī)學圖像數據的交互三維體可視化的實際應用需求，對交互點準確快速確定、關鍵特征交互可視化、大規(guī)?？茖W數據交互可視化等關鍵技術展開研究，主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.針對已有體可視化交互方法缺乏直觀性以及效率不高問題，提出一種直觀高效的直接體過濾交互體繪制方法。該方法適用于體可視化方法和轉換函數

3、設計。采用基于草圖的交互界面，提供了支持RGBA四個通道分通道直接編輯的轉換函數編輯器，支持自然直接的數據分析和編輯操作，可以根據用戶需要突出顯示所關注特征，編輯的結果基于所見即所得（WYSIWYG）模式。應用多個實例數據的交互體可視化實驗結果，驗證了所提出的直接體過濾方法的有效性與易用性，所開發(fā)的RGBA四個通道直接編輯器實際使用效果顯著。用戶對比也證實了所提出方法的友好性和高效性優(yōu)于已有方法。
　　2.已有的多結構體數據分割與

4、標記方法很難自動得到正確的分割與標記結果，常常需要依賴專業(yè)人士的交互，這使得多結構體分析耗時、費力且容易出現(xiàn)錯誤和遺漏。為了解決這一問題，提出一種新穎的模型驅動的體分析方法。利用高斯混合模型GMM結合區(qū)域增長方法，實現(xiàn)多結構體數據自動分割；利用新提出的體-模型匹配方法，直接建立已分割體數據與幾何模型數據的對應關系，實現(xiàn)不同組織的自動標記；另外，提供了一些對復雜多結構體數據分析實用而有效的交互分析功能。多個應用實例的實驗結果表明，所提出體

5、數據分析方法將已有的知識模型融入到了體數據分析中，可以顯著減少用戶的交互與分析時間，提高分析效率，有效實現(xiàn)多結構體數據的自動和半自動標記以及真實感繪制。
　　3.如何根據用戶的二維輸入推測三維信息是科學數據交互式可視化所面臨的一個基礎性問題。已有的方法通常假設用戶的輸入是精確的，但是實際上由于諸多因素的影響，用戶的輸入并不精確，從而造成推測交互點位置的不準確和錯誤。為了克服已有方法的不足，提出一種在體數據可視分析過程中基于顯著性推

6、測交互位置的有效方法。該方法基于所提出的體顯著性定義，不僅考慮數據網格空間和屬性空間，也融入了轉換函數空間和用戶輸入。所得到的顯著性不僅可以像傳統(tǒng)方法一樣顯示原始數據中顯著地區(qū)域，而且可以反映使用者所關注的區(qū)域。另外，所提出的顯著性可以消除數據和設備誤差導致的錯誤，有助于用戶快速聚焦所關注的區(qū)域。多個實驗證明了所提出方法可以合理優(yōu)化用戶輸入，幫助用戶準確獲取所關注數據特征。
　　4.針對時變體數據可視化轉換函數設計以及關鍵幀選擇等

7、關鍵問題，提出一種基于時空體顯著性檢測分析時變體數據場中顯著區(qū)域的可視分析方法?；陲@著區(qū)域相對其周圍更為突出這一中心環(huán)繞假設，將已有的空間顯著性擴展到時間域，引入時間體顯著性，定義為體屬性時間維梯度尺度無關的高斯加權平均，然后利用中心環(huán)繞算子計算。綜合空間體顯著性和時間體顯著性之后，得到的時空體顯著性可以檢測顯著區(qū)域的變化，最后將所定義的顯著性用于自動生成時變體數據轉換函數、檢測時變體數據關鍵幀。實驗結果驗證了所提出方法不僅可以突出關

8、鍵特征及其發(fā)展變化，也反映了整個體數據的重要變化，并顯著減少了視覺混亂。所提出的時變體顯著性定義為時變體數據的分析提供了一種新的思路。
　　5.利用天河-1A超級計算機軟硬件系統(tǒng)和ParaView并行可視化開源平臺構建了面向計算流體力學的大規(guī)模數據交互式可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據所提出的體顯著性確定流線種子點布局，實現(xiàn)高效的動態(tài)圖元三維流場顯示方法；利用所提出的三維空間交互點優(yōu)化算法，基于三維力傳感器交互設備Falcon實現(xiàn)了三維立體