科學計算可視化復習題楊整理ouc

1、不確定：等值面生成技術可視化系統(tǒng)與傳統(tǒng)計算機圖形學的區(qū)別只是初步整理，如果覺得不合理或是內容太多，某些可自行刪減或精簡，主要是簡答題，綜述題盡量不要刪減太多?？茖W計算可視化復習題填空題1. 科學計算可視化可在三個層次上實現(xiàn)，對應于三種處理方式:事后處理、跟蹤處理 和 駕馭處理。2. 可視化技術的分類主要基于函數(shù)類型和定義域的維數(shù)。如果是對一組點進行可視化，沒有相關的函數(shù)，該類數(shù)據(jù)稱為點集，相應的可以把可視化技術分為點集、標量、矢量和張量場的可視化。3. 使用散點圖矩陣對高維散布點進行可視化，矩陣下三角存放散點圖、對角線存放直方圖、上三角存放相關系數(shù)。4. 高維點數(shù)據(jù)可以使用變圖元散點圖、散點圖

2、矩陣和星圖等多種方法進行可視化。5. 等值線生成算法主要分為以下兩類：網(wǎng)格序列法和網(wǎng)格無關法。6. 等值線生成算法中的網(wǎng)格序列法主要分為以下兩類：網(wǎng)格掃描法和單元剖分法。7. 等值線生成算法中的步進法和 適應法 屬于網(wǎng)格無關法。8. 體可視化算法一般可分為兩大類： 直接體繪制算法和基于面的體繪制算法 。9. 等值面生成算法主要有以下幾種：最短對角線法，最大體積法，相鄰輪廓線同步前進發(fā)10. 體數(shù)據(jù)的表達方式主要有： 基于體素的表達和 基于體元的表達 。11. 直接體可視化(DVR)算法大多采用簡單的 正交觀察。因為透視觀察易產(chǎn)生光線逃逸問題 。12. Contour Connecting算法尋

3、找組成三角面片的下一個節(jié)點的三種啟發(fā)式算法分別是：最短對角線法 、 最大體積法、 相鄰輪廓線同步前進法 。13. 著名的護士南丁格爾在描述戰(zhàn)爭中戰(zhàn)士的死亡原因時使用了一種圖形，這種圖形我們現(xiàn)在稱為 星圖 ,斯諾博士在1854年描述倫敦霍亂病人地理位置時采用了一種圖形，這種圖形我們現(xiàn)在稱為 散點圖 。14. 試舉出幾種通用的數(shù)據(jù)格式，例如：XML格式和NetCDF格式等。15. 為增加三維物體在二維圖像上顯示的真實感，主要考慮以下幾個方面：前后關系、 透視、光照、濃淡、 立體視圖 、運動 。16. 常用的文件壓縮技術有：行程編碼 、 LZW編碼 、 霍夫曼編碼 。17. 對數(shù)據(jù)可視化時可以考慮使

4、用的圖形元素有：位置、形狀、 方向 、 大小 。18. 一維標量場數(shù)據(jù)顯示的方式主要有曲線圖 、條形圖 、 直方圖 等三種圖形。問答題1. 科學計算的目的和意義是什么？ 目的：洞察。而不僅僅是獲取數(shù)據(jù)。通過科學計算來啟發(fā)和促進人們對自然規(guī)律的更深層次的認識，從而發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，建立新學科，并應用于生產(chǎn)實踐。意義：模擬現(xiàn)實?？梢阅M客觀世界的過程，進行預測，模擬在實際中無法重復或進行試驗的自然現(xiàn)象或社會現(xiàn)象 。發(fā)現(xiàn)規(guī)律：利用數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，并對工業(yè)生產(chǎn)進行產(chǎn)品分析與設計。方案對比：利用數(shù)值模擬可進行多個方案的模擬計算和對比篩選，從而對科學定量化起到重要作用。工具化，方法性，邊緣性（交叉學科）

5、。2. 科學計算可視化可在三個層次上實現(xiàn)，對應于三種處理方式，這三種處理方法是什么，并進行說明。事后處理，跟蹤處理，駕馭處理。事后處理：把計算與計算結果的可視化分成二個階段進行，二者之間不能發(fā)生交互作用。目前事后處理比較普遍的做法是采用分布處理方案，即在超級計算機上進行計算，產(chǎn)生的計算結果經(jīng)網(wǎng)絡傳至工作站，可視化任務則由工作站承擔。跟蹤處理：要求實時地顯示計算中產(chǎn)生的結果，以便使研究人員能了解當前的計算情況，在發(fā)現(xiàn)錯誤或認為已無必要繼續(xù)往下計算時，可停止當前的計算并開始下一個新的計算。駕馭處理：則不僅能使研究人員實時地觀察到當前計算的狀態(tài)，而且要能對計算進行實時干預，如增加或減少網(wǎng)絡點，修改某

6、些網(wǎng)格中的參數(shù)等并使計算繼續(xù)下去3. 可視化系統(tǒng)的性能主要包括哪幾個方面？（10分）響應時間，人機界面，適用性，成本與效益。、（1） 響應時間可視化系統(tǒng)具備恰當?shù)捻憫獣r間是很重要的，這一響應時間可認為是完成“模塊化模型”循環(huán)所花的時間。（2） 人機界面用戶與可視化系統(tǒng)的交互方式高度復雜，除較多的機械(即系統(tǒng)定義的)方面外、涉及的是認知與感知問題。（3） 適用性每個可視化系統(tǒng)都顯式或隱式地具有一個確定范圍及一個預期的應用領域。（4）成本與效益比4. 簡述實現(xiàn)科學計算可視化的軟硬件要求是什么？硬件要求：高性能圖形工作站，高傳輸速率的網(wǎng)絡，大容量外存儲器，圖形拷貝設備。軟件要求：用適當?shù)膱D形表示方式

7、顯示數(shù)據(jù)場中各類物理量的分布情況提供三維數(shù)據(jù)場的體繪制能力，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)場的整體顯示提供對三維數(shù)據(jù)場按任意角度進行切片的功能實現(xiàn)動態(tài)顯示多維數(shù)據(jù)的可視化技術數(shù)據(jù)場與物體外形的合成顯示科學數(shù)據(jù)的模型、結構與格式；科學數(shù)據(jù)的管理與操縱交互式數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)的可擴充性和友好的人機界面5. 試分析可視化技術的組成，與傳統(tǒng)計算機圖形學的區(qū)別是什么？可視化圖形與傳統(tǒng)圖形的區(qū)別在于它主要表現(xiàn)內在物理特性，而不是強調外觀的真實感。可視化映射技術：可視化映射構成可視化技術的核心，它將由數(shù)值模擬或物理測量產(chǎn)生的科學數(shù)據(jù)映射成可繪制出圖像的抽象可視化對象，包括幾何圖形元素、顏色、透明度等圖形表示形式，可視化映射的

8、目的在于以最有效的圖形表示形式來揭示科學數(shù)據(jù)中所隱含的物理現(xiàn)象。數(shù)據(jù)管理與操縱技術：數(shù)據(jù)操縱是對可視化系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)進行各種變換和操作。對于科學數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)操縱主要完成數(shù)據(jù)的過濾，使原始數(shù)據(jù)得到加細或增強，并將其轉換為適合可視化映射的表示形式。過濾操作主要包括插值、格式轉換等。人機界面技術：數(shù)據(jù)的可視化過程是一個人機交互的過程。可視化系統(tǒng)中不僅包括與圖形的交互，還包括與數(shù)據(jù)的交互，這在駕馭式可視化系統(tǒng)中是必不可少的。另外系統(tǒng)的響應時間、應用的交互方式、以及人機界面的設計都是影響可視化系統(tǒng)性能的因素。系統(tǒng)實現(xiàn)技術：可視化系統(tǒng)的復雜性使系統(tǒng)實現(xiàn)技術變成了一個難題。一個好消息是現(xiàn)在有許多可用的圖形軟

9、件包以及可用的可視化模塊（是不是第二章第六節(jié)）6. 按照函數(shù)類型和定義域類型進行分類可視化技術可以分為哪幾類？（1）點數(shù)據(jù)場技術，點數(shù)據(jù)可視化技術是對定義域中的一些點進行映射，其關鍵是如何將n維空間中的點向二維圖像平面投影。對于一維點、二維點和三維點的投影方法是較直接的。（2）標量場技術，一維標量場可直接用線畫圖表示，其基本方法是在x-y平面內，根據(jù)采樣點的值，構造插值函數(shù)f(x)，根據(jù)f(x)生成采樣點之間的線段。二維域上的標量場數(shù)據(jù)是屬于二維函數(shù)F(x1，x2)采樣的情形。三維域上的標量場的可視化一般稱為體可視化（3）矢量場，在科學計算應用中常常涉及流體的流動，即在幾何數(shù)據(jù)點上含有矢量值的

10、數(shù)據(jù)。矢量場包括二維（平面場）、三維（立體場）或多維矢量場。（4）張量場技術，張量場出現(xiàn)在一些應用領域中。三維二階張量可用排列成3 x 3數(shù)組的9個分量來表示。張量場由二維或三維域中各點上的許多這種數(shù)組組成，可以把張量映射到標量，但會丟失許多信息。然而，對張量場直接進行可視化是比較困難的。7. 常用的圖像處理技術有哪些？圖像增強，特征提取，圖像變換。圖像增強：圖像增強就是強調圖像的某些特征以便于分析或顯示，主要包括：像素操作，局部區(qū)域操作，偽彩。特征提?。禾卣魈崛≡试S對圖像進行統(tǒng)計，從而以參數(shù)的形式來描述它。特征提取采取的幾種技術主要基于空間特征，邊界檢測，邊界提取和等值線追蹤，形狀特征及紋理

11、。圖像變換：通過某個函數(shù)來映射輸入的圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)圖像的壓縮，或是為了更容易地確定原始數(shù)據(jù)的特征8. 使用二維圖像如何更好的顯示三維物體？前后關系，透視、光照與濃淡，立體視圖，運動。前后關系：在可視化對象的周圍安排一些附加對象，這些對象與要求顯示給用戶的信息無關，但它可以幫助人們更快、更好地獲得對所顯示對象的認識透視、光照和濃淡：透視不僅限于幾何，隨距離的增加而增加煙霧和藍色（藍天的顏色）也很重要，這些效果一般通過深度提示求實現(xiàn)在環(huán)境中加入光源是很重要的提示手段，陰影則是另一提示信息濃淡效果表示物體的朝向9. 簡述體數(shù)據(jù)的分類方法。為了識別體數(shù)據(jù)中不同的結構，第一步是將體數(shù)據(jù)中的數(shù)量值劃分成不

12、同的范圍，而各個范圍所表示的物體應和某一物體相對應，這個過程即是體數(shù)據(jù)分類基于點的分類方法：只考慮體素的數(shù)量值，而不考慮其位置，常用的點分類方法有二種：閾值方法，極大似然分類方法?；谶叺姆诸惙椒ǎ夯谶叺姆诸惙椒ㄟm應于檢測體數(shù)據(jù)中的數(shù)值不連續(xù)的部分基于區(qū)域的分類方法：基于區(qū)域的分類方法考慮體數(shù)據(jù)中感興趣物體的整個區(qū)域，而不是個別體素或等值面10. 常用物體空間掃描方法有哪些？主要有：足跡表法，基于錯切-變形的體繪制算法，體元透射法，子區(qū)域透射法。足跡表法：將離散的三維光強度場重構為連續(xù)場，并決定每一個三維采樣點對屏幕像素點的貢獻范圍?；阱e切-變形體繪制算法：三維離散數(shù)據(jù)場的投影變化分解為三

13、維數(shù)據(jù)場的錯切變換和二維圖像的變形。采用一個中間坐標系，在一定的旋轉合變化范圍內 體繪制只進行一次，小的變化通過二維圖像的錯切和變形來完成體元透射法：利用三維數(shù)據(jù)場中各采樣點之間的空間相關性（即相鄰體元數(shù)據(jù)變化不大）來減少計算量子區(qū)域透射法：將數(shù)據(jù)場重新劃分為許多子區(qū)域（聚類），每個子區(qū)域將近似地看成由同一類物質組成、在繪制過程中將被賦予同一種顏色值和不透明度值11. 繪制三線性插值原理簡圖，并給出插值公式。12. 簡述3種常用的文件壓縮技術。行程編碼：該方法在圖像文件中搜索連續(xù)、重復的值，然后把該串重復值存儲為重復的次數(shù)和值，從而減小文件尺寸。LZW編碼：LZW編碼是用一個代碼來替換圖像文件

14、中的重復模式，LZW算法搜索重復序列，并構造一張這些序列與其對應的代碼的表，根據(jù)該表解碼壓縮文件。霍夫曼編碼：霍夫曼編碼是變長編碼，為出現(xiàn)頻繁的編碼分配短編碼，出現(xiàn)次數(shù)少的編碼分配長編碼，圖像的霍夫曼編碼第一步是統(tǒng)計輸入圖像文件中的每個值出現(xiàn)的次數(shù)，然后根據(jù)每個值出現(xiàn)的次數(shù)構造一顆二叉樹。13. 常用的圖像降色方法有哪些？均勻降色法，基于出現(xiàn)頻率的降色法，中值切割降色法。均勻將色法：減少光柵文件中顏色數(shù)量的最簡單的方法是分別將R、G、B分量除以一個整數(shù)值然后取整，通常一個圖像文件中，RGB各分量的所有256個值不會全部出現(xiàn)，因此可以根據(jù)文件中出現(xiàn)的顏色值的最大、最小值直接進行均勻量化?；诔霈F(xiàn)

15、頻率的降色法：只保留在圖像中出現(xiàn)最頻繁的那些顏色值，首先，減少圖像中表示RGB顏色分量的比特位數(shù)，然后掃描更改后的顏色集合，產(chǎn)生每個RGB顏色分量值的出現(xiàn)頻率，如果要產(chǎn)生包括k種顏色的彩色文件，就只選擇在圖像中出現(xiàn)最頻繁的k種顏色。中值切割降色法：將圖像中的顏色空間分為k個子區(qū)域，用每個子塊的平均顏色替換塊中的像素顏色。14. 常用的數(shù)據(jù)變換方法有哪些？數(shù)據(jù)規(guī)范化，過濾平滑網(wǎng)格重新劃分坐標變換線性變換幾何變換數(shù)據(jù)分割特征數(shù)據(jù)，增強和提取顏色表操縱與特征映射15. Surfer軟件常用的插值方法有哪些（列出5個）？距離倒數(shù)乘方法改進的謝別德法多元回歸法局部多元回歸法最小曲率法徑向基本函數(shù)法鄰居發(fā)

16、鄰近法三角網(wǎng)/線性插值法數(shù)據(jù)度量移動平均克里金法16. OpenGL技術的主要特點是什么？工業(yè)標準，可靠度高，可拓展性，可伸縮性，容易使用，靈活性?？煽慷雀撸豪肙penGL技術開發(fā)的應用圖形軟件與硬件無關?？赏卣剐裕涸S多OpenGL開發(fā)商在OpenGL核心技術規(guī)范的基礎上，增強了許多圖形繪制功能可伸縮性：基于OpenGL API的圖形應用程序可以運行在許多系統(tǒng)上，包括各種用戶電子設備、PC、工作站以及超級計算機。容易使用：OpenGL的核心圖形函數(shù)功能強大，帶有很多可選參數(shù)，這使得源程序顯得非常緊湊；OpenGL可以利用已有的其它格式的數(shù)據(jù)源進行三維物體建模，大大提高了軟件開發(fā)效率；采用Op

17、enGL技術，開發(fā)人員幾乎可以不用了解硬件的相關細節(jié)，便可以利用OpenGL開發(fā)照片質量的圖形應用程序靈活性：盡管OpenGL有一套獨特的圖形處理標準，但各平臺開發(fā)商可以自由地開發(fā)適合于各自系統(tǒng)的OpenGL執(zhí)行實例。OpenGL功能可由特定的硬件實現(xiàn)，也可用純軟件例程實現(xiàn)，或者以軟硬件結合的方式實現(xiàn)綜述題1. 綜述點數(shù)據(jù)場可視化技術。點數(shù)據(jù)可視化技術是對定義域中的一些點進行映射，其關鍵是如何將n維空間中的點向二維圖像平面投影。對于一維點、二維點和三維點的投影方法是較直接的。一維點是最簡單的情況，可直接在坐標軸上用符號標注；在顯示平面上可直接將二維點的兩個值對應到（X，Y）坐標值上；三維點可采

18、用投影方法，將三維點三個值對應到圖像空間的三個坐標軸上，再將這些點向二維顯示平面投影；可采用一些簡單的光照模型，將第三維深度信息用光照強弱表示或采用一些更簡單的方法，如用符號的大小、顏色直接表示第三維信息。高維數(shù)據(jù)場可視化：變圖元散點圖，散點圖矩陣，多變量輪廓，星圖，andrews繪圖，anderson繪圖，chernoff臉譜。2. 綜述標量場可視化技術。一維標量場可直接用線畫圖表示，其基本方法是在x-y平面內，根據(jù)采樣點的值，構造插值函數(shù)f(x)，根據(jù)f(x)生成采樣點之間的線段。圖形表示形式主要有：曲線圖，疊加線狀圖，直方圖，條形圖。二維域上的標量場數(shù)據(jù)是屬于二維函數(shù)F(x1，x2)采樣

19、的情形：包括等值線圖，高度場圖，多個標量場（三維條形圖或柱狀圖，三維直方圖，有限區(qū)域圖）。三維域上的標量場的可視化一般稱為體可視化。包括等值面，編織圖，體繪制。3. 綜述等值線生成技術。根據(jù)等值線生成時對網(wǎng)格單元的處理次序，可將等值線生成方法分為網(wǎng)格序列法和網(wǎng)格無關法。網(wǎng)格序列法的基本思想是按網(wǎng)格單元的排列次序來逐個處理每一單元，尋找各單元內的等值線段，在處理完所有單元后，即可生成該網(wǎng)格中的等值線分布，網(wǎng)格序列法主要包括網(wǎng)格掃描法和單元剖分法，前者生成速度快，但有二義性問題；后者生成速度相對較慢一些，但無二義性問題網(wǎng)格無關法通常是先求出等值線的起始點，利用該點附近的局部幾何性質，計算該等值線的

20、下一點；然后，利用已經(jīng)求出的新點，重復計算下一點，直至到達區(qū)域邊界或回到原起始點，主要有步進法和適應法。4. 綜述等值面生成技術。構造等值面的一般方法是對數(shù)據(jù)體進行曲面檢測，然后用幾何圖形元素來構造所檢測到的曲面，最后采用適當?shù)膱D形處理技術繪制曲面。最短對角線法：設上輪廓線為P，下輪廓線為Q。設Q上距Pi點最近的點為Qj，如果對角線PiQj+1<Pi+1Qj，則連接PiQj+1，形成三角面片PiQj+1Qj；否則，連接Pi+1Qj，形成三角面片PiPi+1Qj。最大體積法：如果四面體PiPi+1QjOq的體積大于四面體PiQjQj+1Op的體積，則選擇QjPi+1跨距，否則選擇PiQj+

21、1。相同輪廓線同步前進算法：這一方法的基本思想是，在用三角面片連接相鄰兩條輪廓線上的點列時，使得連接操作在兩條輪廓線上盡可能同步進行，5. 綜述體可視化基本方法。體可視化的基本方法主要有：直接體繪制算法（DVR），基于面的體繪制算法（SF）。直接體繪制算法把體數(shù)據(jù)作為整體直接投射到圖像平面上，以得到體數(shù)據(jù)的全局圖像，它不需要構造中間幾何圖元。直接體繪制算法主要有Ray Casting算法。基于面的體繪制算法是按給定的閾值提取一個同值表面，然后按傳統(tǒng)的曲面濃淡方法繪制，同值表面由與閾值相匹配的曲面幾何圖元拼接而成，所有頂點值全高于給定閾值或全低于給定閾值的體元對最后成像沒有影響，從而在拼接中不予

22、考慮，只用到跨越閾值的體元。SF算法主要包括：Contour Connecting、Marching Cubes、Marching Tetrahedra、Dividing Cubes等。6. 綜述科學計算可視化常用的濃淡處理方法有哪些？大部分體可視化算法部采用梯度濃淡處理方法，用體空間某點的梯度值近似法向量。Z-Buffer方法：這是一種較簡單的濃淡處理方法，首先把體數(shù)據(jù)二值化，然后由某個視向觀察體數(shù)據(jù)，記錄每條觀察光線與等值曲面的交點，得到給定視向的ZBuffer上的值Z(x,y)，該點的法向量按Z(x,y)的梯度向量近似計算。灰度值梯度算法：用體數(shù)據(jù)灰度值的梯度來計算表面法向量，亦即法向量由梯度向量（dg/dx,dg/dy,dg/dz）求出，其中g是灰度值函數(shù)。Marching Cubes算法：Marching Cubes方法把三角形表面曲面方法和GG