第1章科學(xué)計(jì)算可視化緒論

科學(xué)計(jì)算可視化任課教師:張二華辦公室:綜合實(shí)驗(yàn)樓816聯(lián)系電話:郵箱:zherhua@163.com南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2013年9月第1章緒論

科學(xué)計(jì)算可視化產(chǎn)生的背景所謂可視化(Visualization)，《牛津英語(yǔ)詞典》解釋為“構(gòu)成頭腦情景的能力或過(guò)程，或不可直接察覺(jué)的某種東西的視覺(jué)”，意指將本來(lái)不可見(jiàn)的東西變成可見(jiàn)的圖象的過(guò)程?？梢暬且幌盗械霓D(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換將原始數(shù)據(jù)變成可顯示的圖象，這種轉(zhuǎn)換的目的在于將信息轉(zhuǎn)換成可被人類(lèi)感知系統(tǒng)所領(lǐng)悟的形式?？茖W(xué)計(jì)算可視化是在20世紀(jì)80年代后期提出并發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，進(jìn)人20世紀(jì)80年代后，計(jì)算機(jī)的軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展，求解問(wèn)題的規(guī)模不斷擴(kuò)大，復(fù)雜度不斷提高。許多大型科學(xué)計(jì)算往往產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)只有經(jīng)過(guò)分析和理解才能成為有用的信息。盡管人們可以利用超級(jí)計(jì)算機(jī)及時(shí)處理海量數(shù)據(jù)，卻無(wú)法用計(jì)算機(jī)來(lái)及時(shí)分析和理解這些數(shù)據(jù)。目前計(jì)算機(jī)在自動(dòng)理解上還達(dá)不到人腦的智能，最終的分析和理解還得由人來(lái)完成，這是一件十分費(fèi)時(shí)而又煩瑣的工作，所花費(fèi)的時(shí)間往往是計(jì)算時(shí)間的十幾倍甚至幾十倍?？梢暬夹g(shù)首先是科學(xué)研究本身的需要科學(xué)計(jì)算的目的是洞察、發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的現(xiàn)象和規(guī)律，而不僅僅是獲取數(shù)據(jù)本身，由于缺乏對(duì)大量數(shù)據(jù)及時(shí)、有效的分析手段，許多寶貴的信息被浪費(fèi)掉了，這嚴(yán)重阻礙了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。擺脫這種困境的最好辦法就是用直觀的圖形輸出來(lái)代替枯燥的數(shù)據(jù)輸出，復(fù)雜的數(shù)據(jù)以圖形的形式表現(xiàn)時(shí)是最容易理解的，借助人類(lèi)強(qiáng)大的視覺(jué)及形象思維能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本質(zhì)上的理解，看到用傳統(tǒng)的方法不可見(jiàn)的現(xiàn)象或規(guī)律，這就是科學(xué)計(jì)算可視化。可視化研究的必要性1986年在ACMSIGGRAPH(AssociationforComputingMachinery)(SpecialInterestGrouponGraphics)“圖形、圖像處理和工作站”討論會(huì)上，提交給美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF，NationalScienceFoundation)的報(bào)告中已認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題。該報(bào)告指出，為幫助科學(xué)家進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，以便發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)其中所隱含的物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤，需要研究先進(jìn)的可視化技術(shù)?？梢暬夹g(shù)也是醫(yī)學(xué)研究的需要促進(jìn)科學(xué)計(jì)算可視化發(fā)展的另一個(gè)重要?jiǎng)恿κ轻t(yī)學(xué)研究的需要。1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，X射線透視設(shè)備使人們有了探測(cè)物體內(nèi)部的手段,在醫(yī)療診斷和工業(yè)探傷上發(fā)揮了重要作用。然而，這種X光照片只是一種透視投影圖像，它將三維信息壓縮成二維信息。雖然從X光照片中，人們可以在一定程度上發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)部的骨骼形態(tài)、腫瘤位置、各器官（主要是肺）是否正常，也可以檢測(cè)工件內(nèi)部是否有氣泡和裂痕，但其主要缺陷是沒(méi)有三維深度信息，無(wú)法從X光照片中獲取對(duì)象的立體信息。由X射線透視儀到CT成像能否從多個(gè)不同角度的投影重構(gòu)物體的三維信息？1968年，英國(guó)EMI公司的Hounsfield設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)輔助大腦掃描器(Computer-assistedBrainScanner)，可以產(chǎn)生清晰的圖像,于1973年正式推出CT機(jī)，在醫(yī)學(xué)和工業(yè)檢測(cè)中獲得了很好的應(yīng)用，為此Hounsfield與其合作者Cormack于1979年分獲諾貝爾物理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。盡管CT與X射線透視儀都能產(chǎn)生二維圖像，但它們之間有著本質(zhì)的不同，CT產(chǎn)生的是三維空間中某個(gè)斷層(切片)上的圖像，一組斷層圖像就構(gòu)成了物體的三維信息；而X射線透視儀產(chǎn)生的是三維物體沿某個(gè)方向的投影圖像，三維深度信息在透視成像過(guò)程中丟失了。由CT數(shù)據(jù)重建人體的三維結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助大腦掃描器奠定了現(xiàn)代斷層攝影術(shù)(Tomography)的基礎(chǔ)，它的出現(xiàn)帶動(dòng)了整個(gè)影像技術(shù)發(fā)生了全面的根本性的改變。斷層攝影術(shù)的出現(xiàn)為三維可視化技術(shù)的研究和發(fā)展奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著CT技術(shù)的應(yīng)用，人們希望從一系列CT數(shù)據(jù)重建人體的三維結(jié)構(gòu)。從70年代中期到70年代末，由于技術(shù)水平的限制，切片之間的間距很大，早期的研究工作主要集中在輪廓線連接(ContourConnection,ContourTracking)或稱為由平面輪廓線重建形體(ShapefromPlanerContours)。由平面輪廓線重建三維形體1975年Keppel提出用三角片擬合物體表面的方法。這類(lèi)方法需要解決斷層圖像上的輪廓線的抽取、層與層之間輪廓線的對(duì)應(yīng)和物體外表面的擬合等問(wèn)題。1979年，Herman和Liu提出了立方體方法(Cuberille)，用物體邊界處體素的表面拼接起來(lái)去代表物體表面?？偟膩?lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期，可視化的基本思想已經(jīng)初步建立，但也有許多問(wèn)題沒(méi)有解決好，如圖像分割、輪廓線連接中的對(duì)應(yīng)、分叉以及顯示圖像質(zhì)量低等問(wèn)題。部分原因是影像技術(shù)還不成熟，更主要的原因是因?yàn)閳D像分割和輪廓對(duì)應(yīng)的本質(zhì)決定了它們都是不適定的(Ill-posed,Ill-defined)問(wèn)題。80年代可視化技術(shù)的進(jìn)展各種影像技術(shù)不斷出現(xiàn)，如磁共振成像(MRI:MagneticResonanceImaging)、超聲(US:Ultrasonography)、正電子輻射斷層攝影(PET:positronEmissionTomography)和單光子輻射斷層攝影(SPECT:SinglePhotonEmissionComputedTomography)等影像技術(shù)逐漸成熟，能夠得到高分辨率、低躁聲的三維圖像，極大地促進(jìn)了可視化技術(shù)的發(fā)展。在這個(gè)時(shí)期，人們提出了大量算法，在明暗計(jì)算上，首先提出了以深度代表明暗的方法，隨后又提出了深度梯度明暗計(jì)算方法，一定程度上提高了圖像的明暗層次，但結(jié)果圖象仍然比較粗糙、走樣嚴(yán)重。1986年，Hohne和Bernstein提出了一種灰度梯度明暗計(jì)算方法，它能夠細(xì)膩地表現(xiàn)物體微小的結(jié)構(gòu)。這種方法至今仍被廣泛采用，因?yàn)樗迷既S灰度圖像的梯度估計(jì)表面法向量，因此當(dāng)原始三維圖像的分辨率足夠高時(shí)能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的顯示圖像。最重要的進(jìn)展：體繪制方法在具體實(shí)現(xiàn)方法上，提出了以光線投射算法為代表的多種方法，按合成順序可分為從前至后投影的方法和從后至前投影方法，也可以分為以物體空間為序的算法和以圖象空間為序的算法。在物體表面重建方面，Lorensen等人提出了一種非常有效的等值面構(gòu)造方法——移動(dòng)立方體法，它在體素級(jí)上用三角片擬合等值面，回避了輪廓線拼接方法中不適定的輪廓線對(duì)應(yīng)問(wèn)題，可以穩(wěn)定地重建物體表面。為了解決移動(dòng)立方體法存在的二義性問(wèn)題，提出了分解立方體法。它把體素分成物體內(nèi)的、物體外的和表面上的體素，如果體素分辨率大于屏幕分辨率，那么把表面上的體素分解為八個(gè)子體素，重復(fù)上面分解過(guò)程直至達(dá)到顯示分辨率為止。在整個(gè)80年代的可視化研究中，最引人注目的就是體繪制方法。這種方法不需要構(gòu)造物體表面，而直接對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，也稱為直接體繪制?？茖W(xué)計(jì)算可視化的正式提出1987年，NSF在華盛頓召開(kāi)了“科學(xué)計(jì)算可視化”首次專(zhuān)題討論會(huì)，與會(huì)者是來(lái)自計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理以及不同領(lǐng)域的科學(xué)計(jì)算專(zhuān)家。會(huì)議認(rèn)為“將圖形和圖像技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算是一個(gè)全新的領(lǐng)域”，并指出“科學(xué)家們不僅要分析由計(jì)算機(jī)得出的數(shù)據(jù)，而且還要了解在計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)變化的情況，這些都需要借助于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及圖像處理技術(shù)”。會(huì)議將這一領(lǐng)域定名為“VisualizationinScientificComputing”,簡(jiǎn)稱“ScientificVisualization”。會(huì)后，Mccormick、Defanti和Brown發(fā)表了第一篇科學(xué)計(jì)算可視化報(bào)告——VisualizationInScientificComputing，標(biāo)志著科學(xué)計(jì)算可視化這一新興學(xué)科的正式誕生。這次會(huì)議之后，美國(guó)、西歐、日本各著名大學(xué)、研究所、超級(jí)計(jì)算機(jī)中心以及各大公司紛紛進(jìn)行科學(xué)計(jì)算可視化理論和方法的研究，可視化目前已逐步走向成熟，并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?？茖W(xué)計(jì)算可視化的發(fā)展1991年以來(lái)，美國(guó)電機(jī)電子工程師協(xié)會(huì)每年召開(kāi)一次可視化學(xué)術(shù)會(huì)議，并出版論文集。1995年，美國(guó)IEEE刊物中又增加了一種新刊物“IEEETransactionsonVisualizationandComputerGraphics”。美國(guó)、德國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)中心、研究所及各大公司著手開(kāi)發(fā)科學(xué)計(jì)算可視化的軟件系統(tǒng)，如美國(guó)Stardent計(jì)算機(jī)公司推出的AVS系統(tǒng)，美國(guó)俄亥俄超級(jí)計(jì)算機(jī)中心開(kāi)發(fā)的apE系統(tǒng)?？茖W(xué)計(jì)算可視化作為一門(mén)新興學(xué)科，已獲得迅速發(fā)展，并開(kāi)始走向應(yīng)用，取得了顯著效益?？茖W(xué)可視化、多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)自20世紀(jì)90年代起就成為計(jì)算機(jī)三維圖像圖形領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。科學(xué)計(jì)算可視化的含義科學(xué)計(jì)算可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中或計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。實(shí)際上，隨著技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化的含義已經(jīng)大大擴(kuò)展。它不僅包括科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，而且包括工程計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，如有限元分析結(jié)果等，也包括測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化，如醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)及核磁共振（MRI）數(shù)據(jù)的可視化，三維地震數(shù)據(jù)的可視化、氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的可視化等。科學(xué)計(jì)算可視化的意義科學(xué)計(jì)算可視化可以大大加快數(shù)據(jù)分析和處理的速度，提高工作效率，使人們可以在三維圖形世界中用以前不可想象的手段來(lái)獲取信息，為加深理解、獲取深層次信息提供了強(qiáng)有力的手段。方程的解的可視化結(jié)果量子力學(xué)中某函數(shù)的可視化圖像科學(xué)計(jì)算可視化的意義科學(xué)計(jì)算可視化可以使人們觀察到傳統(tǒng)的科學(xué)計(jì)算中發(fā)生了什么現(xiàn)象，成為發(fā)現(xiàn)和理解科學(xué)計(jì)算過(guò)程中各種現(xiàn)象的有力工具。還可以使人們對(duì)計(jì)算過(guò)程實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)和控制，通過(guò)交互手段改變計(jì)算所依據(jù)的條件并觀察其影響(交互視覺(jué)計(jì)算、及時(shí)視覺(jué)反饋，可馭視算)?？傊?，科學(xué)計(jì)算的可視化將極大地提高科學(xué)計(jì)算的速度和質(zhì)量，使科學(xué)研究工作的面貌發(fā)生根本性的變化。由于科學(xué)計(jì)算可視化可以將計(jì)算結(jié)果用圖形或圖像形象、直觀地顯示出來(lái)，許多抽象的原理和現(xiàn)象變得直觀、容易理解，許多雜亂而枯燥的數(shù)據(jù)變得生動(dòng)而有規(guī)律。因而科學(xué)計(jì)算可視化的實(shí)現(xiàn)也將大大促進(jìn)教育手段的現(xiàn)代化，有利于教育質(zhì)量的提高?？茖W(xué)計(jì)算可視化的意義歷史表明，人類(lèi)的視覺(jué)在人類(lèi)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮過(guò)杰出的作用，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(lèi)視覺(jué)的功能。應(yīng)用可視化技術(shù)，可以對(duì)大量抽象的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，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。海量數(shù)據(jù)只有通過(guò)可視化變成圖形和圖像，才能激發(fā)人的靈感，發(fā)揮形象思維的潛能，從雜亂無(wú)章的海量數(shù)據(jù)中，觀察其中隱藏的規(guī)律，為科學(xué)發(fā)現(xiàn)、工程開(kāi)發(fā)、醫(yī)療診斷和決策提供科學(xué)依據(jù)?？茖W(xué)計(jì)算可視化的應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的可視化一直是可視化中最為活躍的研究領(lǐng)域之一。科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)可以由一系列二維圖像重構(gòu)三維形體，使醫(yī)學(xué)圖像從二維走向三維，可以看到人體內(nèi)部，準(zhǔn)確地確定病變的空間位置、大小、幾何形狀以及它與周?chē)锝M織之間的空間關(guān)系，從而及時(shí)有效地診斷疾病。科學(xué)計(jì)算可視化在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用三維圖像有利于直觀地顯示病變，幫助診斷并指導(dǎo)手術(shù)。在主動(dòng)脈病變?cè)\斷和冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)后的血管顯示方面，可望取代有創(chuàng)傷的常規(guī)血管造影。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)矯形手術(shù)、放射治療等的計(jì)算機(jī)模擬及手術(shù)規(guī)劃。髖關(guān)節(jié)發(fā)育不正常在兒童中并不少見(jiàn)，在作矯形手術(shù)時(shí)，需要對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行切割、移位、固定等操作。利用可視化技術(shù)可以首先在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造出髖關(guān)節(jié)的三維圖像，然后對(duì)切割部位、切割形狀、移位多少及固定方式等的多種方案在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬，并從各個(gè)不同角度觀察其效果。最后由醫(yī)生選擇出最佳實(shí)施方案，從而大大提高矯形手術(shù)的質(zhì)量。在作腦部腫瘤放射治療時(shí)，需要在顱骨上穿孔，將放射性同位素準(zhǔn)確地安放在腦中病灶部位，既要使治療效果最好，又要保證整個(gè)手術(shù)過(guò)程及同位素射線不傷及正常組織。由于人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在不開(kāi)顱情況下，醫(yī)生無(wú)法觀察到手術(shù)進(jìn)行的實(shí)際情況，要達(dá)到上述要求是十分困難的。利用可視化技術(shù)，可以在重構(gòu)出的人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維圖像的基礎(chǔ)上，對(duì)顱骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等劑量線等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，設(shè)計(jì)并選擇出最佳方案。不僅如此，還可以在手術(shù)過(guò)程中對(duì)手術(shù)進(jìn)行情況在屏幕上予以監(jiān)視，使醫(yī)生們做到“心中有數(shù)”，因而可大大提高手術(shù)的成功率。由二維輪廓線重構(gòu)三維形體人腦三維數(shù)據(jù)可視化人腦三維數(shù)據(jù)可視化等值面拼接三維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化TheSOM-PNNclassificationTheMLclassificationThePNNclassificationTheSOMclassification由樹(shù)獺三維數(shù)據(jù)得到的可視化圖像醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)可視化可視化人體計(jì)劃長(zhǎng)期以來(lái)，人類(lèi)就有認(rèn)識(shí)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的愿望。一直到20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和核磁共振(MRI)技術(shù)的出現(xiàn)，才使得獲取人體內(nèi)部數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實(shí)。美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館(NLM)于1989提出了“可視化人體計(jì)劃(VisibleHumanProject，VHP)”，利用成千上萬(wàn)個(gè)人體橫斷面數(shù)據(jù)重建人體的三維立體圖像，為開(kāi)展各類(lèi)與人體相關(guān)的研究，尤其是醫(yī)學(xué)研究提供形象而真實(shí)的模型。1991年8月，美國(guó)NLM與Colorado大學(xué)健康科學(xué)中心(Healthsciencescenter)簽署協(xié)議，由Colorado大學(xué)醫(yī)學(xué)院建立一個(gè)男人和一個(gè)女人的全部解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)。首先將人體標(biāo)本從頭到腳做了CT掃描和核磁共振掃描，再經(jīng)過(guò)低溫冰凍后，用工業(yè)銑床逐層銑切、逐層照相，輸入計(jì)算機(jī)獲取人體連續(xù)橫斷面圖像，然后進(jìn)行人體結(jié)構(gòu)的三維重建。美國(guó)的可視化人體計(jì)劃Colorado大學(xué)醫(yī)學(xué)院于1994年11月完成并向世界公布了世界上第一套人體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集。所選用標(biāo)本為中年男性，共有1878個(gè)橫斷面圖像，相鄰斷面之間間隔1.0mm。每幅斷面圖像數(shù)字化掃描分辨率約為250萬(wàn)(2048x1216)像素，總的數(shù)據(jù)量為13GB。該套數(shù)據(jù)制作前，將人體標(biāo)本截為四段，造成胸部、股部和小腿部有三段數(shù)據(jù)缺損，且有些器官經(jīng)過(guò)切除，因而數(shù)據(jù)并不完整。1995年11月，該研究小組又完成了1例女性標(biāo)本的斷面制作和圖像數(shù)據(jù)采集，所選用標(biāo)本為59歲的老年女性。該套數(shù)據(jù)集斷面總數(shù)為5189幅，斷面間距為0.33mm，總數(shù)據(jù)量達(dá)到43GB。該套數(shù)據(jù)制作前，同樣將人體標(biāo)本截為四段，造成胸部、股部和小腿部有三段數(shù)據(jù)缺損，因而數(shù)據(jù)也不完整。美國(guó)的可視化人體計(jì)劃美國(guó)可視人計(jì)劃的實(shí)施在全世界引起了巨大反響。不少研究機(jī)構(gòu)或大學(xué)利用VHP的連續(xù)斷面數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)新的計(jì)算機(jī)人體模擬系統(tǒng)和實(shí)用產(chǎn)品。如華盛頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的數(shù)字解剖學(xué)家系統(tǒng)、哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)的全腦圖譜及外科手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)、斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、漢堡大學(xué)開(kāi)發(fā)的Voxel-Man系統(tǒng)、美國(guó)倫斯利爾理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的核醫(yī)學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)等等。目前，韓國(guó)、日本、德國(guó)、澳大利業(yè)紛紛啟動(dòng)了可視人體計(jì)劃。韓國(guó)Ajou大學(xué)醫(yī)學(xué)院和韓國(guó)科技信息研究所，實(shí)施了韓國(guó)可視人五年計(jì)劃。在2001年3月，獲得了第1例韓國(guó)65歲的老年腦瘤患者的數(shù)據(jù)，連續(xù)橫斷面厚度為0.2mm，斷面數(shù)字?jǐn)z影為610萬(wàn)(3040×2008)像素。我國(guó)可視化人體的前期研究國(guó)內(nèi)多家單位(如香港中文大學(xué)、清華大學(xué)、中科院自動(dòng)化所、計(jì)算所、軟件所、首都醫(yī)科大學(xué)等)已經(jīng)利用美國(guó)的可視化人體數(shù)據(jù)集進(jìn)行了前期的算法研究和軟件研制。香港中文大學(xué)已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出一個(gè)仿真支氣管內(nèi)窺鏡檢查的互動(dòng)虛擬環(huán)境，用戶可以控制一個(gè)三維的虛擬內(nèi)窺鏡以對(duì)病人的支氣管樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行瀏覽和檢查，還具有—套可以從原始的肺部CT數(shù)據(jù)中，直接剝離出支氣管并且確定在其中飛行瀏覽時(shí)中心路線的自動(dòng)算法。他們利用SGI工作站的三維貼圖功能開(kāi)發(fā)出一個(gè)高性能的虛擬環(huán)境，這個(gè)環(huán)境可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)虛擬工作臺(tái)上對(duì)心臟核磁共振數(shù)據(jù)可視化，還開(kāi)發(fā)出一套可對(duì)人體肺部CT數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視和導(dǎo)航的體繪制技術(shù)。我國(guó)的可視化人體計(jì)劃由于可視人體研究是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)人體自身，同時(shí)在醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景的重大課題，經(jīng)醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)＜姨嶙h，國(guó)家科技部和中國(guó)科學(xué)院有關(guān)部門(mén)批準(zhǔn)，于2001年11月在北京召開(kāi)了“中國(guó)數(shù)字化虛擬人體的科技問(wèn)題”的科學(xué)會(huì)議。會(huì)議認(rèn)為，中國(guó)必須要有自己的可視化人體，需要人體解剖學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)和醫(yī)學(xué)專(zhuān)家協(xié)作研究，在獲得完整的人體薄層連續(xù)斷面圖像數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合研究，建成可視化人體和各種面向應(yīng)用的虛擬人體模型，為與人體結(jié)構(gòu)有關(guān)的領(lǐng)域如現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)、體育、航空航天、汽車(chē)撞擊、核武器防護(hù)、戰(zhàn)爭(zhēng)創(chuàng)傷研究、仿生學(xué)、人體器官代用品的研制等提供基礎(chǔ)。我國(guó)的可視化人體數(shù)據(jù)采集第三軍醫(yī)大學(xué)于2002年8月完成了中國(guó)首例數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的采集，使我國(guó)成為第三個(gè)擁有本國(guó)可視化人體數(shù)據(jù)集的國(guó)家。所選用標(biāo)本為男性，35歲，身高1700mm，體重65kg，非器質(zhì)性疾病死亡。連續(xù)橫斷面間隔：頭部和頸部為0.5mm，其中顱底部為0.1mm，其他部位為1.0mm．全身共計(jì)2518個(gè)斷面。數(shù)字?jǐn)z影圖象分辨率為6291456(3072×2048)像素，整個(gè)數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量為90.468GB。在獲得數(shù)據(jù)集后，利用與清華大學(xué)聯(lián)合研制的三維重建軟件進(jìn)行了器官結(jié)構(gòu)的圖像分割和立體重建，并與香港中文大學(xué)簽署了聯(lián)合研究協(xié)議，通過(guò)合作研究，實(shí)現(xiàn)了人體結(jié)構(gòu)可視化。2003年2月，完成了第1例中國(guó)女性數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的采集和可視化研究。所選用標(biāo)本為女性，22歲，身高1620mm，體重54kg，非器質(zhì)性疾病死亡。連續(xù)橫斷面間隔：頭部為0.25mm，具他部位為0.5mm，全身共計(jì)3640個(gè)斷面。數(shù)字?jǐn)z影圖象分辨率為6291456(3072×2048)像素，整個(gè)數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量為131.04GB。這是中國(guó)首套、國(guó)際上繼美國(guó)之后的第二套未見(jiàn)器質(zhì)性病變的女性數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集。2003年4月完成了第三例數(shù)字化可視人體的數(shù)據(jù)采集，所選用標(biāo)本為男性，21歲，身高1820mm，體重66Kg，非器質(zhì)性疾病死亡。在廣州，第一軍醫(yī)大學(xué)也獲得了“虛擬中國(guó)人2號(hào)”的數(shù)據(jù)集。頭部MR掃描圖像(層厚1.5mm)頭部斷面圖像(層厚0.1mm)首例中國(guó)數(shù)字化可視人體圖像(男性)頭部CT掃描圖像(層厚1.0mm)頭部MR掃描圖像(層厚1.5mm)首例中國(guó)數(shù)字化可視人體圖像(女性)頭部斷面圖像(層厚0.25mm)胸部斷面圖像(層厚0.5mm)首例中國(guó)數(shù)字化可視人體圖像(女性)首例中國(guó)女性足底斷面圖像(層厚0.5mm)首例中國(guó)可視化人體(男性)首例中國(guó)可視化人體(女性)首套中國(guó)數(shù)字化可視人體(男、女)數(shù)據(jù)集虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用可視人體數(shù)據(jù)重建的心臟利用可視人體數(shù)據(jù)重建的冠狀動(dòng)脈及其分支首例中國(guó)數(shù)字化可視人體脊柱區(qū)頸段的三維重建蘭色：頸椎，綠色：椎間盤(pán)；紅色：椎動(dòng)脈；灰色：脊髓；黃色：頸神經(jīng)數(shù)字化肝臟及肝內(nèi)管道三維重建（從前面觀察）蘭色：肝靜脈；紅色：肝動(dòng)脈；綠色：膽囊及膽管數(shù)字化肝臟及肝內(nèi)管道三維重建（從后面觀察）蘭色：肝靜脈；紅色：肝動(dòng)脈；綠色：膽囊及膽管腳掌的可視化圖象腳掌的可視化圖象腳掌的可視化圖象氣象預(yù)報(bào)氣象預(yù)報(bào)與人民的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，對(duì)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)會(huì)大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)的損失，精確的氣象預(yù)報(bào)依賴于對(duì)大量數(shù)據(jù)計(jì)算及結(jié)果分析。衛(wèi)星云圖、氣象雷達(dá)及其它一些氣象探測(cè)的數(shù)據(jù)量是非常大的，通常需要在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和分析。氣象學(xué)家已開(kāi)始使用可視化技術(shù)來(lái)分析和顯示龐大的氣象數(shù)據(jù)，一些主要參數(shù)，如風(fēng)力、溫度、運(yùn)動(dòng)軌跡、渦流強(qiáng)度、散度和云層的密度等都以不同的顏色進(jìn)行顯示。氣象學(xué)家可以將某一時(shí)刻的等壓面、等溫面、云層位置及運(yùn)動(dòng)、暴雨區(qū)的位置及強(qiáng)度、風(fēng)力大小及方向等在屏幕上顯示出來(lái)，根據(jù)氣象模型，把已獲得的某時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)為輸入，對(duì)天氣的發(fā)展變化進(jìn)行模擬，能對(duì)未來(lái)天氣進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。根據(jù)全球的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，將不同時(shí)期全球的氣溫、氣壓、雨量分布及風(fēng)力風(fēng)向等以圖像形式表示出來(lái)，從而可對(duì)全球的氣象情況及其變化趨勢(shì)進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)。三維氣象數(shù)據(jù)可視化美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了氣象數(shù)據(jù)的三維可視化軟件系統(tǒng)Display3D(D3D)。利用該系統(tǒng)可以將氣球、地面站、雷達(dá)、飛機(jī)和衛(wèi)星等觀測(cè)設(shè)備獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，并在此基礎(chǔ)上及時(shí)跟蹤和評(píng)估當(dāng)?shù)氐闹匾獨(dú)庀笄闆r，從而及時(shí)準(zhǔn)確地作出天氣預(yù)報(bào)。通常情況下，氣象工作者將二維的層狀數(shù)據(jù)人為疊加來(lái)進(jìn)行分析，而運(yùn)用三維可視化，可讓氣象工作者從大量二維圖像計(jì)算中解脫出來(lái)，讓他們的精力集中于預(yù)報(bào)所需的實(shí)際數(shù)值。利用WFO-Advanced和D3D，氣象工作者可以在4小時(shí)內(nèi)做出未來(lái)12－18小時(shí)的中尺度(20－200km)或區(qū)域預(yù)報(bào)。該軟件中的動(dòng)畫(huà)模塊可以生成圖像序列、顯示出動(dòng)態(tài)圖像。我國(guó)軍事氣象部門(mén)也開(kāi)發(fā)了“軍用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，能高速處理數(shù)千個(gè)氣象臺(tái)站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)滾動(dòng)制作10天以內(nèi)逐日軍用天氣預(yù)報(bào)、軍事氣象要素預(yù)報(bào)和三維可視化信息。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局預(yù)報(bào)的北克拉羅多的天氣數(shù)據(jù)的三維圖像左上圖：水平風(fēng)矢量在局域坐標(biāo)系中的顯示效果；右上圖：同一數(shù)據(jù)在球坐標(biāo)系中的顯示效果。下圖：全球溫度垂直切片及5.5Km高度的水平風(fēng)矢量地震勘探三維地震已經(jīng)成為油氣勘探的主要方法，從地震波信號(hào)中人們可以識(shí)別地下巖層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而預(yù)測(cè)油氣田的位置。地下的巖石是成層分布的，層與層之間因巖石的物理性質(zhì)不同而存在波阻抗差，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ竭@些巖層分界面時(shí)會(huì)發(fā)生波的反射和透射。在地震勘探中，人們?cè)诘乇碛谜ㄋ幈ǖ确绞郊ぐl(fā)人工地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄏ虻叵聜鞑ビ龅讲ㄗ杩菇缑鏁r(shí)，一部分能量產(chǎn)生反射，一部分能量產(chǎn)生透射，其中反射波向上傳播被安放在地表的傳感器接收，透射波則繼續(xù)向下傳播，當(dāng)遇到另一個(gè)波阻抗界面時(shí)，又產(chǎn)生反射和透射，隨著地震波的向下傳播，人們就能接收到來(lái)自地下各個(gè)巖層的反射信號(hào)。其中在某一個(gè)與地面垂直的二維方向上，就組成地震剖面。地震勘探原理示意圖三維地震數(shù)據(jù)體在地震數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，在地表布置一系列垂直交叉的測(cè)線，在這些測(cè)線上每隔一定距離放置一個(gè)傳感器，每隔一段時(shí)間對(duì)接收到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行一次采樣，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后組成一個(gè)三維地震數(shù)據(jù)體，可表示為A=f(x,y,z)，其中A為振幅，x,y,z為空間坐標(biāo)，這是一個(gè)規(guī)則的三維標(biāo)量場(chǎng)，其本質(zhì)是地下各個(gè)反射界面的振幅場(chǎng)。三維地震數(shù)據(jù)體三維數(shù)據(jù)二維解釋的局限性以前由于沒(méi)有合適的三維顯示技術(shù)及設(shè)備，人們只好利用一系列二維地震剖面以及水平切片來(lái)顯示三維數(shù)據(jù)，依據(jù)這些二維圖像來(lái)推測(cè)、想象地下地層的三維形態(tài)和結(jié)構(gòu)。對(duì)于龐大的三維數(shù)據(jù)體，即使將每一條剖面和水平切片都顯示出來(lái)，一個(gè)地質(zhì)體的完整形態(tài)也是分散在各個(gè)獨(dú)立的二維圖像中，無(wú)法直接看到地質(zhì)體的空間形態(tài)。更何況在實(shí)際工作中不可能對(duì)每條剖面和切片都進(jìn)行觀察，常常只對(duì)部分剖面和水平切片進(jìn)行解釋?zhuān)焕昧艘恍〔糠中畔ⅲ蟛糠中畔](méi)得到利用，這是一種信息的巨大浪費(fèi)。這種三維數(shù)據(jù)二維解釋的結(jié)果是很難了解地質(zhì)體的三維細(xì)節(jié)，不可避免地漏失了大量的小油氣田。多年以前人們就認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，并指出了三維數(shù)據(jù)三維解釋的出路。新疆塔里木盆地某地震剖面,從圖中可以清楚地看出地下巖層的起伏形態(tài)吉林油田的一條地震剖面一個(gè)三維地震數(shù)據(jù)體的水平切片圖，從中可以清楚地看出一個(gè)彎曲的古河道。三維地震數(shù)據(jù)可視化的切片法

二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，國(guó)外就開(kāi)始了三維地震數(shù)據(jù)的可視化研究，早期的可視化方法大多采用切片法，做出各種復(fù)雜的切片來(lái)洞察地質(zhì)體的三維特征，這種切片式可視化方法本質(zhì)上仍是一種三維數(shù)據(jù)二維解釋的方法，沒(méi)有擺脫二維解釋的局限性。多套數(shù)據(jù)體的立體解釋三維地震數(shù)據(jù)可視化的體繪制方法

1999年GeraldD.Kidd將三維地震數(shù)據(jù)體中每一個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)建立一個(gè)體素(最小單位立方體)模型，根據(jù)采樣點(diǎn)的振幅給予不同的顏色和透明度，應(yīng)用直接體繪制算法成功地得到了三維地震數(shù)據(jù)的可視化圖像。直接從地震數(shù)據(jù)中顯示的沉積體系可視化圖像直接從原始地震數(shù)據(jù)中顯示的斷層可視化圖像直接從地震數(shù)據(jù)中顯示出來(lái)的斷裂體系可視化圖象雕刻的斷裂體系大慶油田某地區(qū)三維地震數(shù)據(jù)的可視化圖象，直接顯示斷層的位置及延伸形態(tài)大慶油田某地區(qū)三維地震數(shù)據(jù)的可視化圖象與上圖相比觀察方向有變化，直接顯示斷層的位置及延伸形態(tài)大慶油田某地區(qū)三維地震數(shù)據(jù)的可視化圖象，直接顯示界面的起伏及斷層的形態(tài)多層界面的可視化圖像科學(xué)計(jì)算可視化在無(wú)損探傷中的應(yīng)用如何在不拆開(kāi)、不破壞機(jī)械部件的情況下發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的損傷和缺陷，或者在不打開(kāi)部件外殼的情況下就能顯示部件的結(jié)構(gòu)在工業(yè)上面臨的一大需求。借助工業(yè)CT或超聲等設(shè)備可以獲得部件內(nèi)部的屬性數(shù)據(jù)，利用三維可視化技術(shù)可以繪制出部件的內(nèi)部圖象，不僅可以顯示部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能發(fā)現(xiàn)部件的裂縫、氣泡等損傷和缺陷。工業(yè)探測(cè)上的應(yīng)用分子建模使用交互式圖形生成技術(shù)來(lái)觀察復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了，并已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究分子結(jié)構(gòu)及其相互作用的工具?？茖W(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的發(fā)展使分子模型構(gòu)造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)生變化。目前人們已能使用一些復(fù)雜工具來(lái)分析和設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，如在超級(jí)機(jī)上構(gòu)造復(fù)雜的蛋白質(zhì)DNA模型，在遺傳工程的藥物設(shè)計(jì)中使用三維彩色立體顯示來(lái)改進(jìn)已有藥物的分子結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)新的藥物等。DNA的三維分子模型分子模型結(jié)構(gòu)的多等值面圖像在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下觀察分子的立體模型在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下觀察分子的立體模型計(jì)算流體力學(xué)飛機(jī)、汽車(chē)、船舶等的外形設(shè)計(jì)都必須考慮在氣體、液體高速運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中能否正常工作，并且要使阻力最小。傳統(tǒng)的作法是將所設(shè)計(jì)的飛機(jī)模型放在大型風(fēng)洞里，進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的物理模擬，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，修改設(shè)計(jì)。這種作法既浪費(fèi)資金，又延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。隨著技術(shù)的進(jìn)步，可以在計(jì)算機(jī)上建立飛機(jī)等的幾何模型，并進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的模擬計(jì)算，這就是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD，ComputationalFluidDynamics）。通過(guò)求解流體流動(dòng)的偏微分方程，得到流場(chǎng)中各種參數(shù)在每一時(shí)刻的數(shù)值，但數(shù)據(jù)量是十分龐大的。流場(chǎng)數(shù)據(jù)的可視化為了理解和分析流體流動(dòng)的模擬計(jì)算結(jié)果，需要用可視化技術(shù)將結(jié)果數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。例如，用多種不同方法表示出每一點(diǎn)的流速和流向，表現(xiàn)出渦流、沖擊波、尾流及湍流等。在流場(chǎng)的可視化中，既要提高顯示速度，又要逼真地顯示流場(chǎng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和各種參數(shù)的等值面，如何提高繪制速度實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示往往是首先需要關(guān)注的問(wèn)題。美國(guó)航空航天局阿姆斯研究中心(AMES)的航空航天數(shù)字模擬設(shè)備(NAF)，不僅將可視化技術(shù)用于CFD計(jì)算，同時(shí)也用于從風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的二維圖像重構(gòu)三維流場(chǎng)，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析。特別是他們利用基于三維交互特性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),構(gòu)筑了“虛擬風(fēng)洞”，為分析各種非定常流動(dòng)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提供直觀的研究環(huán)境。美國(guó)航空航天局阿姆斯研究中心的虛擬風(fēng)洞用流線表示的矢量場(chǎng)可視化用流線表示的矢量場(chǎng)可視化用箭頭表示的矢量場(chǎng)可視化宇宙飛船模型在大氣層中飛行時(shí)，模型周?chē)牧髅嬗钪骘w船模型在大氣層中飛行時(shí)，模型周?chē)牧骶€用LIC方法得到的含有矢量場(chǎng)方向信息的紋理圖像左圖：用箭頭表示的矢量場(chǎng)可視化圖形右圖：用LIC方法得到的含有矢量場(chǎng)方向信息的紋理圖像使用紋理映射得到的矢量場(chǎng)可視化圖形有限元分析數(shù)據(jù)的可視化計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)行等多項(xiàng)內(nèi)容。可視化技術(shù)有助于工程技術(shù)人員看到和了解過(guò)程中參數(shù)變化對(duì)整體的動(dòng)態(tài)影響，從而達(dá)到縮短研制周期、節(jié)省工程費(fèi)用的目的。在工程設(shè)計(jì)中常采用計(jì)算力學(xué)的手段，有限元分析(FEA)，將研究對(duì)象剖分為若干子單元，并在此基礎(chǔ)上求出偏微分方程的近似解。主要用于結(jié)構(gòu)分析，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)之一，并在飛機(jī)設(shè)計(jì)、水壩建造、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中得到廣泛應(yīng)用。在有限元分析中，需要應(yīng)用可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)形體的網(wǎng)格剖分及有限元結(jié)果數(shù)據(jù)的圖形顯示，即所謂有限元分析的前后處理。并根據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格剖分的優(yōu)化，使得計(jì)算結(jié)果更加可靠和精確。計(jì)算的速度和準(zhǔn)確度受網(wǎng)格劃分的影響很大。用橢圓表示應(yīng)力和應(yīng)變張量在受力物體表面的裂紋傳播中,用應(yīng)變能密度表示的應(yīng)力和應(yīng)變張量圖信息可視化科學(xué)計(jì)算可視化是指空間數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化，而信息可視化則是指非空間數(shù)據(jù)的可視化。隨著社會(huì)信息化的推進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益廣泛，信息源越來(lái)越龐大，除了需求對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸、檢索及分類(lèi)等外，更迫切需求了解數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系及發(fā)展趨勢(shì)。在數(shù)據(jù)中隱藏著許多重要的信息，人們希望能夠?qū)ζ溥M(jìn)行更高層次的分析，以便更好地利用這些數(shù)據(jù)。目前的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)等功能，但無(wú)法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的關(guān)系和規(guī)則，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。人工智能的一個(gè)研究熱點(diǎn)是機(jī)器學(xué)習(xí)，用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)分析和挖掘數(shù)據(jù)背后的知識(shí)，這兩者的結(jié)合產(chǎn)生了“數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)（KDD：KnowledgeDiscoveryinDatabases）”。實(shí)際上，KDD是一門(mén)交叉性學(xué)科，涉及到機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、統(tǒng)計(jì)學(xué)、智能數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)