《數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》課件-第3章 可視化原理與過程

第3章可視化原理與過程學習目標了解數(shù)據(jù)可視化的原理和過程

學習數(shù)據(jù)可視化模型構(gòu)建的內(nèi)在原理和方法2025/2/192內(nèi)容

3.1可視化場景

3.2可視化模型

3.3可視化管線2025/2/1933.1.1建模方法計算機圖形學是通過數(shù)學方法模擬出來點、線、面等不同的形狀。

數(shù)據(jù)可視化的建模方法則啟動了完全不同的作用，它并不需要重新創(chuàng)建計算機中圖形展示的幾何效果，而是直接利用計算機圖形學所提供的功能即可直接實現(xiàn)該功能，數(shù)據(jù)可視化算法則側(cè)重于計算要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行生動、活潑的展示，究竟該如何選取具體的表現(xiàn)形式。2025/2/1943.1.2場景與演員在早期的數(shù)據(jù)可視化案例中，場景構(gòu)建是通過人工設計和繪制的方法手工建立，而當今的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)就是要通過算法將顏色、光照、視角、坐標系等基本元素綜合起來，形成一種數(shù)據(jù)展示的場景（scene）。

而場景中的可視化內(nèi)容就充當了演員（actor）的作用。2025/2/1953.1.2場景與演員對于三維可視化問題，就必須為場景和演員進行立體化建模，形成具有長、寬、高的立體化場景。2025/2/1963.1.3圖形硬件

2025/2/197圖3-1-2光線追蹤算法的原理圖3.1.3圖形硬件完成可視化場景的渲染以后，就需要通過計算機圖形的方法來實現(xiàn)其具體的顯示。將顯示圖像通過光柵設備進行呈現(xiàn)。具體的顯示圖形需要轉(zhuǎn)換為像素，并結(jié)合顯示器等設備的分辨率形成具有一定精度的呈現(xiàn)結(jié)果。2025/2/1983.1.3圖形硬件隱藏面消除算法，典型的如畫家算法，又稱為畫家排序2025/2/199

Z緩沖（z-Buffering）算法也是一種隱藏面消除算法，采用坐標系中的z值，也就是沿著投影方向的深度值。內(nèi)容

3.1可視化場景

3.2可視化模型

3.3可視化管線2025/2/19103.2.1數(shù)據(jù)源可視化系統(tǒng)將所加載的原始數(shù)據(jù)所儲存的空間，或者說原始數(shù)據(jù)的表示就是數(shù)據(jù)源。如何實現(xiàn)有效和有意義的可視化，還有很多后續(xù)的處理步驟需要完成。2025/2/19113.2.2數(shù)據(jù)濾波數(shù)據(jù)源所提供的數(shù)據(jù)與最終的可視化目標往往具有較大的差別，必須進行若干中間處理過程，這些中間處理過程在數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)中稱為數(shù)據(jù)濾波器，簡稱濾波器。2025/2/19123.2.2數(shù)據(jù)濾波

2025/2/1913圖3-2-1數(shù)據(jù)濾波器的工作原理（左：單一類型的數(shù)據(jù)濾波器（輸入類型=輸出類型）；右：多個類型的數(shù)據(jù)濾波器（需要驗證輸入類型是否能夠與輸出類型相兼容）程序3-2-1利用點狀圖形濾波器（VertexGlyph）處理三維空間點2025/2/1914

3.2.3可視化處理數(shù)據(jù)濾波器會負責按照可視化效果要求，進行數(shù)據(jù)處理，這就要求其必須考慮到最終的展示效果，并結(jié)合其效果所對應的數(shù)據(jù)模型進行輸入數(shù)據(jù)的處理，并生成可用于構(gòu)建該模型的數(shù)據(jù)。

而可視化處理過程則以數(shù)據(jù)濾波器的輸出作為輸入，構(gòu)建起具體的可視化場景，并完成演員的布置和渲染。2025/2/1915程序3-2-2利用正多邊形濾波器（RegularPolygon）實現(xiàn)空間點數(shù)據(jù)的可視化

2025/2/1916程序3-2-2利用正多邊形濾波器（RegularPolygon）實現(xiàn)空間點數(shù)據(jù)的可視化

2025/2/1917圖3-2-5在三維場景下利用立方體濾波器生成的平面圖形（左圖為初始狀態(tài)，右圖為進行三維空間旋轉(zhuǎn)后的效果）通過采用不同濾波器得到不同的結(jié)果內(nèi)容

3.1可視化場景

3.2可視化模型

3.3可視化管線2025/2/19183.3.1概念通過可視化管線，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)源、濾波器和可視化處理等三個組成部分的網(wǎng)狀連接。

數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)源往往并非只有一個，多個數(shù)據(jù)源作為輸入，在同一個可視化場景中呈現(xiàn)效果才是當前大數(shù)據(jù)等應用場合的主要選擇。

必須為不同的數(shù)據(jù)源選配相應的濾波器，再加上可視化處理步驟，就會構(gòu)成一個復雜的可視化網(wǎng)絡連接效果。2025/2/19193.3.1概念

2025/2/1920圖3-3-1可視化管線的工作原理3.3.2管線視圖

Mayavi是以VTK為基礎，用于科學計算的交互式可視化平臺。其可視化的底層實現(xiàn)通過VTK方法來完成，因此在可視化管線的底層工作邏輯方面與VTK保持一致。在數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方面，Mayavi又重新整理和組合里一些模型關(guān)系，使得濾波模型和可視化場景的構(gòu)建更加方便。利用Mayavi，可以直觀地查看可視化管線的視圖，方便進行可視化流程和結(jié)果的查看。在mlab中可以通過show_pipeline()函數(shù)直接在程序中實現(xiàn)管線視圖的調(diào)用，也可以在Mayavi程序運行后，手動在運行界面中啟動管線視圖。2025/2/1921程序3-3-1在程序代碼中啟動管線視圖

2025/2/19223.3.3通過管線選取濾波器管線方法是VTK進行可視化流程的核心要素，通過管線組織各類可視化功能模塊之間的相互調(diào)用關(guān)系。Mayavi可視化平臺在VTK可視化功能的基礎之上進行了單獨的包裝，其中mlab是Mayavi提供的用于方便引用各類可視化功能的公共接口模塊。

利用mlab可以直接引用一個獨立的pipeline對象，可用于直接訪問內(nèi)部的數(shù)據(jù)源、過濾器等內(nèi)部處理模塊。2025/2/1923程序3-3-2利用正多邊形濾波器（RegularPolygon）實現(xiàn)空間點數(shù)據(jù)的可視化

2025/2/1924程序3-3-2利用正多邊形濾波器（RegularPolygon）實現(xiàn)空間點數(shù)據(jù)的可視化

2025/2/1925圖3-3-3Delaunay三角網(wǎng)濾波器所形成的曲面（左：二維Delaunay三角網(wǎng)濾波；右：三維Delaunay三角網(wǎng)濾波）總結(jié)管線模型是實現(xiàn)三維可視化的一種通用作法，它通過管線來組織可視化過程中的