Визуализация: Ақпаратты бейнелеу тәсілдері

Кіріспе

Бейнелеу немесе визуализация (айтылу ерекшеліктеріне назар аударыңыз) – хабарды жеткізу үшін суреттер, диаграммалар немесе анимация құрудың кез келген тәсілі. Адамзат тарихының бастауынан бері көрнекі бейнелер арқылы визуализация абстрактілі де, нақты да идеяларды жеткізудің тиімді жолы болған. Тарихтан белгілі мысалдарға үңгір суреттері, египеттік иероглифтер, грек геометриясы және Леонардо да Винчидің инженерлік және ғылыми мақсаттар үшін техникалық сурет салудың революциялық әдістері жатады. Бүгінде визуализация ғылым, білім беру, инженерия (мысалы, өнімді визуализациялау), интерактивті мультимедиа, медицина және т.б. салаларда қолданылу аясы кеңейіп келеді. Компьютерлік графика саласы – визуализация қолданылымының әдеттегі мысалы. Компьютерлік графиканың (және 3D компьютерлік графиканың) пайда болуы, Ренессанс кезеңіндегі орталық перспективаның ашылуынан бері визуализациядағы ең маңызды жетістік болуы мүмкін. Анимацияның дамуы да визуализацияны жетілдіруге септігін қосты.

Шолу

Ақпаратты бейнелеуді пайдалану жаңа құбылыс емес. Ол мың жылдан бері карталарда, ғылыми суреттерде және деректер графиктерінде қолданылып келеді. Картографиядан мысалдар ретінде Птолемейдің «Географиясы» (б.з. 2 ғасыры), 1137 жылғы Қытай картасы және Минардың 1861 жылғы Наполеонның Ресейге жасаған жорығының картасы келтіріледі. Бұл суреттерді жасау барысында алынған түсініктердің көпшілігі компьютерлік визуализацияға оңай көшеді. Эдвард Тафте осы принциптердің көптегенін түсіндіретін, сыншылар тарапынан жоғары бағаланған үш кітап жазды. Компьютерлік графиканың пайда болған сәтінен бастап ғылыми проблемаларды зерттеу үшін қолданылып келгені белгілі. Дегенмен, бастапқы кезеңдерде графикалық мүмкіндіктердің жетіспеуі оның тиімділігін шектеді. Визуализацияға басымдық беру 1987 жылы «Computer Graphics» журналында жарық көрген «Visualization in Scientific Computing» атты арнайы санынан бастау алды. Одан бері IEEE Computer Society және ACM SIGGRAPH бірлесіп ұйымдастырған бірнеше конференциялар мен семинарлар өткізілді, олар осы саланың жалпы тақырыбына және көлемді визуализация сияқты арнайы салаларына арналған. Көптеген адамдар теледидардағы ауа райы болжамдарында метеорологиялық деректерді көрсету үшін жасалған цифрлық анимациямен таныс, бірақ осы модельдер мен сол бағдарламаларда көрсетілетін спутниктік суреттердің арасын ажырата білетіндердің саны аз. Телевизия сонымен қатар компьютерлік суреттер мен анимациялық реконструкцияларды көрсету арқылы ғылыми визуализацияны ұсынады, мысалы, жол апаттары немесе ұшақ апаттары. Ғылыми визуализацияның ең танымал мысалдары – компьютерде жасалған, Жерден тыс кеңістікте немесе басқа планеталардағы нақты ғарыш кемелерін көрсететін суреттер. Білім беру анимациясы немесе уақыт шкаласы сияқты динамикалық визуализация түрлері уақыт өте келе өзгеріп отыратын жүйелер туралы білімді арттыруға мүмкіндік береді. Интерактивті визуализация мен анимация арасындағы айырмашылықтан басқа, ең тиімді жіктеме ғылыми визуализацияның абстрактілі және модельге негізделген түрлері арасында болуы мүмкін. Абстрактілі визуализациялар 2D немесе 3D кеңістікте толыққанды түсініктерді көрсетеді. Бұл жасалған пішіндер мүлдем кездейсоқ. Модельге негізделген визуализациялар деректерді нақты немесе цифрлық түрде құрылған шындық суреттеріне қосады немесе ғылыми деректерден тікелей нақты объектінің цифрлық моделін жасайды. Ғылыми визуализация көбінесе арнайы бағдарламалық қамтамасыз етумен жасалады, бірақ төменде көрсетілгендей, кейбір ерекшеліктер де бар. Осы арнайы бағдарламалардың кейбіреулері ашық кодты бағдарлама ретінде шығарылды, олардың көбі университеттерде, бағдарламалық құралдарды бөлісу және бастапқы кодқа қол жеткізуді қалайтын академиялық ортада пайда болды. Сондай-ақ, ғылыми визуализациялау құралдарының көптеген коммерциялық бағдарламалық пакеттері де бар. Визуализацияларды құруға арналған модельдер мен құрылымдар AVS, IRIS Explorer және VTK құралдар жиынтығы сияқты жүйелерде танымал болған дерек ағыны модельдерін және «Визуализация үшін электрондық кесте» және «Суреттер үшін электрондық кесте» сияқты электрондық кесте жүйелеріндегі деректер күйі модельдерін қамтиды.

The use of visualization to present information is not a new phenomenon. It has been used in maps, scientific drawings, and data plots for over a thousand years. Examples from cartography include Ptolemy's Geographia (2nd century AD), a map of China (1137 AD), and Minard's map (1861) of Napoleon's invasion of Russia a century and a half ago. Most of the concepts learned in devising these images carry over in a straightforward manner to computer visualization. Edward Tufte has written three critically acclaimed books that explain many of these principles. Computer graphics has from its beginning been used to study scientific problems. However, in its early days the lack of graphics power often limited its usefulness. The recent emphasis on visualization started in 1987 with the publication of Visualization in Scientific Computing, a special issue of Computer Graphics. Since then, there have been several conferences and workshops, co sponsored by the IEEE Computer Society and ACM SIGGRAPH, devoted to the general topic, and special areas in the field, for example volume visualization. Most people are familiar with the digital animations produced to present meteorological data during weather reports on television, though few can distinguish between those models of reality and the satellite photos that are also shown on such programs. TV also offers scientific visualizations when it shows computer drawn and animated reconstructions of road or airplane accidents. Some of the most popular examples of scientific visualizations are computer generated images that show real spacecraft in action, out in the void far beyond Earth, or on other planets. Dynamic forms of visualization, such as educational animation or timelines, have the potential to enhance learning about systems that change over time. Apart from the distinction between interactive visualizations and animation, the most useful categorization is probably between abstract and model based scientific visualizations. The abstract visualizations show completely conceptual constructs in 2D or 3D. These generated shapes are completely arbitrary. The model based visualizations either place overlays of data on real or digitally constructed images of reality or make a digital construction of a real object directly from the scientific data. Scientific visualization is usually done with specialized software, though there are a few exceptions, noted below. Some of these specialized programs have been released as open source software, having very often its origins in universities, within an academic environment where sharing software tools and giving access to the source code is common. There are also many proprietary software packages of scientific visualization tools. Models and frameworks for building visualizations include the data flow models popularized by systems such as AVS, IRIS Explorer, and VTK toolkit, and data state models in spreadsheet systems such as the Spreadsheet for Visualization and Spreadsheet for Images.

Ғылыми визуализация

Компьютерлік ғылымның бір саласы ретінде ғылыми визуализация – абстрактілі деректерді интерактивті, сезімдік түрде, көбінесе визуалды бейнелеу арқылы танымды күшейту, гипотеза құру және ой-пікір қалыптастыру үшін пайдалану. Ғылыми визуализация – деректерді зерттеу, талдау және түсінуге мүмкіндік беретін, симуляциялар немесе эксперименттерден алынған, жасырын немесе айқын геометриялық құрылымы бар деректерді түрлендіру, іріктеу немесе бейнелеу процесі. Ғылыми визуализация, негізінен графикалық және анимациялық техникаларды қолдана отырып, жоғары деңгейдегі деректерді бейнелеуге баса назар аударады. Бұл визуализацияның маңызды бөлігі және, мүмкін, бастапқысы, себебі эксперименттер мен құбылыстарды визуализациялау ғылымның өзімен бірге пайда болған. Ғылыми визуализацияның дәстүрлі салаларына ағын визуализациясы, медициналық визуализация, астрофизикалық визуализация және химиялық визуализация жатады. Ғылыми деректерді визуализациялаудың әртүрлі әдістері бар, олардың ішінде изожақ реконструкциясы және тікелей көлемдік көрсету ең көп қолданылатындары.

Деректер мен ақпаратты визуализациялау

Деректерді визуализациялау – схемалық түрде абстрактталған статистикалық графика және географиялық деректермен (мысалы, тақырыптық картографиядағыдай) айналысатын визуализацияның туыс кіші саласы. Ақпаратты визуализациялау абстрактілі деректердің үлкен көлемін зерттеу үшін компьютерлік құралдарды қолдануға негізделген. "Ақпаратты визуализациялау" термині алғаш рет Xerox PARC-тегі Пайдаланушы интерфейсін зерттеу тобы және Джок Маккинлей тарапынан қолданылған. Компьютерлік бағдарламаларда ақпаратты визуализациялаудың практикалық қолданылуы абстрактілі деректерді зерттеу және түсіну үшін адамның өзара әрекеттесуін жеңілдететін нысанда таңдау, түрлендіру және бейнелеуді қамтиды. Ақпаратты визуализациялаудың маңызды аспектілері – визуалды бейнелеудің динамикасы және интерактивтілік. Күшті техникалар пайдаланушыға визуализацияны нақты уақытта өзгертуге мүмкіндік береді, осылайша қарастырылып отырған абстрактілі деректердегі үлгілер мен құрылымдық байланыстарды бесiз теңдес қабылдауды қамтамасыз етеді.

Білім беруді бейнелеу

Білім беру визуализациясы – бұл бір нәрсенің бейнесін жасау үшін симуляцияны қолдану, осы арқылы оны оқытуға болады. Бұл әсіресе көру қиын нәрселерді оқыту кезінде пайдалы, мысалы, атом құрылымы, себебі атомдарды қымбат және қолдануға күрделі ғылыми құралдарсыз оңай зерттеу мүмкін емес, олар тым кішкентай.

Өнімді визуализациялау

Өнімді визуализациялау – өндірілген компоненттердің және өнімдердің ірі құрамаларының 3D модельдерін, техникалық сызбаларын және басқа да қатысты құжаттамаларын қарау және манипуляциялау үшін визуализация бағдарламалық жасақтама технологиясын қолдануды қамтиды. Бұл өнімнің өмірлік циклын басқарудың маңызды бөлігі болып табылады. Өнімді визуализациялау бағдарламалық жасақтамасы көбінесе өнімнің нақты өндірілгенге дейін көрінуін қамтамасыз ететін жоғары дәрежедегі фотореализмді ұсынады. Бұл дизайн мен стильден сату мен маркетингке дейінгі әртүрлі функцияларды қолдайды. Техникалық визуализация – өнімді әзірлеудің маңызды аспектісі. Бастапқыда техникалық сызбалар қолмен салынатын, бірақ компьютерлік графиканың дамуымен сызу тақтасы компьютерлік дизайнмен (CAD) алмастырылды. CAD сызбалары мен модельдері қолмен салынған сызбаларға қарағанда 3D модельдеу, жылдам прототиптеу және симуляциялау мүмкіндіктері сияқты бірнеше артықшылықтарға ие. 3D өнімді визуализациялау онлайн сатып алушылар үшін жаңа, интерактивті мүмкіндіктер ұсынады, бірақ бөлшек саудагерлерге 3D контент өндірісіндегі қиындықтарды жеңуді талап етеді, себебі 3D контенттің көп көлемде өндірілуі өте қымбат және уақытты көп алады.

Көрнекі байланыс

Көрнекі коммуникация – ақпаратты көрнекі түрде ұсыну арқылы идеяларды жеткізу. Көбінесе екі өлшемді кескіндермен байланысты, оған әріп-сандар, өнер, белгілер және электрондық ресурстар кіреді. Осы сала бойынша жүргізілген соңғы зерттеулер веб-дизайн және графикалық қолдануға қатысты мәселелерге бағытталған.

Визуалды талдау

Визуалды талдау деректерді талдаудың кең процесінің бір бөлігі ретінде визуализация жүйелерімен адамның өзара әрекеттесуіне баса назар береді. Визуалды талдау – "интерактивті визуалды интерфейс арқылы қолдау көрсетілетін аналитикалық ойлау ғылымы" деп анықталған. Оның негізгі фокусы – үлкен, динамикалық түрде өзгеріп отыратын ақпарат кеңістіктеріндегі адамның ақпараттық қарым-қатынасы (өзара әрекеттесуі). Визуалды талдау зерттеулері күрделі ақпарат кеңістіктерінде күтілетін және күтпеген нәрсені анықтауға мүмкіндік беретін сезімдік және танымдық операцияларды қолдауға шоғырланған. Визуалды талдаудан туындаған технологиялар дерлік барлық салаларда қолданыс табады, бірақ биология және ұлттық қауіпсіздік салаларындағы маңызды қажеттіліктер (және қаржыландыру) оны дамытуға ықпал етеді.

Адамның әрекетіне жылдам жауап беру

Тәжірибелер көрсеткендей, кіріс берілген кезде және визуалды бейнелеу жаңартылған кездегі аралықта 20 мс-ден астам кешігу байқалады. Сондықтан интерактивті визуализацияның осы уақыт аралығында адамның кірісіне негізделген рендерингті ұсынуы тиіс. Дегенмен, визуализацияны жасау үшін үлкен көлемде деректерді өңдеу қажет болғанда, бұл қазіргі технологиямен қиын, тіпті мүмкін емес болуы мүмкін. Осылайша, "интерактивті визуализация" термині көбінесе пайдаланушыларға бірнеше секунд ішінде кері байланыс беретін жүйелерге қолданылады. Интерактивті кадр жылдамдығы термині жиі визуализацияның қаншалықты интерактивті екенін өлшеу үшін қолданылады. Фрейм-рейтинг – бейнелеу жүйесі арқылы суретті (кадрды) шығару жиілігін өлшейтін көрсеткіш. Секундына 50 кадр (фрейм/с) жақсы, ал 0,1 кадр/с нашар деп есептеледі. Бірақ, интерактивтілікті сипаттау үшін фрейм-рейтингті пайдалану сәл жаңылыстырады, себебі фрейм – бұл өткізу қабілетін өлшейтін көрсеткіш, ал адамдар кешігуге сезімтал. Нақтырақ айтқанда, 50 фрейм/с жақсы фрейм-рейтке қол жеткізуге болады, бірақ егер пайда болған суреттер 1 секундтан бұрын жасалған визуализацияның өзгерістеріне қатысты болса, онда ол адамға интерактивті болып сезілмейді. Интерактивті визуализацияға қажетті жылдам жауап беру уақыты – қиын міндет, сондықтан адамдарға олардың кірісіне негізделген жылдам визуалды кері байланыс беру үшін бірнеше тәсілдер зерттелді. Олардың кейбіреулері:

Параллельді рендеринг – суретті көрсету үшін бір уақытта бірнеше компьютер немесе бейне картасы қолданылады. Әр түрлі компьютерлер бірнеше кадрды бір уақытта түсіре алады және нәтижелерді бір мониторда көрсету үшін желі арқылы жібереді. Бұл әрбір компьютерде көрсетілетін ақпараттың көшірмесін сақтауды талап етеді және өткізу қабілетін арттырады, сонымен қатар кешігуді де ұлғайтады. Сондай-ақ, әрбір компьютер бір кадрдың әртүрлі аймағын түсіре алады және нәтижелерді желі арқылы көрсетуге жібере алады. Бұл да әр компьютердің барлық деректерді сақтауын талап етеді және бір компьютер экранның бір аймағын басқа компьютерлерге қарағанда көбірек ақпаратпен көрсету үшін жауапты болған кезде жүктеме теңгерімсіздігіне әкелуі мүмкін. Соңында, әрбір компьютер ақпараттың кіші жиынтығын қамтитын бүкіл кадрды түсіре алады. Нәтижесінде алынған суреттер және оған байланысты тереңдік буфері желі арқылы жіберіліп, басқа компьютерлерден алынған суреттермен біріктірілуі мүмкін. Нәтижесінде, компьютер жадында барлық ақпарат сақталмаса да, барлық ақпарат қамтылған бір кадр пайда болады. Бұл параллель тереңдік композициялау деп аталады және үлкен көлемде ақпаратты интерактивті түрде көрсету қажет болған кезде қолданылады. Прогрессивті рендеринг – кадр жылдамдығы ұсынылатын ақпараттың бір бөлігін көрсету арқылы және визуализация өзгермегеннен кейін рендерингке қосымша (прогрессивті) жақсартулар жасау арқылы кепілдендіріледі. Деталь деңгейі (LOD) рендеринг – ақпараттың қарапайым бейнелері адам кіріс беру кезінде қажетті кадр жылдамдығына жету үшін ұсынылады, содан кейін толық бейнелеу адам визуализацияны манипуляциялауын аяқтағаннан кейін тұрақты кескінді құру үшін қолданылады. LOD-ті көрсетудің бір кең таралған түрі – суб-үлгілеу. Егер өкілдік ақпарат топологиялық тікбұрышты массивте сақталған болса (цифрлік фотосуреттерде, МРТ сканерлерінде және шекті айырмашылықты симуляцияларда жиі кездесетіндей), әрбір 1 нүкте үшін n нүктелерді өткізіп тастау арқылы төменгі ажыратымдылықтағы нұсқаны оңай жасауға болады. Суб-үлгілеу көлемді визуализациялау сияқты рендерингті жылдамдату үшін де қолданылуы мүмкін, ол екі есе үлкен сурет үшін екі еседен көп есептеуді қажет етеді. Кішірек суретті түсіріп, содан кейін сұралған экранды толтыру үшін суретті масштабтау арқылы бірдей деректерді түсіру үшін әлдеқайда аз уақыт қажет. Фреймсіз рендеринг – визуализация енді суреттердің уақыт сериясы ретінде емес, уақыт өте әртүрлі аймақтары жаңартылатын бір сурет ретінде ұсынылады.

Parallel rendering – where more than one computer or video card is used simultaneously to render an image. Multiple frames can be rendered at the same time by different computers and the results transferred over the network for display on a single monitor. This requires each computer to hold a copy of all the information to be rendered and increases bandwidth, but also increases latency. Also, each computer can render a different region of a single frame and send the results over a network for display. This again requires each computer to hold all of the data and can lead to a load imbalance when one computer is responsible for rendering a region of the screen with more information than other computers. Finally, each computer can render an entire frame containing a subset of the information. The resulting images plus the associated depth buffer can then be sent across the network and merged with the images from other computers. The result is a single frame containing all the information to be rendered, even though no single computer's memory held all of the information. This is called parallel depth compositing and is used when large amounts of information must be rendered interactively. Progressive rendering – where a framerate is guaranteed by rendering some subset of the information to be presented and providing incremental (progressive) improvements to the rendering once the visualization is no longer changing. Level of detail (LOD) rendering – where simplified representations of information are rendered to achieve a desired framerate while a person is providing input and then the full representation is used to generate a still image once the person is through manipulating the visualization. One common variant of LOD rendering is subsampling. When the information being represented is stored in a topologically rectangular array (as is common with digital photos, MRI scans, and finite difference simulations), a lower resolution version can easily be generated by skipping n points for each 1 point rendered. Subsampling can also be used to accelerate rendering techniques such as volume visualization that require more than twice the computations for an image twice the size. By rendering a smaller image and then scaling the image to fill the requested screen space, much less time is required to render the same data. Frameless rendering – where the visualization is no longer presented as a time series of images, but as a single image where different regions are updated over time.