（計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）基于web的氣象可視化系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 摘要 在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的科學(xué)數(shù)據(jù)，如何分析、可視化大規(guī)模 科學(xué)數(shù)據(jù)給可視化研究帶來了挑戰(zhàn)。隨著i n t e r n e t 的飛速發(fā)展，在網(wǎng)上發(fā)布?xì)?象信息，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互式合作，基于w e b 的可視化成為氣象可視化應(yīng)用的 一個(gè)重要方向。本文研究了基于w e b 的四種可視化參考模型，在三層客戶服 務(wù)器計(jì)算模式上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可視化w e b 服務(wù)器架構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了基本功能。 科學(xué)可視化的核心是三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化，氣象數(shù)據(jù)是種典型的多時(shí)序、 多變量的三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)。三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化方法有：傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù) 場(chǎng)可視化方法，通過切片方法運(yùn)用到三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中；利用三維圖形、動(dòng)畫效果 的可視化方法，如等值面、流線、跡線等方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化；以及直接體 繪制方法。本文研究了這些算法在可視化系統(tǒng)w e b m v s 中的具體實(shí)現(xiàn)。 在基于w e b 的氣象可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)解決的是遠(yuǎn)程對(duì)象的訪問， 本文中采用的是c o r b a 與j a v a 相結(jié)合的j a v a r m i ( r e m o t e m e t h o d i n v o c a t i o n ) 。 r m i 為服務(wù)器和客戶機(jī)進(jìn)行通信和消息傳遞提供了一種機(jī)制，以可執(zhí)行代碼重 用形式，通過定制的系統(tǒng)行為和接口規(guī)范，有別于傳統(tǒng)的客戶機(jī)服務(wù)器模式。 關(guān)鍵字：氣象可視化，數(shù)據(jù)場(chǎng)，w e b ，c o r b a ，j a v ar m i 。、 v v 第頁 里墮型主墊查：蘭塑窒竺墮堂生笙苧 a b s t r a c t i nt h en u m e r i c a lw e a t h e r p r i d i c t i o n ，l a r g e s c a l e s c i e n t i f i cd a t aw i l lb e g e n e r a t e d w i t hr a p i dd e v e l o p m e n t s o ft h e i n t e r n e t ，s p r e a d i n gm e t e o r o l o g i c i n f o r m a t i o no nt h ei n t e r n e ta n di n t e r a c t i v ec o l l a b o r a t i o nw i t ht h e i n t e r n e th a s b e c o m ep o p u l a r s o ，w e b b a s e dv i s u a l i z a t i o nt u r n so u tt ob ea ni m p o r t a n tf i e l do f m e t e o r o l o g i c v i s u a l i z a t i o n t h i s p a p e r ，a d d r e s s e s t h ef o u rr e f e r e n c em o d e lo f m e t e o r o l o g i cv i s u a l i z a t i o ns y s t e m ( m v s ) a n dh a si m p l e m e n t e dt h eb a s i cm o d u l e s o f m v s t h ek e r n e lo fs c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o ni st h ev i s u a l i z a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n d a t af i e l d t h ed a t af i e l do f m e t e r o l o g i ca p p l i c a t i o n i st h e m u l t i - t i m e s t e p ， m u l t i v a r i a b l e3 d s p a c e d a t a s e t t h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d so f3 dd a t a f i e l d i n c l u d e s ：t h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d so f2 dd a t a s e t s ，t h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d sw i t h t h e3 d g r a p h i c se l e m e n t s ，t h e d i r e c tv o l u m e r e n d e r i n g o fd a t a s e t s t h e s e a l g o r i t h m s a r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r a n dr e a l i z e di nt h e m e t e r o l o g i c v i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fw e b m v s i nt h er e a l i z a t i o no fw e b - b a s e dm v s ，i ti so fg r e a t i m p o r t a n c e t os o l v et h e p r o b l e mo fa c c e s st or e m o t eo b j e c t j a v ar e m o t em e t h o di n v o c a t i o nw h i c hi st h e c o m b i n a t i o no fc o r b aa n dj a v ai sa d o p t e di nt h i sp a p e r r m ip r o v i d e sam e c h a n i s m o fc o m m u n i c a t i o na n dm e s s a g ep a s s i n gb e t w e e nc l i e n ta n ds e r v e r t h em e c h a n i s m i sf u l f i l l e dw i t ht h er e u s eo fe x e c u t a b l ec o d e t h ec o d eh a sc u s t o m i z e ds y s t e m b e h a v i o ra n di n t e r f a c ec r i t e r i o n s o ，t h em e c h a n i s mi sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l c l i e n t s e r v e rm o d e l k e y w o r d s ： m e t e o r o l o g i cv i s u a l i z a t i o n ，d a t af i e l d ，w e b ，c o r b a ，j a v ar m i 第1 v 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 第一章引言 我國的可視化研究起步于九十年代初。目蔭，主要有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院、 國防科大等單位進(jìn)行這方面的研究。隨著超大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)在我國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的廣 泛應(yīng)用，迫切需要與之配套的氣象可視化系統(tǒng)。氣象信息是與人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 軍事行動(dòng)密切相關(guān)的因素。在現(xiàn)實(shí)條件下，人們要依據(jù)氣象條件的現(xiàn)狀與趨勢(shì)來規(guī)劃生 產(chǎn)、調(diào)整軍事行動(dòng)等等。 科學(xué)計(jì)算可視化將科學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像，在氣象方面的應(yīng)用十分廣泛和重要。借助 人的形象視覺思維能力，幫助人們?cè)陔s亂無章的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，為科學(xué)發(fā)現(xiàn)、 工程開發(fā)等提供依據(jù)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來越大，而預(yù)報(bào)人員希望快速、準(zhǔn) 確、逼真地可視化大規(guī)模數(shù)據(jù)，同時(shí)還要求交互地探索和分析?，F(xiàn)有的可視化算法和軟 件系統(tǒng)從處理規(guī)模、計(jì)算速度等方面很難達(dá)到有效的處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，因此，針對(duì)數(shù)值 天氣預(yù)報(bào)的科學(xué)計(jì)算可視化研究面臨大規(guī)模數(shù)據(jù)帶來的挑戰(zhàn)。 隨著i n t e m e t 的迅速發(fā)展，w e b 已經(jīng)成為存取信息的主要手段，人們面臨如何更快 地瀏覽、分析w w w 上的海量數(shù)據(jù)，從中獲取有用信息。w w w 具備良好的圖形用戶界 面和強(qiáng)大的多媒體功能，如何利用w e b 來實(shí)現(xiàn)交互式的、高可用、高性能的可視化，是 可視化研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。 1 i 科學(xué)計(jì)算可視化概述 科學(xué)計(jì)算可視化( v i s u a l i z t i o ni ns c i e t i f i cc o m p u t i n g ) 是發(fā)達(dá)國家2 0 世紀(jì)8 0 年代后期提 出并發(fā)展起來的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。隨著高性能計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍也日益 擴(kuò)大。功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)在氣象預(yù)報(bào)、石油地質(zhì)勘探、核試驗(yàn)?zāi)M、空氣動(dòng)力學(xué)、生物 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。在這些科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域旱，計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)量十分龐大，常 規(guī)表現(xiàn)方法同益捉襟見肘，難以奏效。2 0 世紀(jì)8 0 年代末出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展的科學(xué)計(jì) 算可視化，力求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖像，使人與數(shù)據(jù)、人與人之間實(shí)現(xiàn)圖像通信，從 而得到了廣泛的應(yīng)用。 科學(xué)計(jì)算可視化是運(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)算過程中產(chǎn)生的數(shù) 據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或?qū)⒊橄蟮臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視覺信息( 顏色、形狀、紋理等) ，從而 使人能充分地獲得數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的有用信息。目前人們?cè)卺t(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化方面取得許多重 要成就。如在計(jì)算機(jī)斷層掃描( c t ) 、核磁共振( m r ) 數(shù)據(jù)的可視化為遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)會(huì)診、 計(jì)算輔助治療、計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)等方面得到了重要應(yīng)用，并取得了良好的效果。 氣象預(yù)報(bào)關(guān)系到億萬人民的生活，對(duì)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)將會(huì)大大減少人民生命財(cái)產(chǎn) 的損失。氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性依賴于大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析?？茖W(xué)計(jì)算可視 化可將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖象，在屏幕上顯示成某一時(shí)刻的等值面、等溫面、位渦、云 第1 頁 里墮型三| ：墊查叁蘭竺壅塵墮：i 三生笙苧 層的位置及其強(qiáng)度、風(fēng)力大小及方向等，從而使氣象人員能對(duì)未來的天氣作出準(zhǔn)確的分 析和預(yù)測(cè)。另一方面，根掘不同時(shí)期全球的氣溫分和、氣壓分步、雨量分布及風(fēng)力風(fēng)向 等以圖象形式表示出來，從而對(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)。 1 2 可視化系統(tǒng)中的主要技術(shù) 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)可視化計(jì)算的主要特點(diǎn)：一是具有很高的數(shù)值計(jì)算要求，可稱之為數(shù) 值計(jì)算密集的計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域：二是計(jì)算過程產(chǎn)生巨大的數(shù)字信息。數(shù)據(jù)的來源越來越 廣，包括數(shù)值模擬、遙感測(cè)量、儀器測(cè)試等。不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式多種多樣，只 有經(jīng)過數(shù)據(jù)的映射才可以成為可視化系統(tǒng)的輸入。經(jīng)過映射后的數(shù)據(jù)可以劃分成簡單標(biāo) 量數(shù)據(jù)、向量數(shù)據(jù)和張量數(shù)據(jù)。還可以劃分為規(guī)則數(shù)據(jù)和不規(guī)則數(shù)據(jù)。對(duì)生成的這些龐 大數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行仔細(xì)的分析理解，對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理?？梢暬哪康氖且?靠人的視覺能力，促進(jìn)對(duì)所考察數(shù)據(jù)更深一層的理解，培養(yǎng)出對(duì)新的潛在過程的洞察力。 因此可視化系統(tǒng)必須具有良好的人機(jī)交互能力。 1 2 1 可視化映射技術(shù) 可視化映射構(gòu)成可視化技術(shù)的核心，它將由數(shù)值模擬或物理測(cè)量產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)映 射成可繪制出圖象的抽象可視化對(duì)象，包括幾何圖形元素、顏色、透明度等圖形形式。 科學(xué)數(shù)據(jù)類型可以是標(biāo)量場(chǎng)、矢量場(chǎng)或張量場(chǎng)，可以是二維、三維或高維數(shù)據(jù)，可以是 靜態(tài)的或隨時(shí)間變化的，可以是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)場(chǎng)或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)場(chǎng)，可以定義在規(guī)則網(wǎng)格 上或不規(guī)則網(wǎng)格上等等。針對(duì)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以采用不同的可視化映射方法，即使對(duì) 于同一數(shù)據(jù)類型，也可以采用不同的可視化映射技術(shù)，映射的結(jié)果可以是各種不同的圖 形表示形式。可視化映射的目的在于以最有效的圖形表示形式來揭示科學(xué)數(shù)據(jù)中所隱含 的物理現(xiàn)象。可視化映射的結(jié)果通過圖形繪制技術(shù)來合成圖象。 1 2 2 數(shù)據(jù)管理與操縱技術(shù) 數(shù)據(jù)操縱是對(duì)可視化系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行各種變換和操作。對(duì)于科學(xué)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(xì)或增強(qiáng)，并將其轉(zhuǎn)換為合適可視化映射 的表示形式。過濾操作主要包括插值、格式轉(zhuǎn)換等?？茖W(xué)數(shù)據(jù)是一種重要資源，對(duì)大規(guī) ?？茖W(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理可以提高對(duì)數(shù)據(jù)的存取、分析與運(yùn)用能力，可以提高可視化 系統(tǒng)的性能。 第2 頁 里墮型蘭墊查叁蘭竺窒塵墮：i 三堡笙苧 1 2 3 人機(jī)界面技術(shù) 數(shù)據(jù)的可視化過程是一個(gè)人機(jī)交互的過程?？梢暬到y(tǒng)中不僅包括與圖形的交互， 還應(yīng)包括與數(shù)據(jù)的交互，這在交互式可視化系統(tǒng)中是必不可少的。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、應(yīng) 用的交互方式、以及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)都是影響可視化系統(tǒng)性能的因素。 1 3 可視化軟件 可視化圖形軟件只是提供對(duì)可視化系統(tǒng)的支持，它本身并不提供可視化能力。 1 3 1 二維圖形系統(tǒng) 當(dāng)可視化系統(tǒng)要建立二維抽象可視化對(duì)象時(shí)，可以采用二維圖形系統(tǒng)進(jìn)行交互和顯 示。這一領(lǐng)域的國際有g(shù) k s ，它定義有f o r t r a n 、p a s c a l 、a d a 和c 語言編程接口。 1 3 2 三維圖形軟件 可視化系統(tǒng)通常建立三維可視化對(duì)象，這種可視化對(duì)象可用二維圖形系統(tǒng)上執(zhí)行三 維與二維間轉(zhuǎn)換的軟件來繪制。 g k s 一3 d 這是i s o 計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)，用于顯示和操縱三維圖形元素。盡管它在許多方面與 p h i g s 類似，但并不相同。它具有與g k s 相同的特性，即只有一級(jí)圖形存儲(chǔ)機(jī)制，允 許圖形不必經(jīng)過圖形存儲(chǔ)就可輸出。 p h i g s 也是i s o 計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)，用于造型、顯示及操縱三維圖形元素。它是p h i g sp l u s 的子集，但不象p h i g sp l u s 那樣能夠定義表面特性、光照效果及包括多個(gè)多邊形或曲 面的圖形元素。 p h i g sp l u s 或p h i g s + 最初由a n s i 定義的p h i g s + ，現(xiàn)已作為p h i g sp l u s 成為p h i g s 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)充版本。 當(dāng)前的實(shí)現(xiàn)大多是按原始p h i g s + 定義完成的。它適合于層次模型以及那些數(shù)據(jù)改變不 頻繁，但需要旋轉(zhuǎn)、平移或改變整個(gè)屬性( 如透明度或濃淡方法) 的情形。在需要快速 改變物體時(shí)( 如立體變形或流體流動(dòng)) ，整個(gè)數(shù)據(jù)集合在每個(gè)瞬間畫面都需存儲(chǔ)與遍歷。 當(dāng)前對(duì)于p h i g sp l u s 的改動(dòng)已使數(shù)據(jù)與物體相關(guān)，用戶已能控制數(shù)據(jù)到顏色的映射。 這種改動(dòng)解決了有關(guān)顏色插值問題，對(duì)于某些應(yīng)用減輕了為每個(gè)瞬間畫面存儲(chǔ)整個(gè)數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)的要求。 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)何論文 p h i g s p l u s 允許用單一過程調(diào)用( 建立單一結(jié)構(gòu)元素) 確定復(fù)雜物體，但是不能 對(duì)結(jié)構(gòu)元素的一部分進(jìn)行編輯。p h i g sp l u s 象p h i g s 一樣，不是為某窗口環(huán)境專門設(shè) 計(jì)的。一般它依賴于用戶對(duì)窗口創(chuàng)建、操縱及刪除控制的實(shí)現(xiàn)，以及與窗口交互的能力 ( 如鍵盤或鼠標(biāo)輸入) 。目前，在實(shí)現(xiàn)中已普遍使用x 1 1 調(diào)用進(jìn)行丌窗。 o p e ng l o p e ng l 是基于i r i sg l 圖形庫發(fā)展而來的。i r i sg l 在工業(yè)界被認(rèn)為是最先進(jìn)的 三維圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面，可對(duì)s g i 圖形硬件上的圖形加速器提供方便的訪問，它 包括超越p h i g sp l u s 的能力，如紋理映射。i r i sg l 用于它所適應(yīng)的硬件上時(shí)，無疑 具有性能優(yōu)勢(shì)，但它缺乏互操作性，屬專用軟件。為此，s g i 公司為了確保它在圖形方 面的統(tǒng)治地位，將i r i sg l 發(fā)展為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)o p e n g l 。o p e n g l 在硬件、窗口和 操作系統(tǒng)方面是相互獨(dú)立的，許可證獲得者可把o p e ng l 集成到各種窗口和操作系統(tǒng) 中，其中操作系統(tǒng)包括u n i x 、w i n d o w s 、d o s 等，窗口系統(tǒng)包括m i tx 1 l 、m i c r o s o f t w i n d o w s 等。 x m o t i f 是o s f 推薦使用的圖形界面標(biāo)準(zhǔn)。它建立于基于x l i b 的x ti n t r i n c i s s w i d g e t 之上，幫它能方便和快速地訪問xw i n d o w 系統(tǒng)的低層函數(shù)，并支持用戶定義的或擴(kuò) 充的w i d g e t ，允許用戶混合使用x ，x t ，x m 的進(jìn)程與函數(shù)。m o t i f 為用戶提供了一種構(gòu) 造用戶窗口系統(tǒng)的捷徑，大大簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)工作。 目前許多國家有大量研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行著可視化方面的研究。如美國國家宇航局 ( n a s a ) 和計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程應(yīng)用研究所( i c a s e ) 奧地利的維也納大學(xué)、德國的柏 林大學(xué)等等。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化理論和方法的研究已經(jīng)在國際上蓬勃 丌展起來并走向應(yīng)用。 1 4 基于w e b 的氣象可視化 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)帶來了應(yīng)用需求和底層技術(shù)保障。隨著w 曲應(yīng)用 范圍的擴(kuò)大，人們丌始關(guān)注基于w e b 的氣象可視化系統(tǒng)。人們需要w e b 服務(wù)器端提供 更為復(fù)雜的和更為靈活的應(yīng)用開發(fā)支持。c o r b a 、j a v ar m i 等技術(shù)的運(yùn)用，w e b 中對(duì)象 和組件的應(yīng)用使基于w e b 的氣象可視化系統(tǒng)開發(fā)得以迅速發(fā)展。但這種應(yīng)用通常只適用 于構(gòu)建數(shù)據(jù)計(jì)算不大的可視化系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，其擴(kuò)展性受到了限制，因?yàn)?受到計(jì)算機(jī)本身的計(jì)算能力及網(wǎng)絡(luò)傳輸速度等因素的制約。 通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)基于w e b 的數(shù)據(jù)交互和共享，目前主要有以下三種模式： ( 1 ) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存取模式，即傳統(tǒng)的兩層客戶服務(wù)器模式，其中表示邏輯和業(yè)務(wù)邏 輯在客戶機(jī)上執(zhí)行，而數(shù)據(jù)庫集中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理。這種模式的突出特點(diǎn)是有大量數(shù)據(jù) 和信息在數(shù)據(jù)庫和客戶機(jī)平臺(tái)間進(jìn)行傳送，并限制了系統(tǒng)的可伸縮性，難于管理： ( 2 ) 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模式，即所謂的“兩層半”模式，其中客戶機(jī)負(fù)責(zé)界面表示和部 分業(yè)務(wù)邏輯內(nèi)容，而主要的業(yè)務(wù)邏輯以數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)過程的形式置于數(shù)據(jù)庫引擎中，被數(shù) 第4 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 據(jù)庫服務(wù)器所管理和執(zhí)行。由于這種模式將數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)功能模型合為一體，一般會(huì) 帶來邏輯的混淆、移植性的降低，并占用大量額外的數(shù)據(jù)庫計(jì)算資源，從而造成系統(tǒng)的 性能瓶頸和體系結(jié)構(gòu)鎖定于特定數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等不利情況； ( 3 ) 應(yīng)用服務(wù)器模式，即三層或多層模式，是客戶機(jī)服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)最理想的模 式。通過良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，企業(yè)應(yīng)用的表現(xiàn)邏輯、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理三個(gè)( 或更多) 層次可以相互分離，并運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)中。相比傳統(tǒng)的客戶服務(wù)器計(jì)算結(jié)構(gòu)，三( 多) 層計(jì)算結(jié)構(gòu)既能夠完全替代客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)( 其內(nèi)部各層之間仍然是客戶服務(wù)器結(jié) 構(gòu)) ，又能夠解決一些傳統(tǒng)客戶n 務(wù)器計(jì)算結(jié)構(gòu)所不能完成的任務(wù)。例如：三層模式使 得業(yè)務(wù)邏輯層應(yīng)用服務(wù)可以在不同的機(jī)器上復(fù)制以提高擴(kuò)充性、執(zhí)行性能和可用性，僅 通過增加機(jī)器并啟動(dòng)額外的復(fù)制得到的應(yīng)用服務(wù)，便能處理更多的客戶機(jī)請(qǐng)求。 三( 多) 層客戶服務(wù)器計(jì)算模式被廣泛采用。在應(yīng)用程序服務(wù)器之前，w e b 應(yīng)用程 序通常運(yùn)行在w e b 服務(wù)器中，w e b 服務(wù)器最初只是被設(shè)計(jì)用來提供w e b 頁面相關(guān)服務(wù) 的，因此開發(fā)運(yùn)行w e b 應(yīng)用程序是緩慢而復(fù)雜的。而應(yīng)用程序服務(wù)器的強(qiáng)大功能則能 夠?yàn)榭梢暬瘧?yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和部署提供有力的保證。一方面，通過將可視化系統(tǒng)分布計(jì) 算中的業(yè)務(wù)邏輯與客戶端表現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相分離，增加了系統(tǒng)的可用性等性能，并 使得服務(wù)器端業(yè)務(wù)邏輯層的應(yīng)用開發(fā)脫離了與客戶端捆綁或與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器捆綁的困 境，變得相對(duì)獨(dú)立：另一方面，在三層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用服務(wù)器模式中，表示邏輯層和數(shù)據(jù)處 理層作為應(yīng)用界面和數(shù)據(jù)的管理者，在傳統(tǒng)的二層模式中已有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和成熟的技術(shù) 實(shí)現(xiàn)，而作為三層結(jié)構(gòu)核心的中間層即服務(wù)器端業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用層，由于其擔(dān)負(fù)“承上啟 下”的樞紐作用，在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。應(yīng)用程序服務(wù)器運(yùn)行于 瀏覽器和數(shù)據(jù)資源之間，一個(gè)簡單的實(shí)例是，顧客從瀏覽器中輸入一個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算請(qǐng)求或 圖形的變換操作，w e b 服務(wù)器將該請(qǐng)求發(fā)送給應(yīng)用程序服務(wù)器，由應(yīng)用程序服務(wù)器執(zhí)行 處理邏輯，并且獲取或更新后端用戶數(shù)據(jù)。 1 5 主要工作和論文結(jié)構(gòu) 隨著i n t e r n e t 應(yīng)用的迅速發(fā)展和大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)在我國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的廣泛應(yīng)用， 迫切需要與之配套的氣象可視化系統(tǒng)。但基于w e b 的氣象可視化系統(tǒng)在國內(nèi)外沒有成熟 的系統(tǒng)。本文研究了基于w e b 的可視化系統(tǒng)四個(gè)參考模型，應(yīng)用v i s a d 組件庫，設(shè)計(jì) 并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)w 曲m v s ，研究并實(shí)現(xiàn)了基于遠(yuǎn)程對(duì)象的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視 化。 第一章對(duì)本文中的知識(shí)做一個(gè)概述性的介紹。隨后第二章概述了數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化技術(shù)， 其中主要介紹了可視化技術(shù)組成和矢量場(chǎng)可視化技術(shù)。第三章詳細(xì)介紹了基于w e b 的可 視化系統(tǒng)w e b m v s 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第四章主要討論w e b m v s 中的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化算 法實(shí)現(xiàn)。由于受計(jì)算機(jī)處理速度和網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，必須對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分和 壓縮，第五章主要介紹在w e b m v s 中對(duì)一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的改進(jìn)。 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)人。學(xué)研究生院學(xué)位論文 第二章數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化技術(shù)概述 科學(xué)與工程可視化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是圖形的表示，它包含了獲得洞察以及對(duì)問題求解過程 的理解?？梢暬瘜?shí)質(zhì)上與應(yīng)用有關(guān)，許多技術(shù)僅在特定的應(yīng)用范圍才有意義。但仍有很 多技術(shù)是通用的，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用。本章描述的是這些通用的可視化技術(shù)。 可視化技術(shù)接受的數(shù)據(jù)般來自物理對(duì)象的采樣。我們需要通過可視化來理解的j 下 是這些物理現(xiàn)象，而不是數(shù)據(jù)本身?？梢暬夹g(shù)包括三個(gè)組成部分： ( 1 ) 從數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，作為物理?duì)象的表示： ( 2 ) 選擇繪制模型的圖形的表示方法： ( 3 ) 在圖形顯示設(shè)備上繪制出圖象。 這些步驟定義了可視化技術(shù)的基本組成與結(jié)構(gòu)，將在本章詳細(xì)介紹。由于可視化技 術(shù)很多，很難把它們?nèi)堪ㄟM(jìn)來。因此，本章將集中描述一種可視化技術(shù)分類的方法。 引用的可視化分類方法是基于所描述的物理實(shí)體的類型和維數(shù)，同時(shí)綜合圖形表示的維 數(shù)。這一類方法實(shí)際上是按從科學(xué)數(shù)據(jù)到圖形表示的可視化映射來進(jìn)行劃分的，因此不 同的可視化技術(shù)對(duì)應(yīng)不同的映射方法。 2 1 1 采樣理論與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?2 1 可視化技術(shù)組成 這一過程是從所提供的數(shù)據(jù)集中構(gòu)造實(shí)體的內(nèi)部物理實(shí)體的內(nèi)部模型。例如，為了 從一組離散點(diǎn)上的高度值數(shù)據(jù)生成等值線，需要構(gòu)造一個(gè)連續(xù)函數(shù)來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。 某些相關(guān)數(shù)據(jù)或具有某些特定屬性的信息可以提供幫助。這一重構(gòu)步驟幫助我們區(qū)分模 型中的相關(guān)變量與獨(dú)立變量，在等值線的例子中，空間變量是獨(dú)立的，高度變量則與兩 個(gè)空間變量有關(guān)。 值得注意的是，這一步驟包含許多數(shù)學(xué)內(nèi)容。如采樣理論提供從一組樣本重構(gòu)一個(gè) 連續(xù)信號(hào)的條件：原始信號(hào)被采樣的頻率必須大于其頻譜中最高頻率的兩倍( 這一低限 被稱之為n y q u i s t 頻率) ；數(shù)值分析提供各種插值算法，用于從采樣數(shù)據(jù)中構(gòu)造連續(xù)函數(shù)。 工程計(jì)算中使用傅里葉變換的離散形式，這需要對(duì)連續(xù)函數(shù)進(jìn)行采樣。實(shí)際使用的 采樣函數(shù)一般是等間隔的脈沖序列，對(duì)于連續(xù)函數(shù) ( r ) ，取采樣間隔為，得一系列采 樣點(diǎn)： h 。= h ( n a ) n = k ，一2 ，一1 ，o ，1 ，2 ，k( 2 1 ) ( 1 ) 稱為采樣頻率，下面的頻率則被稱為n y q u i s t 關(guān)鍵頻率： 正= 五1 ( 2 2 ) 第6 頁 里墮型堂絲查叁= i = 竺 窒竺! 塞蘭! 里笙塞 v q u i 盯關(guān)鍵頻率是采樣理論中的重要概念，與采樣定理緊密相關(guān)。采樣定理可以表述為： 如果一個(gè)函數(shù) ( ，) 頻譜寬度小于正，即日( ，) ；o v l f 陋六，則函數(shù)a ( f ) 完全決定于h 。： 椰) - 萎芝掣 ( 2 ，) 根據(jù)采樣定理，如果連續(xù)函數(shù) ( ，) 頻譜寬度有限，令i a 等于其最大頻率厶的兩倍， 則有： 厶= 去= 正 ( 2 4 ) 這樣可以完全重建連續(xù)函數(shù)。如果h ( o 帶寬無限，則使用采樣頻率l a 采樣將引入走 樣( a l i a s i n g ) 效果，原因是在一：_ f 正以外的頻譜能量被引入該范圍內(nèi)。 選定了丁f 確的采樣頻率，可以對(duì)連續(xù)函數(shù)h q ) 進(jìn)行離散。假定取定n 個(gè)采樣點(diǎn) h ；h ( t ) ，t 女； ，k = o ，1 ，2 ，k ，n l ( 2r 5 ) 則在一正 f 正范圍內(nèi)估計(jì)h ( 廠) 在以下離散點(diǎn)：，的值： 一= 而n ，”n 擴(kuò)，了n ( 2 6 ) 其離散傅罩葉變換為： 。= h ( ) = 專p 2 ?！?( 2 7 ) 由于h 。的周期性，h 一。= h 。一則逆離散傅里葉變換為： h i = h 。e 。“ ( 2 8 ) 另外一個(gè)重要的概念是離散卷積定理：如果s ，和“都是周期為| v 的信號(hào)， 則其離散卷 積有以下關(guān)系： ( 2 9 ) 其中s 。和r 。分別為s ，和0 的離散傅罩葉變換。離散卷積定理用于對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行重采 樣。 如果數(shù)據(jù)存在誤差，使用插值就不太合適。因?yàn)橐粋€(gè)模型如果與每個(gè)數(shù)據(jù)值都匹配 的話，就會(huì)導(dǎo)致誤差被跟蹤。這樣就需要一個(gè)近似過程來代替插值。由于模型不再限于 滿足每個(gè)數(shù)據(jù)值，因此要有一個(gè)迭代過程來尋找一個(gè)最適當(dāng)?shù)囊活惸Ｐ汀?2 1 2 可視化對(duì)象的映射與實(shí)現(xiàn) 這一過程把可視化對(duì)象實(shí)現(xiàn)成一個(gè)圖形序列。在等值線的繪制中，就是生成適當(dāng)?shù)?rs 咯4 s hm 扣 = 0 十 s 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)f 市論文 填充區(qū)域圖形元素及其屬性( 內(nèi)部式樣、顏色等) ，這些屬性用來指明區(qū)域應(yīng)當(dāng)如何繪制。 然后通過傳統(tǒng)的圖形學(xué)與圖象處理技術(shù)來合成可顯示的圖象。 映射可視化對(duì)象可看成式可視化過程的科學(xué)階段。選擇抽象對(duì)象的目的是為了要詳 細(xì)了解所研究的物理對(duì)象。可視化對(duì)象的實(shí)現(xiàn)是可視化過程的工程部分。它在圖形顯示 平面上構(gòu)造科學(xué)家能夠看到的視圖。 可視化的研究包括數(shù)學(xué)、科學(xué)與工程三個(gè)方面。從可視化過程模型來看，可視化技 術(shù)組成對(duì)應(yīng)的是數(shù)據(jù)操縱、可視化映射和繪制三個(gè)階段。其中可視化映射是可視化技術(shù) 中的核心成分，它將數(shù)據(jù)操縱階段構(gòu)造的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀成涑煽衫L制出圖象的抽象可視化對(duì) 象?？梢暬夹g(shù)的重點(diǎn)在于選擇執(zhí)行這一映射的最佳方案，即根據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)所表示的實(shí) 體特征，選擇最適當(dāng)?shù)膱D形表示形式作為映射的結(jié)果。盡管可視化的結(jié)果是為了幫助理 解他f 1 的數(shù)據(jù)，但從數(shù)據(jù)到圖形顯示變換的各個(gè)階段中，可能引入數(shù)據(jù)中沒有的誤差或 人工失誤，因此需要高度注意。 2 2 1 兩類不同的可視化算法 2 2 可視化技術(shù)分類 對(duì)于分布在三維空間的體數(shù)據(jù)來說，存在兩類不同的可視化算法。 第一類算法首先由三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)構(gòu)造出中間幾何圖元( 曲面、平面等) ，然后再由 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)畫面繪制。最常見的中間幾何圖元就是平面片，當(dāng)我們需 要從三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)抽取出等值面時(shí)就屬于這種情況?？梢猿槿∫粋€(gè)等值面，也可以抽 取多個(gè)等值面。這時(shí)的映射只是將原始數(shù)據(jù)中的部分屬性映射成平面或曲面。因而這種 方法構(gòu)造出的可視化圖形不能反映整個(gè)原始數(shù)據(jù)場(chǎng)的全貌及細(xì)節(jié)。但是可以產(chǎn)生比較清 晰的等值面圖像，而且可以利用現(xiàn)有的圖形硬件實(shí)現(xiàn)繪制功能，使圖像生成及變換的速 度加快。 第二類算法與第一類算法完全不同，它并不構(gòu)造中間幾何圖元，而是直接由二維數(shù) 據(jù)場(chǎng)產(chǎn)生屏幕上的= 維圖像，稱為體繪制( v o l u n m er e n d e r i n g ) ，或稱為直接體繪制 ( d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ) 算法。這是近年來得以迅速發(fā)展得一種三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化方 法。這種算法能產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)場(chǎng)得整體圖像，包括每一個(gè)細(xì)節(jié)，并具有圖像質(zhì)量高、便 于并行處理等優(yōu)點(diǎn)。主要問題是：計(jì)算量大，難以利用傳統(tǒng)得圖形硬件繪制，因而計(jì)算 時(shí)間較長。 2 2 2 分類方法 假定已從所提供的數(shù)據(jù)中建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并給出了需要可視化的某個(gè)實(shí)體。 這一實(shí)體具有一定范圍的值，典型的是定義在獨(dú)立的某個(gè)域上。在數(shù)學(xué)上，可把一個(gè)實(shí) 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 體表示成多個(gè)變量的函數(shù)，即f ( x ) ，這罩x = ( x i , 。2 ，x 。) 是定義在n 維空間的變 量。 函數(shù)f 可以是各種不同的類型：如標(biāo)量，矢量( f = ( f l ，f 2 ，f k ) ) ，二維張量( f = ( ) ) 或高維張量等?？梢暬夹g(shù)的分類主要基于函數(shù)的類型以及定義域的維數(shù)n 。如果是對(duì) 定義域的一組點(diǎn)進(jìn)行可視化，這時(shí)沒有相關(guān)的函數(shù)，只有一個(gè)點(diǎn)集。 為了描述方便，下面引入一些符號(hào)： 一個(gè)具有n 維定義域的標(biāo)量體s 可表示成e ( s ，n ) ；同樣e ( v ，n ) 和e ( t ， n ) 分別表示定義在n 維域上的矢量體和張量體。 矢量和張量的長度可用v 和t 的下標(biāo)來表示，如v 3 和t 3 等。這樣e ( v 5 ，n ) 表示定義在n 維域上矢量長度為5 的矢量體。 一個(gè)點(diǎn)集可以表示為e ( p ，n ) 。 可視化技術(shù)分類是以劃分點(diǎn)集、標(biāo)量、矢量和張量等實(shí)體類型為主，同時(shí)以實(shí)體定 義域的維數(shù)作為子分類方法。這樣，對(duì)于某個(gè)定義域上的實(shí)體，可以根據(jù)需要來選擇一 種或多種適當(dāng)?shù)膱D形表示形式作為可視化映射的結(jié)果。圖形表示形式可以按其維數(shù)分為 0 維、1 維、2 維和3 維，對(duì)應(yīng)的是點(diǎn)、線、面和體。 對(duì)于一個(gè)實(shí)體，常常具有多組取值，這對(duì)于標(biāo)量場(chǎng)是十分普遍的情形。如要將一個(gè) 實(shí)體中的壓力和溫度進(jìn)行可視化，即對(duì)定義在同一域上的兩個(gè)標(biāo)量場(chǎng)進(jìn)行可視化。這就 要求在同一圖形表示上顯示兩個(gè)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，以便理解兩個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)之間的相互關(guān)系。如果 這是三維域上的兩個(gè)標(biāo)量值，則可表示為e ( 2 s ，3 ) ，一般的表示為e ( m s ，n ) 。 對(duì)于定義域，我們可以進(jìn)一步區(qū)分如下三種情形： 實(shí)體在一個(gè)連續(xù)域上逐點(diǎn)定義。如在地形圖中，每一點(diǎn)上都定義有高度值。 實(shí)體在多個(gè)連續(xù)域上定義。如在人口分布圖中，顯示每個(gè)國家的人口密度。這 里一個(gè)國家就是一個(gè)連續(xù)的二維區(qū)域，對(duì)應(yīng)一個(gè)表示該國人口密度的標(biāo)量值。 可以采用符號(hào)e ( s “2 】) 表示定義在二維域的各個(gè)子域上，而不是各點(diǎn)上的標(biāo) 量體。 實(shí)體定義在一個(gè)枚舉集合上。如在商業(yè)圖形中，顯示某年各廠商所銷售汽車數(shù) 目。這里一個(gè)廠商就是一個(gè)枚舉值?？梢圆捎梅?hào)e ( s ， 1 ，) 表示實(shí)體定義 在一組枚舉值組成的一維域上。 表2 1 列出符合本節(jié)分類方法的各種可視化技術(shù)實(shí)例。 第9 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 表2 1 可視化技術(shù)分類 維數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)場(chǎng)標(biāo)量場(chǎng)二維矢量場(chǎng)三維矢量場(chǎng) l 一維散布點(diǎn)圖曲線圖 1 】直方圖 1 )條形圖 2二維散布點(diǎn)圖 等值線圖二維箭標(biāo)圖三維平面箭標(biāo) 曲面圖二維流線圖 圖 圖像顯示二維質(zhì)點(diǎn)跟蹤 二維流場(chǎng)拓?fù)?2 】 有限區(qū)域圖 三維直方圖 2 三維條形圖 3三維散布點(diǎn)圖等值面三維立體箭標(biāo) 編織圖 圖 體繪制 nn 維散御點(diǎn)圖 n + t點(diǎn)數(shù)據(jù)體動(dòng)畫標(biāo)量體動(dòng)畫二維矢量體動(dòng)畫三維矢量體動(dòng) i 匭 2 3 點(diǎn)數(shù)據(jù)場(chǎng)技術(shù) 點(diǎn)數(shù)據(jù)場(chǎng)技術(shù)可應(yīng)用于多變量數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化，每個(gè)數(shù)據(jù)元素可看成是多維空間中 的一點(diǎn)。點(diǎn)數(shù)據(jù)場(chǎng)技術(shù)可以幫助分析多維數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的數(shù)據(jù)集，如何把數(shù)據(jù)從多變量空 間投影到二維平面卻是一個(gè)難點(diǎn)。 2 3 1 一維散布點(diǎn)圖：e ( p ，1 ) 一維點(diǎn)數(shù)據(jù)是最簡單的情形，其中可以標(biāo)記維單一軸上的點(diǎn)。例如，某段時(shí)間內(nèi)的 大氣溫度。 第10 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 2 3 2 二維散布點(diǎn)圖：e ( p ，2 ) 二維散布點(diǎn)圖就是傳統(tǒng)的二維點(diǎn)圖，每一對(duì)值可表示為平面上的一點(diǎn)。例如，一組 個(gè)體的高度和重量。 2 3 3 三維散布點(diǎn)圖：e ( p , 3 ) 對(duì)于三維情形，可以把點(diǎn)投影到二維平面，并用標(biāo)記各點(diǎn)的圖符屬性來指明第三分 量，如用圖符的顏色、大小或類型。但通常都認(rèn)為運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生最佳表現(xiàn)效果，在三維空間 繪點(diǎn)并用點(diǎn)的“云團(tuán)”圍繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，可以幫助對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。 2 3 4 高維散布點(diǎn)圖：e ( p ，n ) 對(duì)于更大的n 值，已提出一些可視化的思想。比如c h e r n o f f 臉譜，把不同變量聯(lián)系 到人臉圖解表示的不同特征上：如眼的形狀、口的形狀等。這種方法己能成功地表示1 2 各參數(shù)。盡管臉譜是最常用的表示，但在原理上可以采用任何合適的現(xiàn)實(shí)對(duì)象，具體要 求是所選對(duì)象應(yīng)有一組可區(qū)分的特征，以便易于表示可區(qū)分的數(shù)值。 另一有用的技術(shù)是使用a n d r e w s 圖，每個(gè)數(shù)據(jù)元素的n 個(gè)值( f h f 2 ，f3 - ) 定義一 個(gè)函數(shù)： f g ( t ) 2 + f 2s i n ( t ) + f 3 c o s ( t ) + f 4 s i n ( 2 t ) + f s c o s ( 2 t ) + 叫z 繪制從一j 1 到j(luò) 1 范圍的函數(shù)圖形。這樣，a n d r e w s 圖包括一組曲線，每個(gè)數(shù)據(jù)元素對(duì)應(yīng) 一條曲線，一組數(shù)據(jù)元素映射到一簇相似的陰影曲線，從而容易確認(rèn)。 2 4 1 一維域上的標(biāo)量場(chǎng) 2 4 標(biāo)量場(chǎng)技術(shù) 一維域上的標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)從函數(shù)f ( x 1 ) 采樣，圖形的表示形式主要有三種： 線狀圖( l i n eg r a p h ) ，實(shí)體在實(shí)線的一個(gè)區(qū)間逐點(diǎn)定義； 直方圖( h i s t o g r a m ) ，實(shí)體在實(shí)線的各子區(qū)間定義； 條形圖( b a rc h a r t ) ，實(shí)體在一個(gè)枚舉集上定義； 需要注意的是，采樣值存在誤差，這是由于觀察誤差或不適合的采樣頻率 所引起的。 1 線狀圖：e ( s ，1 ) 給定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制一條通過這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的折線或曲線，從而對(duì)基礎(chǔ)函數(shù)f ( x 1 ) 第11 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 進(jìn)行可視化。例如，繪制某時(shí)間段內(nèi)病人體內(nèi)藥物濃度的圖形，這罩獨(dú)立變量為時(shí)間， 相關(guān)變量為藥物濃度。 盡管這是最基本的可視化技術(shù)，但要注意經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)造，即通過插值構(gòu)造基本函 數(shù)f ( x i ) ?？蛇x的插值方法很多，可以是線性的、高階的?；騻鹘y(tǒng)的三次樣條等等?，F(xiàn) 在常用的方法是保持?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)在的形狀屬性，它們包括單調(diào)性、幣向性和保凸性。如在上 - - f r o 子中，已知藥物濃度總是為正，因此插值必須保持這一屬性。另外，數(shù)據(jù)可能帶有 導(dǎo)數(shù)信息，如總是一個(gè)常微分方程的解，這些信息可以用來幫助構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?2 疊加線狀圖：e ( m s ，1 ) 在同一圖上顯示幾條折線或曲線，并用不同的繪制技術(shù)來區(qū)分各條線，是一種有效 的顯示手段。這種方法減少了信息表示的空間外，可以很好地表現(xiàn)出各變量之間地相互 關(guān)系。 3 條形圖：e ( s ， 1 1 ) 給定一組項(xiàng)目值，條形圖通過水平或垂直矩形條的長度來繪制這些值。例如，顯示 從1 9 9 0 到2 0 0 0 年地全球p c 產(chǎn)量，這里一年就是一個(gè)枚舉值，它對(duì)應(yīng)個(gè)表示該年度 全球p c 產(chǎn)量的相關(guān)變量。垂直的條形圖有時(shí)稱為柱形圖( c o l u m nc h a r t ) 。 這種技術(shù)無需進(jìn)行數(shù)學(xué)重構(gòu)，在商業(yè)圖形中應(yīng)用比較廣泛。在繪制中，常常由于需 要加入一些修飾，比如要求產(chǎn)生條形框的陰影效果，因而繪制變得相對(duì)復(fù)雜一些。 另外，扇形圖( p i ec h a r t ) 也是描繪這類實(shí)體得另一技術(shù)，即當(dāng)各數(shù)據(jù)值是總量得 各個(gè)分量時(shí)，可以采用這種顯示技術(shù)。 4 直方圖：e ( s ， 1 ) 對(duì)于給定得一組數(shù)據(jù)值，可以把它們連成階梯形狀，即用階梯得高度表示數(shù)據(jù)值得 大小，用階梯得寬度表示數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)得定義域區(qū)問大小，這些區(qū)間是相鄰得。如顯示某 一天內(nèi)每小時(shí)得平均降雨量。通過疊加直方圖可以顯示多組數(shù)值，即類型為e ( m s ，【l 】) 的實(shí)體。 由于采樣值存在誤差的情形很多。在前面描述的曲線圖中，如果存在誤差，構(gòu)造的 插值曲線就不能反映基礎(chǔ)函數(shù)，而是混合了由采樣誤差引起的波動(dòng)。因此給出的插值函 數(shù)是一個(gè)近似函數(shù)。 如果基礎(chǔ)函數(shù)的形式是已知的，那么可以緊靠數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行繪制，各點(diǎn)的誤差由誤差 條來指示。更常見的情形是：基礎(chǔ)函數(shù)的形式是部分可知的，但包括了某個(gè)可變化的參 數(shù)，這時(shí)需要用一個(gè)最小化過程來建立參數(shù)的最佳選擇，已使數(shù)據(jù)值與近似曲線間誤差 的平方和最小。 如果基礎(chǔ)函數(shù)的形式是未知的，通常采用三次樣條來近似。給定一組結(jié)點(diǎn)，通過不 斷調(diào)整結(jié)點(diǎn)值的方法來提高近似程度，從而計(jì)算出擬合數(shù)據(jù)最佳的樣條。 第l2 頁 2 4 2 二維域上的標(biāo)量場(chǎng) 二維域上的標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)是屬于二維函數(shù)f ( x l ，x 2 ) 采樣的情形。首先考慮連續(xù)二 維定義域上逐點(diǎn)定義的函數(shù)，如傳統(tǒng)的地形高度圖形。根據(jù)函數(shù)采樣的不同，在經(jīng)驗(yàn)?zāi)?型建立階段有重要差別：即采樣可以在平面的網(wǎng)格點(diǎn)上進(jìn)行，也可以在不規(guī)則的散布點(diǎn) 上進(jìn)行。 對(duì)于網(wǎng)格數(shù)據(jù)，最簡單的插值方法是雙線性插值，它只依賴矩形網(wǎng)格點(diǎn)上的函數(shù)值， 這種模型只在網(wǎng)格點(diǎn)的連線上才有連續(xù)性。更高的階次及其連續(xù)性可以通過雙三次插值 達(dá)到，但需要結(jié)點(diǎn)上的一階偏導(dǎo)合二階偏導(dǎo)。這些導(dǎo)數(shù)如果沒有給出就要估算。有時(shí)還 要求保持形狀。 對(duì)于不規(guī)則的散布數(shù)據(jù)，存在各種各樣的插值方法。其中一些方法把點(diǎn)連成三角形， 并在每個(gè)三角形上構(gòu)造雙線性或雙三次插值：另一些方法則是改進(jìn)的s h e p h a r d 方法，避 免了三角化步驟；還有的方法基于多重二次插值。 這里同樣存在數(shù)據(jù)有誤差的情形。對(duì)于一維數(shù)據(jù)，可以很直接地觀察到誤差，如用 誤差條：但對(duì)于二維數(shù)據(jù)，就比較困難。比較好的平面近似數(shù)學(xué)方法是雙三次樣條擬合。 1 等值線圖( l i n eb a s e dc o n t o u r i n g ) ：e ( s ，2 ) 從一組二維平面點(diǎn)上的值可以繪制具有常數(shù)值的等值線。等值線的值是本技術(shù)的參 數(shù)。這類表示在矢量設(shè)備時(shí)代十分普遍，至今仍是一種有用的技術(shù)，例如在天氣預(yù)報(bào)中， 大氣壓力用此方法顯示成等壓線的形式。 插值技術(shù)依賴于數(shù)據(jù)點(diǎn)的安排。對(duì)于網(wǎng)格數(shù)據(jù)。可沿網(wǎng)格線執(zhí)行線性插值，以建立 等值線與網(wǎng)絡(luò)的交點(diǎn)，并把這些點(diǎn)用線段連接起來。也可在建立等值與網(wǎng)格的交點(diǎn)，并 把這些點(diǎn)用線段連接起來。也可在建立線性插值后，采用不斷估算插值的方式實(shí)現(xiàn)等值 線的逐步追蹤。對(duì)于散布數(shù)據(jù)，可在矩形網(wǎng)格上構(gòu)造和估算插值，然后采用網(wǎng)格數(shù)據(jù)的 方法。另外，獲得的導(dǎo)數(shù)信息可以幫助構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，還可以確定是否連續(xù)( 這在地質(zhì) 應(yīng)用中十分常見) 。 2 離散濃淡等值線圖( d i s c r e t es h a r e dc o n t o u r i n g ) ：e ( s ，2 ) 對(duì)于二維平面上的一組值，各條等值線間的區(qū)域可用不同的顏色或濃淡來表示。一 組等值線是該過程的參數(shù)，這一技術(shù)在光柵設(shè)備上有效。 對(duì)于網(wǎng)格數(shù)據(jù)，一般是在每個(gè)矩形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域上構(gòu)造一個(gè)雙三次多項(xiàng)式函數(shù)：對(duì)于散 布數(shù)據(jù)，則首先通過插值建立矩形網(wǎng)格，或者直接從三角網(wǎng)格中進(jìn)行處理。 3 圖像顯示( i m a g ed i s p l a y ) ：e ( s ，2 ) 對(duì)于二維平面點(diǎn)上的值，可以生成基于函數(shù)的圖象顯示。將區(qū)域劃分為單位網(wǎng)格( 一 般對(duì)應(yīng)于顯示器的像素) ，每個(gè)單位上的顏色用來表示函數(shù)的對(duì)應(yīng)值。 這一技術(shù)常用于密集型網(wǎng)格數(shù)據(jù)( 如來自衛(wèi)星或掃描儀的數(shù)據(jù)) ，一般沒有插值問題。 圖像處理的有關(guān)技術(shù)在3 8 節(jié)討論。 4 曲面圖( s u r f a c ev i e w ) ：e ( s ，2 ) 等值圖顯示的另一傳統(tǒng)方法是顯示位于曲面上平行于x 和y 軸上的網(wǎng)狀線，它被投 第13 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 影到二維平面。這一技術(shù)實(shí)質(zhì)上是通過保持浮動(dòng)水平線，以確定曲面網(wǎng)孔的可見性，它 結(jié)合了隱線消除與投影，因此與基本圖形系統(tǒng)的接1 2 1 是二維的。但也可以直接與三維圖 形系統(tǒng)接口，把隱線消除與投影交給基本圖形層來完成。 曲面也可直接采用標(biāo)準(zhǔn)光照模型對(duì)覆蓋它的網(wǎng)孔形成濃淡。 5 高度場(chǎng)圖( h e i g h t f i e l dp l o t ) ：e ( 2 s ，2 ) 高度場(chǎng)圖是一種顯示二維域上兩個(gè)標(biāo)量場(chǎng)的可視化技術(shù)，其中一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)顯示成曲 面圖，另一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)則顯示成曲面上的濃淡等值線圖。實(shí)際上另一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)也可表示為 曲面上的圖象顯示。 6 多個(gè)標(biāo)量場(chǎng)：e ( m s ，2 ) 可以采用類似于高維散布點(diǎn)圖的技術(shù)來顯示多個(gè)標(biāo)量場(chǎng)。b e r g e r o n 和g r i n s t e i n 采用 擴(kuò)展的圖像顯示技術(shù)來顯示一個(gè)區(qū)域上的多個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，對(duì)于每個(gè)圖像單元，采用圖符而 不僅僅是顏色進(jìn)行編碼，這些圖符具有顏色、形狀、甚至聲音等屬性。這種技術(shù)已成功 地用來同時(shí)顯示五個(gè)標(biāo)量場(chǎng)。 7 使用光照與濃淡的標(biāo)量場(chǎng)：e ( s ，2 ) 該技術(shù)是針對(duì)定義在一個(gè)幾何表面上的標(biāo)量場(chǎng)，如飛機(jī)機(jī)翼表面上的溫度。一般來 說，表示成標(biāo)量的任何特性都能可視化。幾何表面則可以表示為一組多邊形性都能可視 化，或表示為一個(gè)參數(shù)曲在，這已包括在一些基本圖形系統(tǒng)的圖形元素中，如p h i g s p l u s 的填充域集、非均勻有理b 樣條曲面等。 加上光源使表面形成光滑濃淡( g o u r a u d 或p h o n g 氏濃淡) 能夠改善用戶對(duì)表面的 感覺，但是濃淡層次的重復(fù)使用可能引起視覺的二義性。 8 三維條形或柱形圖：e ( s ，f 2 ) 三維條形( 或柱形) 圖是二維條形( 或柱形) 圖的擴(kuò)展，可以顯示定義在二維離散 點(diǎn)或子區(qū)域上的一組數(shù)據(jù)值。 9 三維直方圖：e ( s ，2 1 ) 三維直方圖是二維直方圖的擴(kuò)展，可以顯示定義在二維鄰接子區(qū)域上的一組數(shù)據(jù)值。 1 0 有限區(qū)域圖：e ( s ， 2 ) 在一些應(yīng)用中，被顯示的實(shí)體是定義在一組區(qū)域上。例如，地圖上不同國家的人口 密度。不同國家的版圖表示不同的區(qū)域，并對(duì)應(yīng)一個(gè)表示該國人口密度的標(biāo)量值。這類 實(shí)體可用三維直方圖來顯示，但也可將與區(qū)域相邊的值用顏色或濃淡來進(jìn)行編碼，從而 顯示成二維圖像的形式。這類顯示被稱為c h l o r o p l e t h 圖，或稱為有限區(qū)域圖。實(shí)際上可 以認(rèn)為濃淡等值線圖也屬于這一類型。 2 4 3 三維域上的標(biāo)量場(chǎng) 三維域上的標(biāo)量場(chǎng)是對(duì)函數(shù)f ( x l ，x 2 ，x 3 ) 在一系列點(diǎn)上進(jìn)行采樣的結(jié)果，