과학적 시각화
Scientific visualization
과학적 시각화(Scientific visualization)는 과학적 [2]현상의 시각화와 관련된 학문 간 분야이다.그것은 또한 컴퓨터 과학의 한 분야인 컴퓨터 그래픽의 하위 집합으로 여겨진다.과학 시각화의 목적은 과학 데이터를 그래픽으로 설명하여 과학자들이 데이터를 이해하고 설명하며 데이터에서 통찰력을 수집할 수 있도록 하는 것입니다.사람들이 다양한 유형의 시각화를 어떻게 읽고 잘못 읽는지에 대한 연구는 어떤 유형의 시각화가 [3][4]가장 이해하기 쉽고 정보를 전달하는 데 효과적인지를 결정하는 데 도움이 됩니다.
역사
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3차원 과학적 시각화의 가장 초기의 예 중 하나는 제임스 클럭 [5]맥스웰이 1874년에 점토로 조각한 맥스웰의 열역학 표면이었다.이것은 컴퓨터 [6]그래픽을 사용하는 현대 과학 시각화 기술을 미리 구성했다.
주목할 만한 점 초기 2차원의 예들 나폴레옹의 3월 모스크바에의 흐름 지도 찰스 조셉 Minard에 의해 1869년에서 생산되고,[2]은"coxcombs"플로렌스 나이팅게일에 의해 1857년에 영국군에서 위생 조건을 개선하기의 일환으로 사용되고,[2]과 점통계 지도 존 스노우에 의해 1855년에 브로드 가 콜레라 outbr visualise는 데 사용되는 포함한다.eak.[2]
데이터 시각화 방법
2차원 데이터 세트
컴퓨터 그래픽을 사용한 과학적 시각화는 그래픽이 성숙함에 따라 인기를 끌었다.주요 애플리케이션은 컴퓨터 시뮬레이션 및 측정된 데이터의 스칼라 필드 및 벡터 필드였습니다.2차원 (2D) 스칼라 필드를 시각화하는 주요 방법은 색상 매핑과 그리기 등고선이다. 2D 벡터 필드는 글리프와 유선 또는 라인 적분 컨볼루션 방법을 사용하여 시각화된다. 2D 텐서 필드는 종종 f의 각 점을 나타내는 두 고유 벡터 중 하나를 사용하여 벡터 필드로 해결된다.벡터 필드 시각화 방법을 사용하여 시각화한 후.
3차원 데이터 세트
3D 스칼라 필드의 경우 기본 방법은 볼륨 렌더링과 등각면입니다.벡터 필드를 시각화하는 방법에는 화살표, 유선 및 스트릭선, 파티클 트레이스, 라인 인테그레이션(LIC) 및 토폴로지 방법이 있습니다.나중에 하이퍼스트림라인과[7] 같은 시각화 기법이 2D 및 3D 텐서 필드를 시각화하기 위해 개발되었습니다.
토픽
컴퓨터 애니메이션
컴퓨터 애니메이션은 컴퓨터를 이용하여 움직이는 이미지를 만드는 기술, 기술, 과학이다.2D 컴퓨터 그래픽은 여전히 스타일리시한 저대역폭 및 빠른 실시간 렌더링 요구에 널리 사용되고 있지만, 3D 컴퓨터 그래픽을 사용하여 제작하는 것은 점점 더 보편화되고 있습니다.때때로 애니메이션의 대상은 컴퓨터 그 자체일 때도 있지만, 때로는 영화와 같은 또 다른 매체일 때도 있다.이것은 CGI(컴퓨터 생성 이미지 또는 컴퓨터 생성 이미지)라고도 불리며, 특히 영화에서 사용되는 경우에는 더욱 그러합니다.응용 프로그램에는 의료 전문가 또는 환자의 교육 도구로 가장 일반적으로 사용되는 의료 애니메이션이 포함됩니다.
컴퓨터 시뮬레이션
컴퓨터 시뮬레이션은 특정 시스템의 추상적 모델을 시뮬레이션하려는 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터 네트워크입니다.컴퓨터 시뮬레이션은 물리, 컴퓨터 물리, 화학, 생물학, 경제학, 심리학, 사회과학의 인간 시스템, 그리고 공학과 신기술의 과정에서 이러한 시스템의 작동에 대한 통찰력을 얻거나 그 역할을 관찰하기 위한 수학 모델링의 유용한 부분이 되었습니다.avior.[8] 시스템의 시각화와 시뮬레이션을 동시에 하는 것을 가시화라고 한다.
컴퓨터 시뮬레이션은 몇 분 동안 실행되는 컴퓨터 프로그램부터 몇 시간 동안 실행되는 네트워크 기반 컴퓨터 그룹, 몇 개월 동안 실행되는 지속적인 시뮬레이션까지 다양합니다.컴퓨터 시뮬레이션에 의해 시뮬레이션되고 있는 사건의 규모는 종래의 종이와 연필의 수학적 모델링을 사용하여 가능한 것(혹은 상상할 수 있는 것)을 훨씬 웃돌고 있습니다.10년 이상 전에 사막 전투 시뮬레이션에서는 시뮬레이션된 지형에서 66,239대의 탱크, 트럭 및 기타 차량을 모델링했습니다.국방고성능컴퓨팅현대화프로그램에서 여러 슈퍼컴퓨터를 사용하고 있습니다.[9]
정보 시각화
정보 시각화는 "소프트웨어 시스템, 라이브러리 및 서지 데이터베이스, 인터넷상의 관계 네트워크 등과 같은 대규모 비수치 정보 수집의 시각적 표현"[2]에 대한 연구이다.
정보 시각화는 추상적인 정보를 직관적인 방법으로 전달하는 접근방식의 작성에 초점을 맞춥니다.시각적 표현과 상호작용 기법은 인간의 눈으로 마음으로 들어가는 넓은 대역폭 경로를 이용하여 사용자가 대량의 정보를 한 [10]번에 보고 탐색하고 이해할 수 있도록 한다.과학적 시각화와 정보 시각화의 주요 차이점은 정보 시각화가 과학적 조사에 의해 생성되지 않은 데이터에 종종 적용된다는 것이다.예를 들어 비즈니스, 정부, 뉴스 및 소셜 미디어용 데이터를 그래픽으로 표현한 것이 있습니다.
인터페이스 테크놀로지와 인식
인터페이스 기술과 인식은 새로운 인터페이스와 기본적인 지각 문제에 대한 더 나은 이해가 과학 시각화 [11]커뮤니티에 어떻게 새로운 기회를 창출하는지 보여줍니다.
표면 렌더링
렌더링이란 컴퓨터 프로그램을 통해 모델에서 이미지를 생성하는 과정입니다.이 모델은 엄격하게 정의된 언어 또는 데이터 구조에서 3차원 객체를 설명하는 것입니다.여기에는 지오메트리, 시점, 텍스처, 조명 및 음영 정보가 포함됩니다.이미지는 디지털 이미지 또는 래스터 그래픽 이미지입니다.그 용어는 장면의 "예술가의 렌더링"과 유사할 수 있다.또한 '렌더링'은 최종 비디오 출력을 생성하기 위해 비디오 편집 파일에서 효과를 계산하는 과정을 기술하는 데 사용됩니다.중요한 렌더링 기술은 다음과 같습니다.
- 스캔라인 렌더링 및 래스터라이제이션
- 화상의 고레벨 표현은 필연적으로 픽셀과는 다른 도메인에 있는 요소를 포함한다.이러한 요소를 원시 요소라고 합니다.예를 들어, 개략도에서는 선 세그먼트와 원곡선이 원시일 수 있습니다.그래픽 사용자 인터페이스에서는 창과 버튼이 기본값이 될 수 있습니다.3D 렌더링에서는 공간의 삼각형과 폴리곤이 원시일 수 있습니다.
- 레이 캐스팅
- 레이 캐스팅은 주로 3D 컴퓨터 게임이나 만화 애니메이션에서 사용되는 것과 같은 실시간 시뮬레이션에 사용됩니다. 디테일이 중요하지 않거나 계산 단계에서 더 나은 성능을 얻기 위해 디테일을 수동으로 위조하는 것이 더 효율적인 경우입니다.이것은, 통상은, 다수의 프레임을 애니메이션 할 필요가 있는 경우에 해당합니다.씬(scene)의 객체가 모두 무광 마감으로 칠해진 것처럼 추가 트릭을 사용하지 않을 경우 결과 표면은 '평탄'한 특성을 가집니다.
- 전파성
- 글로벌 일루미네이션이라고도 하는 방사성은 직접 조명된 표면이 다른 표면을 조명하는 간접 광원으로 작동하는 방식을 시뮬레이션하는 방법입니다.이것은 보다 사실적인 음영을 만들어내고 실내 장면의 '환경'을 더 잘 포착하는 것처럼 보인다.전형적인 예가 방의 모서리를 '안는' 방식입니다.
- 레이 트레이스
- 레이 트레이스는 스캔라인 렌더링 및 레이 캐스팅에서 개발된 동일한 기술의 확장입니다.이와 같이 복잡한 사물을 잘 처리하여 사물을 수학적으로 기술할 수 있습니다.스캔라인 및 주조와 달리 광선 추적은 거의 항상 모델로부터 무작위로 생성된 샘플 수의 평균을 기반으로 하는 몬테카를로 기법입니다.
볼륨 렌더링
볼륨 렌더링은 개별적으로 샘플링된 3D 데이터 세트의 2D 투영을 표시하는 데 사용되는 기술입니다.일반적인 3D 데이터 세트는 CT 또는 MRI 스캐너로 획득한 2D 슬라이스 영상 그룹입니다.통상, 이것들은 통상적인 패턴(예를 들면 밀리미터 마다 1 슬라이스)으로 취득되어 통상적인 패턴의 화상 픽셀수가 일정하게 됩니다.이것은 각 볼륨 요소 또는 복셀 주변의 즉시 영역을 샘플링하여 얻은 단일 값으로 표시되는 일반 볼륨 그리드의 예입니다.
볼륨 시각화
Rosenblum(1994)에 따르면, "볼륨 시각화는 수학적으로 다른 표면을 나타내지 않고도 물체를 볼 수 있는 일련의 기술을 조사한다.처음에는 의학 이미징에 사용되었던 볼륨 시각화는 많은 과학에서 필수적인 기술이 되었고 현상을 묘사하는 것은 구름, 물의 흐름, 분자 및 생물학적 구조와 같은 필수적인 기술이 되었다.많은 볼륨 시각화 알고리즘은 계산 비용이 많이 들고 대용량 데이터 스토리지를 필요로 합니다.하드웨어와 소프트웨어의 발전은 볼륨 시각화와 실시간 성능을 일반화하고 있습니다."
웹 기반 기술 및 브라우저 내 렌더링의 발달로 부피, 질량 및 [11]밀도 데이터를 표시하기 위해 기준 프레임이 변화하는 입방체를 단순하게 볼륨으로 표시할 수 있게 되었습니다.
적용들
이 섹션에서는 [12]오늘날 과학적 시각화가 어떻게 적용될 수 있는지 일련의 예를 제시합니다.
자연과학에서
![Star formation[13]](/wiki/File:Star_formation.jpg)
![Gravitational waves[14]](/wiki/File:Gravitywaves.JPG)
별 형성:특징적인 그림은 엔조 별과 은하 시뮬레이션에서 가스/먼지 밀도의 로그 부피 그림입니다.밀도가 높은 영역은 흰색이지만 밀도가 낮은 영역은 파란색이 더 높고 투명합니다.
중력파:연구원들은 여러 슈퍼컴퓨터의 힘을 이용하여 블랙홀 충돌의 중력 효과를 시뮬레이션하기 위해 글로버스 툴킷을 사용했다.
거대 항성 초신성 폭발:이미지에서, 3차원 방사선 유체역학 대규모 별 초신성 폭발 계산 DJEHUTY 항성 진화 코드는 SN 1987A 모델의 3차원 폭발을 계산하는 데 사용되었습니다.
분자 렌더링:VisIt의 일반적인 플롯 기능을 사용하여 특징적인 시각화에 표시된 분자 렌더링을 만들었습니다.원본 데이터는 렌더링하기 전에 단백질 데이터 뱅크에서 가져와 VTK 파일로 변환되었습니다.
지리·생태학 분야
지형 렌더링
![Climate visualization[15]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Climate_visualization.jpg/120px-Climate_visualization.jpg)
기후 시각화[15]
타임스퀘어의 대기 이상
![Climate visualization[15]](/wiki/File:Climate_visualization.jpg)
지형 시각화:VisIt는 GIS(Geographic Information Systems) 분야에서 일반적인 여러 파일 형식을 읽을 수 있으므로 지형 데이터와 같은 래스터 데이터를 시각화할 수 있습니다.주요 이미지는 캘리포니아 Dunsmuir 근처의 산악 지역을 포함하는 DEM 데이터 집합의 플롯을 보여줍니다.표고 변경 사항을 쉽게 묘사할 수 있도록 표고 선이 그림에 추가됩니다.
토네이도 시뮬레이션:이 이미지는 NCSA의 IBM p690 컴퓨팅 클러스터에서 계산된 토네이도 시뮬레이션에서 생성된 데이터에서 생성되었다.NCSA에서 제작된 폭풍우의 고화질 텔레비전 애니메이션은 "Hunt for the Supertwister"라고 불리는 PBS 텔레비전 시리즈 NOVA의 에피소드에 포함되었다.토네이도는 압력에 따라 색이 변하는 구에 의해 표시되며, 주황색과 파란색 튜브는 토네이도 주변의 상승 및 하강 기류를 나타냅니다.
기후 시각화:이 시각화는 대기 모델에서 추적체로 개별적으로 흡수되는 다양한 소스의 이산화탄소를 묘사한다.바다에서 나오는 이산화탄소는 1900년 2월 동안 깃털로 나타난다.
타임스퀘어의 대기 이상 이미지에서는 타임스퀘어와 그 주변의 대기 이상에 대한 SAMRAI 시뮬레이션 프레임워크의 결과가 시각화된다.
수학에서
수학적 구조의 과학적 시각화는 직관을 구축하고 정신 [16]모델을 형성하는 데 도움을 주기 위해 수행되었습니다.
고차원 객체는 저차원의 투영(뷰) 형태로 시각화할 수 있습니다.특히 4차원 물체는 3차원 투영에 의해 시각화된다.고차원 객체의 저차원 투영을 가상 객체 조작의 목적으로 사용할 수 있어 3D 객체를 [17]2D로, 4D 객체를 [18]3D로 조작할 수 있습니다.
복소해석에서는 복소평면의 함수는 본질적으로 4차원이지만 저차원 시각적 표현에 대한 자연 기하학적 투영은 없다.대신 색각은 도메인 색칠과 같은 기술을 사용하여 치수 정보를 캡처하기 위해 이용됩니다.
정식 과학에서는
곡선도
이미지 주석
산점도
지형 표면의 컴퓨터 매핑:지형 표면의 컴퓨터 지도를 통해 수학자들은 스트레스를 받을 때 물질이 어떻게 변하는지 이론을 테스트할 수 있다.이 이미징은 시카고 소재 일리노이 대학의 NSF 자금 지원 전자 시각화 연구소에 대한 작업의 일부입니다.
곡선도:VisIt는 파일에서 읽은 데이터에서 곡선을 그릴 수 있으며 라인 출력 연산자 또는 쿼리를 사용하여 고차원 데이터 세트에서 곡선 데이터를 추출하고 플롯하는 데 사용할 수 있습니다.특징 영상의 곡선은 DEM 데이터에 그려진 선을 따라 표고 데이터에 해당하며 형상 라인 출력 기능을 사용하여 작성됩니다.라인아웃을 사용하면 인터랙티브하게 선을 그어 데이터 추출 경로를 지정할 수 있습니다.그런 다음 결과 데이터를 곡선으로 표시했다.
이미지 주석:특집 플롯은 NetCDF 데이터 세트의 전지구 식물성 물질의 척도인 리프 면적 지수(LI)를 보여준다.1차 플롯은 하단에 있는 큰 플롯으로, 전 세계의 LAI를 나타냅니다.맨 위에 있는 플롯은 실제로 이전에 생성된 영상을 포함하는 주석입니다.이미지 주석을 사용하여 보조 플롯, 실험 데이터의 이미지, 프로젝트 로고 등과 같은 시각화를 향상시키는 재료를 포함할 수 있습니다.
산점도:VisIt의 산점도에서는 최대 4차원의 다변량 데이터를 시각화할 수 있습니다.산점도에서는 여러 스칼라 변수를 사용하여 위상 공간의 다른 축에 사용합니다.여러 변수가 결합되어 위상 공간에서 좌표를 형성하고 글리프를 사용하여 표시되고 다른 스칼라 변수를 사용하여 색상이 지정됩니다.
응용과학 분야
포르쉐 911 모델
YF-17 항공기 플롯
도시 렌더링
Porsche 911 모델(NASTRAN 모델):특징 그림에는 NASTRAN 벌크 데이터 파일에서 가져온 포르쉐 911 모델의 망사 그림이 포함되어 있습니다.VisIt는 시각화를 위해 모델 지오메트리를 가져올 정도로 일반적으로 NASTRAN 벌크 데이터 파일의 제한된 하위 집합을 읽을 수 있습니다.
YF-17 항공기 그림:특집 이미지는 YF-17 제트 항공기를 나타내는 CGNS 데이터 세트의 플롯을 보여준다.데이터 세트는 솔루션이 포함된 비정형 그리드로 구성됩니다.이미지는 데이터 세트의 마하 변수의 의사 프로토콜 그림, 그리드의 메시 그림 및 Velocity 필드를 통해 슬라이스의 벡터 그림을 사용하여 생성되었습니다.
도시 렌더링:건물 풋프린트의 폴리곤 설명을 포함한 ESRI 형상 파일을 읽어 들여, 폴리곤을 직선 그리드에 재샘플링 해, 특징적인 도시 경관에 밀어넣었다.
측정된 인바운드 트래픽:이 이미지는 1991년9월에 NSFNET T1 백본에서 수십억 바이트 단위로 측정된 착신 트래픽의 시각화 연구입니다.트래픽 볼륨 범위는 보라색(0바이트)부터 흰색(1000억 바이트)까지입니다.Merit Network, Inc.[19]가 수집한 데이터를 나타냅니다.
단체들
이 분야의 중요한 연구소는 다음과 같습니다.
- 전자 시각화 연구소
- 키트웨어
- 로스앨러모스 국립연구소
- NASA 고급 슈퍼컴퓨팅 부문
- 국립 슈퍼컴퓨팅 응용 프로그램 센터
- 산디아 국립연구소
- 샌디에이고 슈퍼컴퓨터 센터
- 사이언스 컴퓨팅 및 이미지 연구소
- 텍사스 어드밴스드 컴퓨팅 센터
과학 시각화 [20]연구의 중요도에 따라 순위를 매긴 이 분야의 컨퍼런스는 다음과 같다.
- IEEE 시각화
- 시그그래프
- 유로비스
- 컴퓨터 시스템의 인적 요인에 관한 회의(CI)
- 유로그래픽스
- 퍼시픽비스
「 」를 참조해 주세요.
- 일반
- 출판물
- 소프트웨어
- 아미라
- 아비조
- 보드라인
- 비트플레인
- 데이터코피아
- 데이터 슬롯
- MeVisLab
- NCAR 명령어
- 오렌지
- 기원.
- ParaView
- 테크플롯
- 모니터
- 증기
- Vis5D
- VisAD
- 방문하다
- VTK
- 카테고리:무료 데이터 시각화 소프트웨어
레퍼런스
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추가 정보
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- 릴랜드 윌킨슨(2005).그래픽의 문법, 스프링거.
외부 링크
- 미국 국립표준기술시각화연구소(National Institute of Standards and Technology Scientific Visualizations)와 애플리케이션 개요.
- Scientific Visualization Tutorials, 조지아 공대
- NASA의 Scientific Visualization Studio.이들은 시각화를 통해 NASA 프로그램 내에서 과학적 조사와 홍보를 촉진합니다.
- Subunit Studios Scientific and Molecular Visualization Studio.과학자가 과학 일러스트와 애니메이션을 제공하고 있습니다.
- scienceviz.com - 대학, 건축가 및 엔지니어를 위한 과학 가상화, 시뮬레이션 및 CG 애니메이션
