УЧЕБНЫЕ КУРСЫ ПО НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Н.А. МАТВЕЕВА

Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ», Москва, Россия

         Научная визуализация широко применяется при решении различных задач анализа данных, привлекая к анализу данных способности человека видеть и понимать изображения. Научная визуализация прошла длинный путь развития от простой визуализации функциональных зависимостей в виде графиков и изолиний до сложных методов объемной визуализации статических и динамических физических полей. В настоящее время научная визуализация характеризуется разнообразием направлений исследований и разработок, в которых участвуют ведущие специалисты в этой области из разных стран мира. Она находит широкое применение в различных областях научных исследований: в естественных науках (визуализация образований звезд, гравитационных волн и молекулярных соединений), в экологии и географии (визуализация земной поверхности, климатических изменений и атмосферных аномалий), в информационных науках (визуализация графиков и многомерных статистических данных) и т.д. [1].

         Важность работ в области научной визуализации делает актуальным подготовку высококвалифицированных специалистов, в связи с этим в различных университетах мира преподаются разнообразные учебные курсы, связанные с научной визуализацией. В данной публикации представлен обзорный материал ряда таких курсов.

         Значительная часть курсов преподается в центральной Европе и Америке, что связано с наличием большого числа лабораторий по визуализации в различных европейских и американских университетах [2,3,4-22].

         В частности, большое количество курсов преподается в Германии, как, например, в институте информатики Макса Планка [4], институте компьютерных наук Вильгельма Шикарда [5], университетах Штудгарта [6], Мюнхена [10] и Ростока [8].

         Большое внимание учебным курсам по научной визуализации уделяется в США, например, в Калифорнийском университете ( Santa Cruz) [13] , университете штата Аризона, университете города Пердью штата Луизиана [11,12]. В университете Стоуни-Брук преподается несколько курсов по научной визуализации [14,15]. Также подобные курсы читаются в университете Дьюка [16] и университете Миннесоты [17].

         В Швейцарии курсы преподаются сотрудниками лаборатории научной визуализации в технологическом институте Цюриха [18,19]. Лекции читаются в Венском техническом университете [22], а также в технических университетах Ейндхоффена [20] и Делфта [25] (Нидерданды) и шведском университете Линдкопина [21].

         В России в качестве примера можно привести курсы, которые преподаются в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) [23] и ВМК МГУ [24], а также в Московском физико-техническом институте. Заслуживает внимания курс лекций «Дополнительные главы научной визуализации», который преподается в НИЯУ МИФИ совместно с Британским национальным центром компьютерной анимации при университете Борнмута (Англия) [23].

         Следует отметить, что курсы по научной визуализации преподаются как в очном, так и дистанционном режимах. Так, например, курсы «Основы научной визуализации» и «Программирование в среде 3ds Max при решении задач визуализации научных данных», преподаваемые в НИЯУ МИФИ, даются в дистанционном режиме, при этом в течение семестра знания студентов проверяются с помощью интерактивного тестирования в сети Интернет. Эти курсы примечательны также тем, что они предназначены для студентов физических факультетов, в то время как большинство курсов по научной визуализации рассчитаны на аудиторию из области информационных технологий. В университете Штудгарта разработан on - line курс по научной визуализации, который является дополнением к основным лекциям, читаемым в очном режиме.

         Многие курсы имеют схожую структуру. Они все являются семестровыми. Наряду с теоретическими данными неотъемлемой частью преподавания является практическая часть. В некоторых университетах существуют отдельные семинары по научной визуализации, как дополнительные курсы к основным лекциям. Под практической частью понимается написание программ визуализации тех или иных научных данных. Широко распространена практика выполнения так называемого «проекта». Под проектом понимается реализация на компьютере алгоритма визуализации данных и защита в виде презентации полученных результатов и их обсуждения [9,12-14,16].

         Курсы, преподаваемые в институте информатики Макса Планка и в Мюнхенском техническом университете, примечательны тем, что читаются на английском языке [4,10].

         Различаются формы итогового контроля студентов. Так, например, в Германии используют устный или письменный экзамен, либо итоговый тест [7-9]. В университетах США доминирует практическая часть курсов с соответствующими промежуточными и итоговыми формами контроля студентов [11,12,14]. В НИЯУ МИФИ практикуется защита результатов выполнения практического задания с учетом результатов интерактивных тестирований в течение семестра [23]. На ВМК МГУ для прохождения курса необходимо написать как письменный итоговый тест, так и сдать итоговый экзамен по курсу [24].

         Характеризуя содержание курсов по научной визуализации, можно отметить следующее. Особое внимание уделяется объемной визуализации и визуализации потоков. В курсах зарубежных университетов этим вопросам уделяется значительная часть лекционного времени. Так, например, в университете Стоуни-Брука большая часть практических занятий связана с изучением и освоением методов объемной визуализации [14,15]. Напротив, в НИЯУ МИФИ и ВМК МГУ эти вопросы рассматриваются обзорно [23,24]. Рассмотрение основных целей визуализации присутствуют во всех курсах как вводная лекционная часть. Наравне с объемной и потоковой визуализацией, во многих курсах рассматриваются такие разделы как визуализация тензоров и информации, а также многомерная визуализация [4,13]. Следует отметить, что многие курсы уделяют должное внимание рассмотрению так называемого «конвейера визуализации». В некоторых курсах этот вопрос входит во вводную часть, а в других подробно рассматриваются его составные части, такие как фильтрация исходных данных и их последующий мэппинг (отображение отфильтрованных данных на геометрические примитивы и их атрибуты: цвет, прозрачность и т.д.) [ 6,10] . В ряде курсов уделяется внимание визуализации скалярных полей [20,24] . В качестве заключительной части в курсах рассматриваются различные системы визуализации, с помощью которых выполняются практические задания. Наряду с упомянутыми вопросами, освещаются также вопросы по следующим разделам:

•  алгоритмы и техники визуализации;

•  глифы и контуры;

•  изолинии и изоповерхности;

•  топологические методы визуализации;

•  визуализация в медицине;

•  обзорные лекции по современным тенденциям в научной визуализации;

•  интерактивные методы визуализации;

•  освещение, методы наложения света, отображение данных на цвет и полупрозрачность;

•  статические и динамические методы моделирования для зависимых от времени данных.

         В контексте образовательной деятельности примечателен тот факт, что в университетах создаются специальные учебные подразделения в области научной визуализации. Так, например, в техасском университете (Texas A&M University) [27] создана кафедра визуализации, а в России, в Национальном исследовательском университете «МИФИ» - учебно-научная лаборатория «Научная визуализация» [23].

         Приведем сравнительную таблицу выбранных нами 22-х курсов в области научной визуализации, преподаваемых в США, Германии, Австрии, Нидерландах, Щвейцарии , России и Щвеции (табл.1).

Таблица 1. Сравнительная таблица курсов по научной визуализации

         Приведенные выше данные показывают, что в настоящее время в зарубежных и российских университетах уделяется большое внимание преподаванию курсов по научной визуализации, число которых растет. Эти курсы характеризуются различными тематическими планами, разнообразием соотношения практической и теоретической частей, формами контроля, дистанционными и очными формами преподавания. Курсы направлены на подготовку высококвалифицированных специалистов в области научной визуализации, которые преподаются известными специалистами в этой области.

Литература:

1. Информация по научной визуализации: http://en.wikipedia.org/wiki/Scientific visualization
2. Matveeva N. «Visualization Courses Worldwide», CG&G, Vol.11, №1, pages 82-86.
3. Eurographics Working Group on Data Visualization, Visualization Group in Europe : http://www.iccas.de/egdv/visgroups_europe.html
4. http://www.mpi-inf.mpg.de/~theisel/classes/s05_sciviz.html
5. http://www.gris.uni-tuebingen.de/edu/study/lectures/vis2005/index.html
6. http://www.vis.uni-stuttgart.de/plain/vdl/vdl_show_lect_load.php?id=269
7. http://wwwisg.cs.uni-magdeburg.de/visualisierung/wiki/doku.php?id=teaching:visualisierung
8. http://vcg.informatik.uni-rostock.de/en/students/teaching.html
9. http://www.kis.uni-kl.de/campus/all/event.asp?gguid=0x98AA6CE81ABB6A4FA72EBD71D1713AB0&tguid
10. http://www15.in.tum.de/Teaching/WS2009/SciVis
11. http://cobweb.ecn.purdue.edu/~ee595e/
12. http://www.cs.purdue.edu/homes/xmt/classes/CS530/
13. http://www.soe.ucsc.edu/classes/cmps290b/Fall04/
14. http://www.cs.sunysb.edu/undergrad/cse_courses/cse332.html
15. http://www.cs.sunysb.edu/~mueller/teaching/cse564/
16. http://www.cs.duke.edu/courses/spring03/cps296.8/index.html
17. http://www-users.itlabs.umn.edu/classes/Spring-2009/csci5980-isv/
18. http://www.scivis.ethz.ch/education/scivis_course
19. http://www.scivis.ethz.ch/education/scivis_seminar
20. https://venus.tue.nl/owinfo-cgi/owi_0695.opl?vakcode=2IV35&studiejaar=2007
21. http://webstaff.itn.liu.se/~andyn/courses/tnm067/index.php
22. http://www.cg.tuwien.ac.at/courses/Visualisierung/VO.html
23. http://edu-cons.net/unl/obr.html
24. http://ani.cmc.msu.ru/ru/courses/visualization
25. http://graphics.tudelft.nl/Courses/IN2770_Computer_graphics
26. http :// metacoon - services . com :8080/ cocoon / MCROOMS / C 4308/ VIS _00_ Visualization ? section = S 1& mset = false & SID =
27. Кафедра визуализации в техасском университете: http://vvvvvv.viz.tamu.edu/