1. О расширенной визуализации научных данных
Одним из современных эффективных методов анализа различных научных данных является метод компьютерной визуализации этих данных — метод научной визуализации.
Решение задач анализа научных данных методом научной визуализации заключается [1]:
1) В получении представления анализируемых данных в виде их некоторого графического изображения (задача визуализации исходных данных). Для получения такого графического изображения необходимо данным поставить в соответствие пространственную сцену (совокупность пространственных объектов), а точнее говоря, ее геометрическое и оптическое (текстурное) описания (модели), а затем получить графическое изображение этой пространственной сцены (рендеринг), которое можно вывести на монитор, на принтер и другие устройства вывода для последующего анализа.
2) В визуальном анализе полученного графического изображения анализируемых данных. При этом результаты анализа интерпретируются по отношению к исходным данным. Эта задача решается непосредственно самим пользователем. Под визуальным анализом графического изображения подразумевается визуальный анализ упомянутой пространственной сцены. Человек может делать суждения о взаимном расположении пространственных объектов, их форме и текстурном покрытии.
Рассмотрим возможность подключения в процессе визуального анализа другого органа чувств — органа слуха. Для того, чтобы осуществить анализ исходных данных посредством звука, соответственно необходимо:
1) Получить представления анализируемых данных в виде их некоторого звукового отображения. Для получения такого отображения необходимо дополнить геометрическое и оптическое описание пространственной сцены ее звуковым описанием, и такую звуковую пространственную сцену поставить в соответствие исходным данным, а затем получить звуковое отображение этой пространственной сцены (звуковой рендеринг), которое можно вывести на колонки и другие устройства вывода для последующего анализа.
2) Проанализировать звуковое отображение и результаты анализа интерпретировать по отношению к исходным данным.
Важно отметить, что получение как звукового отображения, так и графического изображения, поставленного в соответствие исходным данным для последующего анализа зачастую делает процесс анализа более эффективным.
На рис.1 представлена структурная схема алгоритма расширенной визуализации, т.е. совместного получения графического изображения и звукового отображения исходных данных .
Рис.1. Структурная схема алгоритма расширенной научной визуализации.
Такой алгоритм реализуется с использованием компьютера путем написания прикладной программы визуализации на некотором входном языке программирования используемого инструментального средства (совокупности средств) в виде некоторого программного продукта или совокупности программных продуктов.
Рассмотрим основные характеристики метода расширенной научной визуализации применительно к определенному классу задач анализа научных данных, когда в качестве таких данных используются описания тех или иных скалярных полей.
2. Понятийный аппарат алгоритма расширенной визуализации скалярного поля
Исходные данные
Эти данные представляют собой описание скалярного поля на некотором прямоугольном отсеке трехмерного физического пространства, представленное в файле. В качестве описания используется математическая модель скалярного поля в виде значений функции 3-х переменных вида F(x,y,z) в узлах заданной трехмерной прямоугольной сетки.
Отфильтрованные данные
В качестве отфильтрованных данных используется интерполяционная функции f(x,y,z), использующая значения исходной функции в узлах сетки. Для получения функции f(x,y,z), заданной на рассматриваемой области определения (параллелепипеде) нами была использована трилинейная интерполяция.
Описание пространственной сцены
Это описание включает в себя 3 составляющие:
1) Описание изоповерхности функции f(x,y,z) в виде: f(x,y,z)=с, при этом совместно принимаемые значения x,y,z принадлежат указанной выше области определения функции f(x,y,z), а с – задаваемое пользователем вещественное число, соответствующее некоторому значению анализируемого скалярного поля.
Данная изоповерхность является 1-ым компонентом вводимой в рассмотрение пространственной сцены.
2) Оптическое описание, т.е. описание текстурного покрытия упомянутой изоповерхности, задаваемого пользователем.
3) Звуковое описание, т.е. описание вводимого в рассмотрение точечного источника звука. Его расположение (значения координат x0,y0,z0 ) задается пользователем, а частота исходящего звука w связана со значением функции f(x,y,z) следующим образом: w = k*f(x0,y0,z0), где значение коэффициента k задается пользователем.
Данный точечный источник звука является 2-ым компонентом вводимой в рассмотрение пространственной сцены.
Графическое изображение и звуковое отображение пространственной сцены
Результатом выполнения рендеринга являются соответственно:
- проекционное графическое изображение изоповерхности на используемом графическом терминале,
- звуковая волна, генерируемая используемым звуковым терминалом.
Следует пояснить, что частота звуковой волны воспринимается пользователем как тон звука.
В соответствии с рассмотренным понятийным аппаратом и приведенной на рис.1 структурной схемой нами был разработан алгоритм расширенной визуализации скалярного поля. Этот алгоритм был реализован в виде интерактивной прикладной программы визуализации, написанной на языке C++ и использующей в качестве инструментальных средств программные продукты 3ds Max [2] и OpenAL [3].
Данная интерактивная прикладная программа визуализации была апробирована при анализе ряда скалярных полей, описанных в [1]. Полученные практические результаты показали, что дополнение визуального анализа скалярных полей возможностью их прослушивания в общем случае позволяет повысить эффективность такого анализа.
[1] В. Д. Аджиев, Н. Н. Дегтяренко, Е. Е. Маликова, Н. А. Матвеева, А. А. Пасько, В. В. Пилюгин, М. Н. Стриханов//РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ АНАЛИЗА МОДЕЛИРУЕМЫХ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОМ НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ, Ядерная физика и инжиниринг. 2010. Т. 1. № 4. С366-379
[2] Autodesk® 3ds Max® 2008 SDK Help
[3] OpenAL Programmers Guide http://connect.creativelabs.com/openal/Documentation/OpenAL_Programmers_Guide.pdf