Visualización científica - Scientific visualization

Una visualización científica de una simulación de una inestabilidad de Rayleigh-Taylor causada por dos fluidos de mezcla.
Representación superficial de granos de polen de Arabidopsis thaliana con microscopio confocal .

La visualización científica ( también deletreada visualización científica ) es una rama interdisciplinaria de la ciencia que se ocupa de la visualización de fenómenos científicos. También se considera un subconjunto de los gráficos por computadora , una rama de la informática. El propósito de la visualización científica es ilustrar gráficamente los datos científicos para permitir que los científicos comprendan, ilustren y obtengan información a partir de sus datos. La investigación sobre cómo las personas leen y malinterpretan varios tipos de visualizaciones está ayudando a determinar qué tipos y características de visualizaciones son más comprensibles y efectivas para transmitir información.

Historia

Mapa de flujo de Charles Minard de la marcha de Napoleón .

Uno de los primeros ejemplos de visualización científica tridimensional fue la superficie termodinámica de Maxwell , esculpida en arcilla en 1874 por James Clerk Maxwell . Esto prefigura las técnicas modernas de visualización científica que utilizan gráficos por computadora .

Los primeros ejemplos bidimensionales notables incluyen el mapa de flujo de la Marcha de Napoleón sobre Moscú producido por Charles Joseph Minard en 1869; los "coxcombs" utilizados por Florence Nightingale en 1857 como parte de una campaña para mejorar las condiciones sanitarias en el ejército británico; y el mapa de puntos utilizado por John Snow en 1855 para visualizar el brote de cólera de Broad Street .

Métodos de visualización de datos

Conjuntos de datos bidimensionales

La visualización científica utilizando gráficos por computadora ganó popularidad a medida que los gráficos maduraban. Las aplicaciones principales fueron campos escalares y campos vectoriales de simulaciones por computadora y también datos medidos. Los métodos principales para visualizar campos escalares bidimensionales (2D) son el mapeo de colores y el dibujo de líneas de contorno . Los campos vectoriales 2D se visualizan utilizando glifos y líneas de flujo o métodos de convolución integral de línea . Los campos de tensor 2D a menudo se resuelven en un campo vectorial mediante el uso de uno de los dos vectores propios para representar el tensor en cada punto del campo y luego se visualizan usando métodos de visualización de campo vectorial.

Conjuntos de datos tridimensionales

Para los campos escalares 3D, los métodos principales son el renderizado de volumen y las isosuperficies . Los métodos para visualizar campos vectoriales incluyen glifos (iconos gráficos) como flechas, líneas de corriente y líneas de trazos , rastreo de partículas, convolución integral de línea (LIC) y métodos topológicos. Posteriormente, se desarrollaron técnicas de visualización como hiperestreamlines para visualizar campos tensoriales 2D y 3D.

Temas

Proyección de máxima intensidad (MIP) de una PET de cuerpo entero .
Imagen del sistema solar del cinturón de asteroides principal y los asteroides troyanos.
Visualización científica del flujo de fluidos: ondas superficiales en el agua
Imagen química de una liberación simultánea de SF 6 y NH 3 .
Escaneo topográfico de una superficie de vidrio mediante un microscopio de fuerza atómica .

Animación por computadora

La animación por computadora es el arte, la técnica y la ciencia de crear imágenes en movimiento mediante el uso de computadoras . Cada vez es más común crearlos mediante gráficos por computadora en 3D , aunque los gráficos por computadora en 2D todavía se utilizan ampliamente para necesidades de renderización estilísticas, de bajo ancho de banda y más rápidas en tiempo real . A veces, el objetivo de la animación es la propia computadora, pero a veces el objetivo es otro medio , como una película . También se conoce como CGI ( imágenes generadas por computadora o imágenes generadas por computadora), especialmente cuando se usa en películas. Las aplicaciones incluyen animación médica , que se utiliza más comúnmente como una herramienta de instrucción para profesionales médicos o sus pacientes.

Simulación por ordenador

La simulación por computadora es un programa de computadora, o una red de computadoras, que intenta simular un modelo abstracto de un sistema en particular. Las simulaciones por computadora se han convertido en una parte útil del modelado matemático de muchos sistemas naturales en física y física computacional, química y biología; sistemas humanos en economía, psicología y ciencias sociales; y en el proceso de ingeniería y nueva tecnología, para conocer el funcionamiento de esos sistemas o para observar su comportamiento. La visualización y simulación simultáneas de un sistema se denomina visualización .

Las simulaciones por computadora varían desde programas de computadora que se ejecutan durante unos minutos hasta grupos de computadoras basados ​​en la red que se ejecutan durante horas y simulaciones en curso que se ejecutan durante meses. La escala de eventos que se simulan mediante simulaciones por computadora ha superado con creces todo lo posible (o tal vez incluso imaginable) utilizando el modelo matemático tradicional de papel y lápiz : hace más de 10 años, una simulación de batalla en el desierto, de una fuerza invadiendo a otra, involucró a la Modelado de 66.239 tanques, camiones y otros vehículos en terreno simulado alrededor de Kuwait , utilizando múltiples supercomputadoras en el Programa de Modernización de Computación de Alto Rendimiento del Departamento de Defensa .

Visualización de información

La visualización de información es el estudio de "la representación visual de colecciones a gran escala de información no numérica, como archivos y líneas de código en sistemas de software , bibliotecas y bases de datos bibliográficas , redes de relaciones en Internet , etc.".

Visualización de información centrada en la creación de enfoques para transmitir información abstracta de forma intuitiva. Las representaciones visuales y las técnicas de interacción aprovechan la vía del amplio ancho de banda del ojo humano en la mente para permitir que los usuarios vean, exploren y comprendan grandes cantidades de información a la vez. La diferencia clave entre visualización científica y visualización de información es que la visualización de información a menudo se aplica a datos que no son generados por investigaciones científicas. Algunos ejemplos son representaciones gráficas de datos para empresas, gobiernos, noticias y redes sociales.

Percepción y tecnología de interfaz

La tecnología y la percepción de interfaces muestran cómo las nuevas interfaces y una mejor comprensión de los problemas de percepción subyacentes crean nuevas oportunidades para la comunidad científica de visualización.

Representación de superficie

La renderización es el proceso de generar una imagen a partir de un modelo , mediante programas informáticos. El modelo es una descripción de objetos tridimensionales en un lenguaje o estructura de datos estrictamente definidos. Contendría información de geometría, punto de vista, textura , iluminación y sombreado . La imagen es una imagen digital o gráficos de trama de imagen . El término puede ser por analogía con la "interpretación de un artista" de una escena. 'Renderizado' también se usa para describir el proceso de cálculo de efectos en un archivo de edición de video para producir una salida de video final. Las técnicas de renderización importantes son:

Renderizado y rasterizado de líneas de exploración
Una representación de alto nivel de una imagen contiene necesariamente elementos en un dominio diferente al de los píxeles. Estos elementos se denominan primitivos. En un dibujo esquemático, por ejemplo, los segmentos de línea y las curvas pueden ser primitivos. En una interfaz gráfica de usuario, las ventanas y los botones pueden ser las primitivas. En el renderizado 3D, los triángulos y polígonos en el espacio pueden ser primitivos.
Fundición de rayos
El casting de rayos se usa principalmente para simulaciones en tiempo real, como las que se usan en juegos de computadora en 3D y animaciones de dibujos animados, donde los detalles no son importantes, o donde es más eficiente falsificar manualmente los detalles para obtener un mejor rendimiento en la etapa computacional. Este suele ser el caso cuando es necesario animar una gran cantidad de fotogramas. Las superficies resultantes tienen una apariencia 'plana' característica cuando no se utilizan trucos adicionales, como si los objetos en la escena estuvieran todos pintados con acabado mate.
Radiosidad
La radiosidad , también conocida como iluminación global, es un método que intenta simular la forma en que las superficies iluminadas directamente actúan como fuentes de luz indirecta que iluminan otras superficies. Esto produce un sombreado más realista y parece capturar mejor el " ambiente " de una escena interior. Un ejemplo clásico es la forma en que las sombras "abrazan" las esquinas de las habitaciones.
trazado de rayos
El trazado de rayos es una extensión de la misma técnica desarrollada en el renderizado de líneas de exploración y el casting de rayos. Como esos, maneja bien los objetos complicados y los objetos pueden describirse matemáticamente. A diferencia de la línea de exploración y el casting, el trazado de rayos es casi siempre una técnica de Monte Carlo, que se basa en promediar una cantidad de muestras generadas aleatoriamente a partir de un modelo.

Representación de volumen

La representación de volumen es una técnica que se utiliza para mostrar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D . Un conjunto de datos 3D típico es un grupo de imágenes de corte 2D adquiridas por un escáner de tomografía computarizada o resonancia magnética . Por lo general, estos se adquieren en un patrón regular (por ejemplo, un corte por milímetro) y generalmente tienen un número regular de píxeles de imagen en un patrón regular. Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, con cada elemento de volumen o vóxel representado por un valor único que se obtiene muestreando el área inmediata que rodea al vóxel.

Visualización de volumen

Según Rosenblum (1994) "la visualización de volumen examina un conjunto de técnicas que permiten ver un objeto sin representar matemáticamente la otra superficie. Inicialmente utilizada en imágenes médicas , la visualización de volumen se ha convertido en una técnica esencial para muchas ciencias, retratar fenómenos se ha convertido en una técnica esencial como como nubes, flujos de agua y estructura molecular y biológica. Muchos algoritmos de visualización de volumen son computacionalmente costosos y exigen un gran almacenamiento de datos. Los avances en hardware y software están generalizando la visualización de volumen, así como el rendimiento en tiempo real ".

Los desarrollos de tecnologías basadas en la web y la representación en el navegador han permitido una presentación volumétrica simple de un cuboide con un marco de referencia cambiante para mostrar datos de volumen, masa y densidad.

Aplicaciones

Esta sección ofrecerá una serie de ejemplos de cómo se puede aplicar la visualización científica en la actualidad.

En las ciencias naturales

Formación de estrellas : el gráfico presentado es un gráfico de volumen del logaritmo de la densidad de gas / polvo en una simulación de estrellas y galaxias Enzo. Las regiones de alta densidad son blancas, mientras que las regiones menos densas son más azules y también más transparentes.

Ondas gravitacionales : los investigadores utilizaron el kit de herramientas Globus para aprovechar el poder de múltiples supercomputadoras para simular los efectos gravitacionales de las colisiones de agujeros negros.

Explosiones masivas de supernovas estelares: En la imagen, cálculos hidrodinámicos de radiación tridimensional de explosiones masivas de supernovas estelares. El código de evolución estelar DJEHUTY se utilizó para calcular la explosión del modelo SN 1987A en tres dimensiones.

Representación molecular : las capacidades generales de trazado de VisIt se utilizaron para crear la representación molecular que se muestra en la visualización presentada. Los datos originales se tomaron del Protein Data Bank y se convirtieron en un archivo VTK antes de procesarlos.

En geografía y ecología

Visualización del terreno : VisIt puede leer varios formatos de archivo comunes en el campo de los Sistemas de Información Geográfica (GIS), lo que permite trazar datos ráster como datos de terreno en visualizaciones. La imagen presentada muestra un gráfico de un conjunto de datos DEM que contiene áreas montañosas cerca de Dunsmuir, CA. Las líneas de elevación se agregan al gráfico para ayudar a delinear los cambios de elevación.

Simulación de tornado : esta imagen fue creada a partir de datos generados por una simulación de tornado calculada en el clúster de computación IBM p690 de NCSA. Las animaciones de televisión de alta definición de la tormenta producidas en NCSA se incluyeron en un episodio de la serie de televisión de PBS NOVA llamado "Hunt for the Supertwister". El tornado se muestra mediante esferas coloreadas según la presión; Los tubos naranja y azul representan el flujo de aire ascendente y descendente alrededor del tornado.

Visualización del clima : esta visualización muestra el dióxido de carbono de diversas fuentes que se adveccionan individualmente como trazadores en el modelo de la atmósfera. El dióxido de carbono del océano se muestra como columnas durante febrero de 1900.

Anomalía atmosférica en Times Square En la imagen se visualizan los resultados del marco de simulación SAMRAI de una anomalía atmosférica en Times Square y sus alrededores.

Vista de un cubo 4D proyectado en 3D: proyección ortogonal (izquierda) y proyección en perspectiva (derecha).

En matemáticas

La visualización científica de estructuras matemáticas se ha llevado a cabo con el propósito de desarrollar la intuición y ayudar a la formación de modelos mentales.

Coloración del dominio de f ( x ) = ( x 2 −1) ( x −2− i ) 2/x 2 + 2 + 2 yo

Los objetos de dimensiones superiores se pueden visualizar en forma de proyecciones (vistas) en dimensiones inferiores. En particular, los objetos de 4 dimensiones se visualizan mediante proyección en tres dimensiones. Las proyecciones de dimensiones inferiores de objetos de dimensiones superiores se pueden utilizar para fines de manipulación de objetos virtuales, lo que permite manipular objetos 3D mediante operaciones realizadas en 2D y objetos 4D mediante interacciones realizadas en 3D.

En el análisis complejo , las funciones del plano complejo son intrínsecamente de 4 dimensiones, pero no hay una proyección geométrica natural en representaciones visuales de dimensiones inferiores. En cambio, la visión del color se explota para capturar información dimensional utilizando técnicas como la coloración de dominios .

En las ciencias formales

Mapeo computarizado de superficies topográficas : a través del mapeo computarizado de superficies topográficas, los matemáticos pueden probar teorías sobre cómo cambiarán los materiales cuando se estresan. Las imágenes son parte del trabajo en el Laboratorio de Visualización Electrónica financiado por NSF en la Universidad de Illinois en Chicago.

En gráficas : visita puede trazar curvas a partir de datos leídos de archivos y se pueden utilizar para extraer datos y la curva gráfica de conjuntos de datos de dimensiones superiores mediante operadores line-out o consultas. Las curvas de la imagen destacada corresponden a los datos de elevación a lo largo de las líneas dibujadas en los datos DEM y se crearon con la función de línea de características. Lineout le permite dibujar interactivamente una línea, que especifica una ruta para la extracción de datos. A continuación, los datos resultantes se trazaron como curvas.

Anotaciones de imagen : el gráfico presentado muestra el índice de área foliar (LAI), una medida de la materia vegetativa global, de un conjunto de datos NetCDF. La trama principal es la gran trama en la parte inferior, que muestra el LAI para todo el mundo. Los gráficos de la parte superior son en realidad anotaciones que contienen imágenes generadas anteriormente. Las anotaciones de imágenes se pueden utilizar para incluir material que mejore una visualización, como gráficos auxiliares, imágenes de datos experimentales, logotipos de proyectos, etc.

Diagrama de dispersión : Diagrama de dispersión de visita permite la visualización de datos multivariados de hasta cuatro dimensiones. El diagrama de dispersión toma múltiples variables escalares y las usa para diferentes ejes en el espacio de fase. Las diferentes variables se combinan para formar coordenadas en el espacio de fase y se muestran usando glifos y coloreadas usando otra variable escalar.

En las ciencias aplicadas

Modelo Porsche 911 ( modelo NASTRAN): el gráfico presentado contiene un gráfico de malla de un modelo Porsche 911 importado de un archivo de datos masivo NASTRAN. VisIt puede leer un subconjunto limitado de archivos de datos masivos NASTRAN, en general lo suficiente como para importar la geometría del modelo para su visualización.

Gráfica del avión YF-17 : la imagen presentada muestra gráficos de un conjunto de datos CGNS que representa un avión a reacción YF-17. El conjunto de datos consta de una cuadrícula no estructurada con solución. La imagen se creó mediante el uso de un diagrama de pseudocolor de la variable Mach del conjunto de datos, un diagrama de malla de la cuadrícula y un diagrama vectorial de un corte a través del campo Velocidad.

Representación de la ciudad : se leyó un archivo de forma ESRI que contenía una descripción poligonal de las huellas del edificio y luego se volvieron a muestrear los polígonos en una cuadrícula rectilínea, que se extruyó en el paisaje urbano destacado.

Tráfico entrante medido : esta imagen es un estudio de visualización del tráfico entrante medido en miles de millones de bytes en la red troncal NSFNET T1 para el mes de septiembre de 1991. El rango de volumen de tráfico se representa de púrpura (cero bytes) a blanco (100 mil millones de bytes). Representa datos recopilados por Merit Network, Inc.

Organizaciones

Laboratorios importantes en el campo son:

Las conferencias en este campo, clasificadas por importancia en la investigación científica en visualización, son:

Ver más: organizaciones de gráficos por computadora , instalaciones de supercomputación

Ver también

General
Publicaciones
Software

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos