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可视化

/visualization/
条目作者张绍祥

张绍祥

最后更新 2024-11-24
浏览 256
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包括知识可视化、科学可视化、信息可视化,是数字解剖学的核心技术。

英文名称
visualization
所属学科
现代医学

可将人体的形态结构、知识、数据以图形、图像或动画等视觉的形式展示出来,其目的是从原始数据中抽取可视知识,传递认知的信息。利用可视化技术可使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作,与计算机直接交流;可赋予人们一种仿真的、三维的,并且具有实时交互的能力,这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。可视化技术使得人们能利用计算机来观察人体内部的解剖结构,并由此出现了一大批虚拟解剖教学系统;医生可以从患者的三维扫描图像分析患者的病灶,使得临床数字化医疗设备得到快速发展。通过可视化技术可以将图像中的隐含信息以直观、可视的方式传递给人们。

针对大数据场处理的问题,美国国家科学基金会[注]的科学计算小组于1986年10月提出了科学计算可视化[注],简称可视化。这是一种特殊的计算方法,它把数值或符号转换为几何图像或图形,使研究者能观察其模型和计算过程,并进行交互控制。可视化技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉和人机交互技术等多个领域,同“理论-实验-计算”三种科学方法一样被广泛应用于科学研究中。可视化的实质是运用计算机图形学和图像处理技术,将科学计算过程中产生的数据与计算结果转换为在计算机上能显示,并能交互式处理的图像,其核心是对三维数据场的可视化,已广泛应用于医学、气象、地质勘探、分子生物学、工程技术、艺术、辅助设计等多个领域。

可视化的对象既包括具有空间信息的数据,如人体的器官结构,也包括无形态特征的数据,如人体结构的知识描述、神经冲动的传递过程等。可视化的目的是从原始数据中抽取可视知识,传递认知的信息。对空间数据的可视化通常称为体视化[注]技术,对实验数据、符号信息等无几何形状的数据的可视化称为信息可视化[注]

可视化包括交互性、多维性、可视性三个关键特征。①交互性。用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。②多维性。可以看到表示对象或事件数据的多个属性或变量,而数据可以按其每一维的值,将其分类、排序、组合和显示。③可视性。数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画显示,并可对其模式和相互关系进行可视化分析。

可视化的实现通常包含4个步骤:①过滤。对原始数据进行预处理,可以转换数据形式、滤掉噪声、抽取感兴趣的数据等。②映射。将过滤得到的数据映射为几何元素,常见的几何元素有点、线、面图元、三维体图元和更高维的特征图标等。③绘制。几何元素绘制,得到结果图像。④反馈。显示图像,并分析得到的可视结果。4个步骤是一个周而复始、求准求精的过程。

可视化技术是计算机图形学的范畴,在计算机领域更关注可视化的基本原理、技术,而数字解剖学领域更关注可视化技术在解剖学中的应用,即软件系统、系统开发平台和系统集成。比较常用的医学三维重建与可视化软件系统有Mimics、Amira等。可视化系统开发平台主要是一些针对图形、图像的开发库,如VTK、MITK、OpenGL、Open Inventor、Unity3D等,这些图形开发库是虚拟解剖教学系统开发的基本工具。构建数字解剖模型的核心技术是计算机三维重建技术,主要包括体绘制和面绘制两大类技术。人体内部形态结构的数据来源通常是一系列连续的低维(如二维的CT连续断层图像、一维的人体生长等)的医学数据,采用一定的三维重建算法可还原成数据源本身的形态,以进行定性、定量分析,并以视觉的方式展示其形态结构。可视化具有交互性、多维性和可视性的特点,这些特点的具体体现和良好展示正是可视化技术发展的重点,也是数字解剖学发展的基础。

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