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visualización científica

Una visualización científica de una simulación de una inestabilidad de Rayleigh-Taylor causada por dos fluidos mezclados. [1]
Representación superficial de granos de polen de Arabidopsis thaliana con microscopio confocal .

La visualización científica ( también escrita como visualización científica ) es una rama interdisciplinaria de la ciencia que se ocupa de la visualización de fenómenos científicos. [2] También se considera un subconjunto de la infografía , una rama de la informática. El propósito de la visualización científica es ilustrar gráficamente datos científicos para permitir a los científicos comprender, ilustrar y obtener información 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. [3] [4]

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 . [5] Esto prefiguró las técnicas modernas de visualización científica que utilizan gráficos por computadora . [6]

Los primeros ejemplos bidimensionales notables incluyen el mapa de flujo de la Marcha de Napoleón sobre Moscú producido por Charles Joseph Minard en 1869; [2] los "coxcombs" utilizados por Florence Nightingale en 1857 como parte de una campaña para mejorar las condiciones sanitarias en el ejército británico; [2] y el mapa de puntos utilizado por John Snow en 1855 para visualizar el brote de cólera de Broad Street . [2]

Métodos de visualización de datos.

Criterios de clasificación:


Conjuntos de datos bidimensionales

La visualización científica mediante gráficos por computadora ganó popularidad a medida que los gráficos maduraron. 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 mediante glifos y líneas de corriente o métodos de convolución integral de línea . Los campos tensoriales 2D a menudo se resuelven en un campo vectorial utilizando uno de los dos vectores propios para representar el tensor en cada punto del campo y luego se visualizan utilizando métodos de visualización de campos vectoriales.

Conjuntos de datos tridimensionales

Para campos escalares 3D, los métodos principales son la representación de volúmenes y las isosuperficies . Los métodos para visualizar campos vectoriales incluyen glifos (iconos gráficos) como flechas, líneas de corriente y líneas de rayas , rastreo de partículas, convolución integral de línea (LIC) y métodos topológicos. Posteriormente, se desarrollaron técnicas de visualización como las hipertransmisiones [7] para visualizar campos tensoriales 2D y 3D.

Temas

Proyección de máxima intensidad (MIP) de una exploración 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 .
Exploración topográfica 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 usan ampliamente para necesidades estilísticas, de bajo ancho de banda y de renderizado más rápido en tiempo real . A veces el objetivo de la animación es la propia computadora, pero otras veces el objetivo es otro medio , como una película . También se le 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 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 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 nuevas tecnologías, obtener información sobre el funcionamiento de esos sistemas u observar su comportamiento. [8] La visualización y simulación simultánea de un sistema se llama visualización.

Las simulaciones por computadora varían desde programas de computadora que se ejecutan durante unos minutos, hasta grupos de computadoras basadas en red que se ejecutan durante horas y simulaciones continuas que se ejecutan durante meses. La escala de los acontecimientos que se simulan mediante simulaciones por ordenador ha superado con creces todo lo posible (o quizás incluso imaginable) utilizando los modelos matemáticos tradicionales de papel y lápiz : hace más de 10 años, una simulación de batalla en el desierto, en la que una fuerza invadía a otra, implicaba 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 . [9]

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 , bases de datos bibliotecarias y bibliográficas , redes de relaciones en Internet , etc.". [2]

La visualización de información se centró en la creación de enfoques para transmitir información abstracta de manera intuitiva. Las representaciones visuales y las técnicas de interacción aprovechan el amplio ancho de banda del ojo humano hacia la mente para permitir a los usuarios ver, explorar y comprender grandes cantidades de información a la vez. [10] La diferencia clave entre la visualización científica y la visualización de información es que la visualización de información a menudo se aplica a datos que no son generados por la investigación científica. Algunos ejemplos son representaciones gráficas de datos para empresas, gobiernos, noticias y redes sociales.

Tecnología de interfaz y percepción.

La tecnología de interfaz y la percepción muestran cómo las nuevas interfaces y una mejor comprensión de los problemas perceptivos subyacentes crean nuevas oportunidades para la comunidad de visualización científica. [11]

Representación de superficie

El renderizado 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 una imagen de gráficos rasterizados . El término puede ser por analogía con la "representación artística" de una escena. 'Renderizado' también se utiliza para describir el proceso de calcular efectos en un archivo de edición de video para producir la salida de video final. Las técnicas de renderizado importantes son:

Representación y rasterización 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
Ray casting se utiliza principalmente para simulaciones en tiempo real, como las que se utilizan 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 todos los objetos de la escena estuvieran pintados con un 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 indirectas que iluminan otras superficies. Esto produce sombras más realistas 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 renderizado de líneas de exploración y fundición de rayos. Como éstos, maneja bien objetos complicados y los objetos pueden describirse matemáticamente. A diferencia de scanline y casting, el trazado de rayos es casi siempre una técnica de Monte Carlo, es decir, una 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 utilizada 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 cortes 2D adquiridas mediante un escáner CT o MRI . Por lo general, estos se adquieren en un patrón regular (por ejemplo, un corte cada milímetro) y normalmente 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 volúmenes examina un conjunto de técnicas que permiten visualizar un objeto sin representar matemáticamente la otra superficie. Inicialmente utilizada en imágenes médicas , la visualización de volúmenes se ha convertido en una técnica esencial para muchas ciencias, retratar fenómenos se convierte en una técnica esencial como como nubes, flujos de agua y estructuras moleculares y biológicas. Muchos algoritmos de visualización de volúmenes son computacionalmente costosos y exigen un gran almacenamiento de datos. Los avances en hardware y software están generalizando la visualización de volúmenes, así como el rendimiento en tiempo real".

Los desarrollos de tecnologías basadas en 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. [11]

Aplicaciones

Esta sección brindará una serie de ejemplos de cómo se puede aplicar la visualización científica en la actualidad. [12]

en las ciencias naturales

Formación estelar : El gráfico presentado es un gráfico de volumen del logaritmo de la densidad del gas/polvo en una simulación de galaxia y estrella 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 de supernovas de estrellas masivas : En la imagen, cálculos tridimensionales de hidrodinámica de radiación de explosiones de supernovas de estrellas masivas. 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 banco de datos de proteínas y se convirtieron en un archivo VTK antes de renderizarlos.

En geografía y ecología

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

Simulación de tornado : esta imagen se creó a partir de datos generados por una simulación de tornado calculada en el clúster informático IBM p690 de NCSA. Las animaciones televisivas de alta definición de la tormenta producidas en NCSA se incluyeron en un episodio de la serie de televisión NOVA de PBS llamado "Hunt for the Supertwister". El tornado se muestra mediante esferas que se colorean 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 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 fin de desarrollar la intuición y ayudar a la formación de modelos mentales. [dieciséis]

Coloración de dominio de f ( x ) =( x 2 −1)( x −2− yo ) 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 con fines de manipulación de objetos virtuales, permitiendo que los objetos 3D sean manipulados mediante operaciones realizadas en objetos 2D, [17] y 4D mediante interacciones realizadas en 3D. [18]

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

En las ciencias formales

Mapeo por computadora de superficies topográficas : a través del mapeo por computadora de superficies topográficas, los matemáticos pueden probar teorías sobre cómo cambiarán los materiales cuando se esfuerzan. La imagen es parte del trabajo del Laboratorio de Visualización Electrónica de la Universidad de Illinois en Chicago, financiado por la NSF.

Trazados de curvas : VisIt puede trazar curvas a partir de datos leídos de archivos y puede usarse para extraer y trazar datos de curvas de conjuntos de datos de dimensiones superiores mediante consultas o operadores de líneas. Las curvas en la imagen presentada corresponden a datos de elevación a lo largo de líneas dibujadas en datos DEM y se crearon con la capacidad de trazado de líneas de características. Lineout le permite dibujar interactivamente una línea, que especifica una ruta para la extracción de datos. Luego los datos resultantes se trazaron como curvas.

Anotaciones de imágenes : el gráfico presentado muestra el índice de área foliar (LAI), una medida de la materia vegetativa global, de un conjunto de datos NetCDF. El gráfico principal es el gráfico grande en la parte inferior, que muestra el LAI para todo el mundo. Los gráficos de arriba 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 : El diagrama de dispersión de VisIt permite visualizar 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 mediante glifos y se colorean mediante 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 masivos de NASTRAN. VisIt puede leer un subconjunto limitado de archivos de datos masivos de NASTRAN, en general lo suficiente como para importar la geometría del modelo para su visualización.

Trama 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 utilizando un gráfico de pseudocolor de la variable Mach del conjunto de datos, un gráfico de malla de la cuadrícula y un gráfico 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 presentado.

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 desde el violeta (cero bytes) al blanco (100 mil millones de bytes). Representa datos recopilados por Merit Network, Inc. [19]

Organizaciones

Los laboratorios importantes en el campo son:

Las conferencias en este campo, clasificadas según su importancia en la investigación de la visualización científica, [20] son:

Ver más: Organizaciones de gráficos por computadora , Instalaciones de supercomputación

Ver también

General
Publicaciones
Software

Referencias

  1. ^ Visualizaciones que se han creado con VisIt. en wci.llnl.gov. Actualizado: 8 de noviembre de 2007
  2. ^ abcde Michael amigable (2008). "Hitos en la historia de la cartografía temática, la gráfica estadística y la visualización de datos".
  3. ^ Mason, Betsy (12 de noviembre de 2019). "Por qué los científicos deben ser mejores en la visualización de datos". Revista Conocible . doi : 10.1146/conocible-110919-1 . S2CID  209062044.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace )
  4. ^ O'Donoghue, Seán I.; Baldi, Benedetta Frida; Clark, Susan J.; Querido, Aaron E.; Hogan, James M.; Kaur, Sandeep; Maier-Hein, Lena; McCarthy, Davis J.; Moore, William J.; Stenau, Esther; Swedlow, Jason R.; Vuong, Jenny; Procter, James B. (20 de julio de 2018). "Visualización de Datos Biomédicos". Revisión anual de la ciencia de datos biomédicos . 1 (1): 275–304. doi :10.1146/annurev-biodatasci-080917-013424. hdl : 10453/125943 . S2CID  199591321 . Consultado el 25 de junio de 2021 .
  5. ^ James Clerk Maxwell y PM Harman (2002), Las cartas y artículos científicos de James Clerk Maxwell, volumen 3; 1874–1879 , Cambridge University Press, ISBN 0-521-25627-5 , pág. 148. 
  6. ^ Thomas G. West (febrero de 1999). "Imágenes y reversos: James Clerk Maxwell, trabajando en arcilla húmeda". Gráficos por computadora ACM SIGGRAPH . 33 (1): 15-17. doi :10.1145/563666.563671. S2CID  13968486.
  7. ^ Delmarcelle, T; Hesselink, L. (1993). "Visualización de campos tensoriales de segundo orden con hiperlíneas". Aplicaciones y gráficos por computadora IEEE . 13 (4): 25–33. doi : 10.1109/38.219447. hdl : 2060/19950012873 . S2CID  7698377.
  8. ^ Steven Strogatz (2007). "El fin de la percepción". En: ¿Cuál es tu idea peligrosa? John Brockman (ed.). HarperCollins.
  9. ^ "Los investigadores realizan la simulación militar más grande jamás realizada". (noticias), Jet Propulsion Laboratory , Caltech , diciembre de 1997.
  10. ^ James J. Thomas y Kristin A. Cook (Ed.) (2005). Iluminando el camino: la agenda de I+D para el análisis visual Archivado el 29 de septiembre de 2008 en Wayback Machine . Centro Nacional de Visualización y Análisis. p.30
  11. ^ ab Lawrence J. Rosenblum (ed.) (1994). Visualización Científica: Avances y desafíos . Prensa académica.
  12. ^ Todos los ejemplos, tanto imágenes como texto aquí, a menos que se proporcione otra fuente, son del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), del sitio web de LLNL, obtenido del 10 al 11 de julio de 2008.
  13. ^ Los datos utilizados para crear esta imagen fueron proporcionados por Tom Abel Ph.D. y Matthew Turk del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas.
  14. ^ COLISIONES DE AGUJEROS NEGROS Los creadores del software Globus, Ian Foster, Carl Kesselman y Steve Tuecke. Publicación verano 2002.
  15. ^ Imagen cortesía de Forrest Hoffman y Jamison Daniel del Laboratorio Nacional Oak Ridge
  16. ^ Andrew J. Hanson , Tamara Munzner , George Francis: métodos interactivos para geometría visualizable , Computadora, vol. 27, núm. 7, págs. 73–83 (resumen)
  17. ^ Andrew J. Hanson : navegación 3D restringida con controlador 2D , Visualization '97., Actas, 24 de octubre de 1997, págs. 175-182 (resumen)
  18. ^ Hui Zhang, Andrew J. Hanson : visualización háptica 4D basada en sombras , IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 13, núm. 6, págs. 1688-1695 (resumen)
  19. ^ Imagen de Donna Cox y Robert Patterson. Comunicado de prensa 08-112 de la Fundación Nacional de Ciencias.
  20. ^ Kosara, Robert (11 de noviembre de 2013). "Una guía para la calidad de diferentes lugares de visualización". Ojos ansiosos . Consultado el 7 de abril de 2017 .

Otras lecturas

enlaces externos

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