《数据可视化技术》课件-第3章 可视化原理与过程

第3章可视化原理与过程学习目标了解数据可视化的原理和过程

学习数据可视化模型构建的内在原理和方法2025/2/192内容

3.1可视化场景

3.2可视化模型

3.3可视化管线2025/2/1933.1.1建模方法计算机图形学是通过数学方法模拟出来点、线、面等不同的形状。

数据可视化的建模方法则启动了完全不同的作用，它并不需要重新创建计算机中图形展示的几何效果，而是直接利用计算机图形学所提供的功能即可直接实现该功能，数据可视化算法则侧重于计算要实现对数据进行生动、活泼的展示，究竟该如何选取具体的表现形式。2025/2/1943.1.2场景与演员在早期的数据可视化案例中，场景构建是通过人工设计和绘制的方法手工建立，而当今的数据可视化技术就是要通过算法将颜色、光照、视角、坐标系等基本元素综合起来，形成一种数据展示的场景（scene）。

而场景中的可视化内容就充当了演员（actor）的作用。2025/2/1953.1.2场景与演员对于三维可视化问题，就必须为场景和演员进行立体化建模，形成具有长、宽、高的立体化场景。2025/2/1963.1.3图形硬件

2025/2/197图3-1-2光线追踪算法的原理图3.1.3图形硬件完成可视化场景的渲染以后，就需要通过计算机图形的方法来实现其具体的显示。将显示图像通过光栅设备进行呈现。具体的显示图形需要转换为像素，并结合显示器等设备的分辨率形成具有一定精度的呈现结果。2025/2/1983.1.3图形硬件隐藏面消除算法，典型的如画家算法，又称为画家排序2025/2/199

Z缓冲（z-Buffering）算法也是一种隐藏面消除算法，采用坐标系中的z值，也就是沿着投影方向的深度值。内容

3.1可视化场景

3.2可视化模型

3.3可视化管线2025/2/19103.2.1数据源可视化系统将所加载的原始数据所储存的空间，或者说原始数据的表示就是数据源。如何实现有效和有意义的可视化，还有很多后续的处理步骤需要完成。2025/2/19113.2.2数据滤波数据源所提供的数据与最终的可视化目标往往具有较大的差别，必须进行若干中间处理过程，这些中间处理过程在数据可视化系统中称为数据滤波器，简称滤波器。2025/2/19123.2.2数据滤波

2025/2/1913图3-2-1数据滤波器的工作原理（左：单一类型的数据滤波器（输入类型=输出类型）；右：多个类型的数据滤波器（需要验证输入类型是否能够与输出类型相兼容）程序3-2-1利用点状图形滤波器（VertexGlyph）处理三维空间点2025/2/1914

3.2.3可视化处理数据滤波器会负责按照可视化效果要求，进行数据处理，这就要求其必须考虑到最终的展示效果，并结合其效果所对应的数据模型进行输入数据的处理，并生成可用于构建该模型的数据。

而可视化处理过程则以数据滤波器的输出作为输入，构建起具体的可视化场景，并完成演员的布置和渲染。2025/2/1915程序3-2-2利用正多边形滤波器（RegularPolygon）实现空间点数据的可视化

2025/2/1916程序3-2-2利用正多边形滤波器（RegularPolygon）实现空间点数据的可视化

2025/2/1917图3-2-5在三维场景下利用立方体滤波器生成的平面图形（左图为初始状态，右图为进行三维空间旋转后的效果）通过采用不同滤波器得到不同的结果内容

3.1可视化场景

3.2可视化模型

3.3可视化管线2025/2/19183.3.1概念通过可视化管线，可以实现数据源、滤波器和可视化处理等三个组成部分的网状连接。

数据可视化的数据源往往并非只有一个，多个数据源作为输入，在同一个可视化场景中呈现效果才是当前大数据等应用场合的主要选择。

必须为不同的数据源选配相应的滤波器，再加上可视化处理步骤，就会构成一个复杂的可视化网络连接效果。2025/2/19193.3.1概念

2025/2/1920图3-3-1可视化管线的工作原理3.3.2管线视图

Mayavi是以VTK为基础，用于科学计算的交互式可视化平台。其可视化的底层实现通过VTK方法来完成，因此在可视化管线的底层工作逻辑方面与VTK保持一致。在数据模型构建方面，Mayavi又重新整理和组合里一些模型关系，使得滤波模型和可视化场景的构建更加方便。利用Mayavi，可以直观地查看可视化管线的视图，方便进行可视化流程和结果的查看。在mlab中可以通过show_pipeline()函数直接在程序中实现管线视图的调用，也可以在Mayavi程序运行后，手动在运行界面中启动管线视图。2025/2/1921程序3-3-1在程序代码中启动管线视图

2025/2/19223.3.3通过管线选取滤波器管线方法是VTK进行可视化流程的核心要素，通过管线组织各类可视化功能模块之间的相互调用关系。Mayavi可视化平台在VTK可视化功能的基础之上进行了单独的包装，其中mlab是Mayavi提供的用于方便引用各类可视化功能的公共接口模块。

利用mlab可以直接引用一个独立的pipeline对象，可用于直接访问内部的数据源、过滤器等内部处理模块。2025/2/1923程序3-3-2利用正多边形滤波器（RegularPolygon）实现空间点数据的可视化

2025/2/1924程序3-3-2利用正多边形滤波器（RegularPolygon）实现空间点数据的可视化

2025/2/1925图3-3-3Delaunay三角网滤波器所形成的曲面（左：二维Delaunay三角网滤波；右：三维Delaunay三角网滤波）总结管线模型是实现三维可视化的一种通用作法，它通过管线来组织可视化过程中的