Visualización científica

La visualización científica mediante gráficos por computadora ganó popularidad a medida que estos evolucionaron. Sus principales aplicaciones fueron los campos escalares y vectoriales provenientes de simulaciones por computadora, así como los datos medidos. Los métodos principales para visualizar campos escalares bidimensionales (2D) son el mapeo de color y el trazado de líneas de contorno . Los campos vectoriales 2D se visualizan mediante glifos y líneas de corriente o métodos de convolución de integrales de línea . Los campos tensoriales 2D a menudo se resuelven en un campo vectorial utilizando uno de los dos autovectores para representar el tensor en cada punto del campo, y luego se visualizan mediante métodos de visualización de campos vectoriales.

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

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 crearla mediante gráficos 3D , aunque los gráficos 2D todavía se utilizan ampliamente para necesidades estilísticas, de bajo ancho de banda y de renderizado en tiempo real más rápido . A veces, el objetivo de la animación es la propia computadora, pero otras veces es otro medio , como el cine . También se la conoce como CGI ( imágenes generadas por computadora ), especialmente cuando se utiliza en películas. Entre sus aplicaciones se encuentra la animación médica , que se utiliza comúnmente como herramienta didáctica para profesionales médicos o sus pacientes.

La simulación por computadora es un programa informático, 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, física computacional, química y biología; sistemas humanos en economía, psicología y ciencias sociales; y en el proceso de ingeniería y nuevas tecnologías, para obtener información sobre el funcionamiento de esos sistemas u observar su comportamiento. ^{[ 8 ]} La visualización y simulación simultáneas de un sistema se llama visualización .

Las simulaciones por computadora varían desde programas que se ejecutan en pocos minutos, hasta grupos de computadoras en red que funcionan durante horas, e incluso simulaciones continuas que se extienden durante meses. La escala de los eventos simulados por computadora ha superado con creces cualquier cosa posible (o quizás incluso imaginable) utilizando el modelado matemático tradicional con papel y lápiz : hace más de 10 años, una simulación de batalla en el desierto, en la que una fuerza invadía a otra, implicó el modelado de 66.239 tanques, camiones y otros vehículos en un terreno simulado alrededor de Kuwait , utilizando múltiples supercomputadoras del Programa de Modernización de Computación de Alto Rendimiento del Departamento de Defensa . ^{[ 9 ]}

La visualización de la 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 bibliográficas y de bibliotecas , redes de relaciones en internet , etc." ^{[ 2 ]}

La visualización de la información se centra en la creación de métodos para transmitir información abstracta de forma intuitiva. Las representaciones visuales y las técnicas de interacción aprovechan la amplia capacidad del ojo humano para acceder a la mente y permitir a los usuarios ver, explorar y comprender grandes cantidades de información simultáneamente. ^{[ 10 ]} La principal diferencia entre la visualización científica y la visualización de la información radica en que esta última se aplica a menudo a datos que no se generan mediante investigación científica. Algunos ejemplos son las representaciones gráficas de datos para empresas, gobiernos, noticias y redes sociales.

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 ]}

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. Contiene información sobre geometría, punto de vista, textura , iluminación y sombreado . La imagen es una imagen digital o una imagen de gráficos rasterizados . El término puede derivarse, por analogía, de la representación artística de una escena. El término «renderizado» también se utiliza para describir el proceso de cálculo de efectos en un archivo de edición de vídeo para producir el vídeo final. Las técnicas de renderizado más importantes son:

Renderizado por líneas de exploración y rasterización

Una representación de alto nivel de una imagen contiene necesariamente elementos de un dominio distinto al de los píxeles. Estos elementos se denominan primitivas. En un dibujo esquemático, por ejemplo, los segmentos de línea y las curvas pueden ser primitivas. En una interfaz gráfica de usuario, las ventanas y los botones pueden ser primitivas. En la renderización 3D, los triángulos y polígonos en el espacio pueden ser primitivas.

Ray casting

El trazado de rayos se utiliza principalmente en simulaciones en tiempo real, como las de videojuegos 3D y animaciones de dibujos animados, donde el nivel de detalle no es crucial o donde resulta más eficiente simularlo manualmente para obtener un mejor rendimiento computacional. Esto suele ocurrir cuando se requiere animar un gran número de fotogramas. Las superficies resultantes presentan una apariencia plana característica cuando no se utilizan técnicas adicionales, como si todos los objetos de la escena tuvieran un acabado mate.

Radiosidad

La radiosidad , también conocida como iluminación global, es un método que intenta simular cómo 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 cómo las sombras se aferran a las esquinas de las habitaciones.

trazado de rayos

El trazado de rayos es una extensión de la misma técnica desarrollada en el renderizado por líneas de exploración y el trazado de rayos. Al igual que estas, maneja bien los objetos complejos, los cuales pueden describirse matemáticamente. A diferencia del renderizado por líneas de exploración y el trazado de rayos, el trazado de rayos es casi siempre una técnica de Monte Carlo, es decir, una que se basa en promediar varias muestras generadas aleatoriamente a partir de un modelo.

La renderización volumétrica es una técnica que se utiliza para mostrar una proyección bidimensional de un conjunto de datos tridimensionales muestreados discretamente . Un conjunto de datos tridimensionales típico consiste en un grupo de imágenes de cortes bidimensionales adquiridas mediante un escáner de tomografía computarizada ( TC) o resonancia magnética (RM ). Generalmente, estas imágenes se adquieren siguiendo un patrón regular (por ejemplo, un corte cada milímetro) y suelen tener un número regular de píxeles . Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, donde cada elemento de volumen, o vóxel, está representado por un único valor que se obtiene al muestrear el área inmediata que lo rodea.

Según Rosenblum (1994), "la visualización volumétrica examina un conjunto de técnicas que permiten observar un objeto sin representar matemáticamente su superficie. Inicialmente utilizada en imágenes médicas , la visualización volumétrica se ha convertido en una técnica esencial para muchas ciencias, como la representación de fenómenos como nubes, flujos de agua y estructuras moleculares y biológicas. Muchos algoritmos de visualización volumétrica son computacionalmente costosos y requieren un gran almacenamiento de datos. Los avances en hardware y software están generalizando la visualización volumétrica, así como su rendimiento en tiempo real".

Los avances en tecnologías web y la representación en el navegador han permitido una presentación volumétrica sencilla de un cuboide con un marco de referencia cambiante para mostrar datos de volumen, masa y densidad. ^{[ 11 ]}

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  Formación estelar ^{[ 13 ]}
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  Ondas gravitacionales ^{[ 14 ]}
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  Explosiones de supernovas de estrellas masivas
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  Representación molecular

Formación estelar : El gráfico que se muestra representa el volumen del logaritmo de la densidad de gas/polvo en una simulación de la estrella y la galaxia Enzo. Las regiones de alta densidad se muestran en blanco, mientras que las regiones menos densas son más azules y transparentes.

Ondas gravitacionales : Los investigadores utilizaron el conjunto de herramientas Globus para aprovechar la potencia de múltiples supercomputadoras y simular los efectos gravitacionales de las colisiones de agujeros negros.

Explosiones de supernovas de estrellas masivas : En la imagen, cálculos de hidrodinámica de radiación tridimensionales de explosiones de supernovas de estrellas masivas. Se utilizó el código de evolución estelar DJEHUTY para calcular la explosión del modelo SN 1987A en tres dimensiones.

Representación molecular : Se utilizaron las capacidades generales de representación gráfica de VisIt para crear la representación molecular que se muestra en la visualización destacada. Los datos originales se obtuvieron del Protein Data Bank y se convirtieron a un archivo VTK antes de la representación.

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  Renderizado del terreno
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  Visualización del clima ^{[ 15 ]}
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  Anomalía atmosférica en Times Square

Visualización del terreno : VisIt puede leer varios formatos de archivo comunes en el campo de los Sistemas de Información Geográfica (SIG), lo que permite representar datos ráster, como datos de terreno, en visualizaciones. La imagen destacada muestra un gráfico de un conjunto de datos DEM que contiene áreas montañosas cerca de Dunsmuir, California. Se han añadido líneas de elevación al gráfico para ayudar a delimitar los cambios de elevación.

Simulación de tornado : Esta imagen se creó a partir de datos generados por una simulación de tornado calculada en el clúster de computación IBM p690 del NCSA. Animaciones de televisión de alta definición de la tormenta, producidas en el NCSA, se incluyeron en un episodio de la serie de televisión NOVA de PBS titulado "En busca del supertornado". El tornado se muestra mediante esferas coloreadas según la presión; los tubos naranjas y azules representan el flujo de aire ascendente y descendente alrededor del tornado.

Visualización climática : Esta visualización representa el dióxido de carbono de diversas fuentes que se transportan individualmente como trazadores en el modelo atmosférico. 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.

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. ^{[ 16 ]}

Los objetos de dimensiones superiores pueden visualizarse mediante proyecciones (vistas) en dimensiones inferiores. En particular, los objetos de cuatro dimensiones se visualizan mediante proyección en tres dimensiones. Las proyecciones de dimensiones inferiores de objetos de dimensiones superiores pueden utilizarse para la manipulación virtual de objetos, permitiendo manipular objetos 3D mediante operaciones realizadas en 2D ^{[ 17 ] y objetos 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 hacia representaciones visuales de menor dimensión. En cambio, se aprovecha la visión del color para capturar información dimensional mediante técnicas como la coloración de dominio .

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  Gráficos de curvas
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  Anotaciones de imágenes
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  Diagrama de dispersión

Mapeo computarizado de superficies topográficas : Mediante el mapeo computarizado de superficies topográficas, los matemáticos pueden poner a prueba teorías sobre cómo cambian los materiales al ser sometidos a tensión. Esta técnica de imagen forma parte del trabajo del Laboratorio de Visualización Electrónica, financiado por la NSF, en la Universidad de Illinois en Chicago.

Gráficos de curvas : VisIt puede generar curvas a partir de datos leídos de archivos y extraer y graficar datos de curvas de conjuntos de datos multidimensionales mediante operadores de trazado de líneas o consultas. Las curvas de la imagen principal corresponden a datos de elevación a lo largo de líneas trazadas sobre datos DEM y se crearon con la función de trazado de líneas. Esta función permite dibujar una línea de forma interactiva, especificando así la ruta para la extracción de datos. Los datos resultantes se graficaron como curvas.

Anotaciones de imagen : El gráfico principal muestra el Índice de Área Foliar (IAF), una medida de la materia vegetal global, a partir de un conjunto de datos NetCDF. El gráfico principal es el gráfico grande en la parte inferior, que muestra el IAF para todo el mundo. Los gráficos superiores son en realidad anotaciones que contienen imágenes generadas previamente. Las anotaciones de imagen se pueden usar 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. Este diagrama toma múltiples variables escalares y las utiliza para diferentes ejes en el espacio de fases. Las distintas variables se combinan para formar coordenadas en el espacio de fases, que se muestran mediante glifos y se colorean utilizando otra variable escalar.

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  Modelo Porsche 911
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  Plano del avión YF-17
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  Representación de la ciudad

Modelo Porsche 911 (modelo NASTRAN): El gráfico mostrado contiene una representación 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, generalmente suficiente para importar la geometría del modelo para su visualización.

Gráfico del avión YF-17 : La imagen destacada muestra gráficos de un conjunto de datos CGNS que representa un avión a reacción YF-17. El conjunto de datos consiste en 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 una sección transversal del campo de velocidad.

Representación de la ciudad : Se leyó un archivo shapefile de ESRI que contenía una descripción poligonal de las huellas de los edificios y, a continuación, los polígonos se remuestrearon en una cuadrícula rectilínea, que se extruyó para crear el paisaje urbano representado.

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 durante el mes de septiembre de 1991. El rango de volumen de tráfico se representa desde el color púrpura (cero bytes) hasta el blanco (100 mil millones de bytes). Representa datos recopilados por Merit Network, Inc. ^{[ 19 ]}