5.1可视化技术
随着信息技术的不断发展和网络应用的日益广泛，信息源越来越庞大。海量的处理信息，已经远远超出了人脑分析解释这些数据的能力。由于缺乏大量数据的有效分析手段，大约有95％的计算被浪费，这严重阻碍了科学研究的进展。为此，美国计算机成像专业委员会提出了解决方法———可视化。可视化把数据转换成图形，可以解释大量数据给予人们深刻与意想不到的洞察力，在很多领域使科学家的研究方式发生了根本变化可视化技术作为最有效的手段而率先被科学与工程计算领域采用，并发展为当前热门的研究领域。一般说来，可视化技术包括空间数据场的可视化和非空间数据的可视化，空间数据的可视化技术显示的对象涉及标量、矢量和张量等不同类别的空间数据，研究的重点放在如何真实、快速地显示三维数据场；而非空间可视化技术，显示的对象主要是多维的标量数据。
科学可视化的主要过程是建模和渲染。建模是把数据映射成物体的几何图元。渲染是把几何图元描绘成图形或图像。渲染是绘制真实感图形的主要技术。严格地说，渲染就是根据基于光学原理的光照模型计算物体可见面投影到观察者眼中的光亮度大小和色彩的组成，并把它转换成适合图形显示设备的颜色值，从而确定投影画面上每一像素的颜色和光照效果，最终生成具有真实感的图形。真实感图形是通过物体表面的颜色和明暗色调来表现的，它和物体表面的材料性质、表面向视线方向辐射的光能有关，计算复杂，计算量很大。因此工业界投入很多力量来开发渲染技术。
5.1.1一维信息可视化
一维信息是简单的线性信息，如文本，或者一列数字。最通常的一维信息可能就是文本文献了。在很多情况下，可视化文本文献不是必要的，因为它们可以容易地被完整阅读，或者阅读所需要的特定部分。然而，在某些情况下，我们需要借助可视化技术增加文本信息的有效性。在美国，MIT的可视化语言工作组曾进行了一个“虚拟莎士比亚项目（Virtual Shake-speare Project）”，对莎士比亚的剧本进行可视化表示，从而帮助用户对它们更好地利用和更深入的理解。
5.1.2二维信息可视化
在可视化技术中，二维信息是指包括两个主要属性的信息。宽度和高度可以描述事物的大小，事物在X轴和Y轴的位置表示了它在空间的定位。城市地图和建筑平面图都属于二维信息可视化。最常见的二维信息可视化是地理信息系统（GIS）。
地理空间信息主要涉及高度和宽度两个二维属性，在人类活动及生产实践过程中起着非常重要的作用，从近万年前人类打猎前的路线规划到今天的交通自动导航，以图形方式呈现的空间信息极大地促进了人们对周围空间的认知乃至感知。地图是空间信息最早的可视化方式，它在古代交通、军事以及其他各种生产和社会实践中发挥着重要的作用。到目前为止，地图仍然是人类直观认识自然的最好地理空间信息可视化是信息可视化中重要的技术，涉及大多数国民经济的行业，已经有广泛的应用。随着计算机技术的发展，地图在一定程度上逐渐被地理信息系统（GIS）所取代，制图学问题在一定程度转变为GIS中的可视化问题。在GIS中，可视化概念要早于科学计算可视化的提出，可视化问题是GIS中一个非常重要的问题，有人甚至提出空间信息的可视化可以被看作是数字时代的地图学。商业GIS系统长时间来被用于智慧城市建设中的区域规划、交通规划和管理、天气预报以及绘图。简单的GIS以个性化地图的方式应用在WWW上相当的普遍，这些地图用来显示响应一个搜索引擎提问的地址的定位。
5.1.3三维信息可视化
从认知角度出发，现实世界是一个三维空间。三维信息可视化就是在二维信息的基础上引入体积的概念。使用计算机将现实世界表达成三维模型，三维信息可视化不再以符号化为主，而是以对现实世界的仿真手段为主。人们已经初步实现了对地理环境的真实仿真，这种仿真能较好地重现现实景观。常用的仿真技术有三维电子地图，直接利用已有二维空间数据库的空间数据，通过添加少量的空间信息，将现实环境中的主要实体表达成简单的几何形体，形成具有一定直观性的三维地图。如果再给这些几何形体粘贴纹理图像，则形成具有一定逼真度的三维地图。在商业领域，广为人们熟悉的是动画与电影的制作，自然景观模拟的可视化达到了极好的水平。另外，在城市规划、环境、数据可视化等等方面有着广泛的运用。近年来，三维地理信息系统（3DGIS）的研究在城市领域的发展非常迅速，代表性的研究方向即是人们比较熟悉的数字城市模型，借以实现研究区域的真实环境再现以及规划环境的预见。国内外在这一方面已经有一系列代表性的成果，在城市小区建筑景观模拟、城市发展规划设计等方面有着广泛的应用。
5.1.4多维信息可视化
多维信息是指在信息可视化环境中的那些具有超过3个属性的信息，在可视化中，这些属性的重要性是相当重要的。例如，关于某地所有房屋的价值和它们的地址数据的一个清单（一维数据），可以按照价值排序；也可以创建一个测度，用点的大小来表示房子的相对价值，并且将点放置在地图上来表示它们的位置（二维数据）。但是，如果还有其他关于房子的信息，比如卧室数量、年代、面积等，这些是二维空间可视化中的次要信息。但是，如果有一个数据库，它包括了房子的一系列属性，我们的目的是使得用户可以根据任何一个房屋属性来给房子排序，这就是多维数据了。
5.1.5可视化技术应用领域
可视化技术的应用十分广泛，几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信和商业等各种领域。下面举例说明几个数据可视化成功应用的领域。
1.医学
医学数据的可视化，已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一。由于近代非侵入诊断技术如CT、MRI和正电子放射断层扫描（PET）的发展，医生已经可以较易获得病人有关部位的一组二维断层图像。CT打破传统的胶片感光成像模式，通过计算机重构人体器官或组织的图像，使医学图像从二维走向三维，使人们从人体外部可以看到内部。pet把核技术与计算机技术结合起来。经核素标记的示踪剂注入人体后，核素衰变过程中产生的正电子湮灭通过电子检测和计算机重构成像，使我们可以得到人体代谢或功能图像。在此基础上，利用可视化软件，对上述多种模态的图像进行图像融合，可以准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状，以及它与周围生物组织之间的空间关系，从而及时高效地诊断疾病。
2.气象预报
气象预报的准确性依赖于对大量数据的计算和对计算结果的分析。一方面，科学计算可视化可将大量的数据转换为图像，在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、旋涡、云层的位置及运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等，使预报人员能对未来的天气做出准确的分析和预测；另一方面，根据全球的气象监测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来，从而对全球的气象情况及其变化趋势进行研究和预测。
3.工程
计算机辅助工程（CAE）包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助运行等多项内容。可视化技术有助于整个工程过程一体化和流线化，并能使工程的领导和技术人员看到和了解过程中参数变化对整体的动态影响，从而达到缩短研制周期、节省工程全寿命费用的目的。可视化技术可将多种来源的各种数据（包括表格数据、离散采样数据、贴体坐标数据、多重半结构网格数据和非结构网格数据等）融合成三维的图形图像。
5.2虚拟现实技术
虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。
虚拟现实技术为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。在90年代后迅速得到了科学界和工程界的关注。
从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。虚拟现实技术的重要特征有以下四点：
1.多感知性（Multi‐Sensory）———由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等多种感知，从而达到身临其境的感受。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
2.沉浸性（Immersion）———又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，虚拟仿真由计算机产生逼真的三维立体图像。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。例如，使用者可以戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时。虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
3.交互性（Interactivity）。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互。使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能.就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
4.构想性（Imagination）———强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
根据用户参与虚拟现实技术的不同形式以及沉浸的程度不同，可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实性的虚拟现实、分布式虚拟现实。
虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括以下几个方面：
1.动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
2.实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧／秒，最好是高于30帧／秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。
3.立体显示和传感器技术
虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。
