Компьютерная визуализация

В приборостроении особое значение имеет компьютерная визуализация – разновидность технической визуализации, основанная на возможностях компьютерной графики и информационных технологиях. Она применяется:

• в системах сбора и обработки данных для отображения сигналов и процессов в реальном масштабе времени, например, в цифровых осциллографах,

• в средствах измерений с регистрацией данных,

• в средах графического программирования, например, LabVIEW для визуализации данных и результатов их обработки (включая 3D-модели);

• в системах автоматизированного проектирования, например, AutoCAD;

• при имитационном моделировании устройств, процессов, явлений;

• в научно-технической документации (отчетах, презентациях).

Виды данных при компьютерной визуализации. Средства визуализации работают со следующими видами данных:

• одномерные данные - одномерные массивы, временные ряды и т.п.

• двумерные данные – двумерные массивы, координаты и т.п.;

• многомерные данные – многомерные массивы, результаты эксперимента;

• тексты и гипертексты –статьи, отчеты, Web -документы и т.п.;

• иерархические и связанные данные – структура подчинённости в организации, электронная переписка людей, гиперссылки документов и т.п.;

• алгоритмы, программы, информационные потоки и т.п.

Для визуализации перечисленных типов данных используются различные визуальные образы, методы их создания, программные продукты.

Виды визуализации

Можно сопоставить виды визуализации с различными областями применения.

Виды визуализации	Область применения
1. Иллюстрации	Показать существующий зрительный ряд
2. Образы	Вызвать отношение, эмоцию, ассоциацию
3. Схемы, графики, диаграммы, алгоритмы	Показать количественные и качественные связи, структуру объектов
4. Таблицы	Структурировать информацию
5. Выделение объектов	Сфокусировать внимание

Программное обеспечение визуализации

При визуальном представлении научно-технической информации используются различное программное обеспечение: пакеты семейства редакторов фирмы Adobe; графические редакторы (CorelDraw, Adobe PhotoShop, Paint, PhotoEditor, 3D Studio и др.); табличные процессоры (Excel и др.); пакеты программ Matlab и Mathcad (создание интерактивных документы с вычислениями и визуальным сопровождением); LabVIEW (обработка и визуализация данных).

На этапах проектирования изделий приборостроения оформляется различная конструкторская документация: чертежи, рисунки, принципиальные схемы и т.д. Указанные виды работ могут быть автоматизированы на основе применения САПР, которые служат для выполнения почти всех работ с двумерными чертежами, имеют набор функций по трехмерному моделированию (AutoCAD, Компас), обеспечивают оформление документации для принципиальных схем и печатных плат (P-CAD).

10. Примеры визуального представления данных в научно-технической документации: иллюстрации, графики, диаграммы. Виды диаграмм.

В научно-технической документации применяются различные виды визуализации (ниже приведены примеры визуализации данных и их описание)..

Иллюстрация – это представление реально существующего зрительного ряда. Самое бесспорно необходимое использование визуализации. Сравните полноту и точность информации, полученной из текста и из иллюстрации. Например, физическое явление – интерференция (рис.1), спектр сигнала (рис.2).

Диаграммы визуализируют количественные и качественные связи. Разные виды диаграмм используют для демонстрации данных, качественных и количественных связей, включают в работу над информацией пространственное мышление в дополнение к логическому.

Качественные диаграммы

Качественные диаграммы показывают структуру набора данных и взаимосвязи между его элементами.

Сетевая диаграмма. Такой вид диаграмм используется для демонстрации качественных связей (рис.3).

Формализованная блок-схема (block diagram) (Рис.4). Показывает ключевые шаги, которые проходит процесс, в виде связанных друг с другом однонаправленными стрелками блоков.

Диаграммы визуализации процесса. Показывают процесс, состоящий из последовательности действий, включает один или несколько сценариев развития. Например, диаграмма циклического процесса (рис.5). Показывает ключевые шаги процесса, который содержит набор повторяющихся действий.

Граф и дерево (graph, tree) (рис. 6). Показывает иерархию набора данных, соподчиненных друг с другом, в виде соединенных линиями узлов либо сверху вниз, либо из центра композиции.

Таблица (matrix). Показывает набор данных в виде заполненных его значениями ячеек, которые образуют собой строки и столбцы. Каждому столбцу и строке соответствует параметр, определяющий ячейку для значения.

Диаграммы связей. Показывают связи внутри набора данных, как правило, достаточно большого.

Круговая диаграмма связей (network diagram, arc diagram). Показывает связи внутри набора данных в виде кольца, на котором расставлены значения. Значения связаны дугами или линиями, находящимися во внутренней области круга. При большом количестве значений они могут находиться и внутри кольца, хотя это менее наглядно. Связи также могут иметь направление.

Количественная диаграмма

Это — изображение,рисунок,чертёж(графическое представление данных), позволяющее быстро оценить соотношение нескольких величин. Представляет собой геометрическоесимвольноеизображениеинформациис применением различных приёмов техникивизуализации.

Графики (рис 7) — это тип диаграмм, на которых полученные данные изображаются в виде точек, соединённых прямыми линиями. Точки могут быть как видимыми, так и невидимыми (ломаныелинии). Также могут изображаться точки без линий (точечные диаграммы, рис. 8). Для построения диаграмм-линий применяют прямоугольную систему координат. На осях наносятмасштабы. Как правило, графики представляют собой двухмерные линейные графики одной или многих переменных.

Гистограммы (рис. 9) позволяют увидеть, как распределены значения переменных по интервалам группировки, то есть, как часто переменные принимают значения из различных интервалов. Таким образом, гистограмма представляет собой графическое изображение зависимости частоты попадания элементов массива числовых данных от соответствующего интервала группировки. Гистограмма представлена в виде прямоугольников, высота которых пропорциональна частоте, а ширину прямоугольников (интервал группировки) обычно для удобства восприятия берут одинаковую. Особенно полезна гистограмма для большого числа данных, например, больше 100.На простой гистограмме отображаются частоты значений одной переменной, а на составной можно отобразить одновременно частоты нескольких переменных.

Столбчатая диаграмма (рис. 10) - используется для демонстрации количественных показателей переменных. Столбчатая диаграмма изображает статистические данные в виде вертикальных прямоугольниковили трёхмерных прямоугольных столбиков. Каждый столбик изображает величину уровня данного статистического ряда. Все показатели выражены одной единицей измерения для сравнения показателей данного ряда.

Разновидностями столбчатых диаграмм являются линейные (полосовые) диаграммы (рис.11). Они отличаются горизонтальным расположением столбиков. Столбчатые и линейные диаграммы взаимозаменяемы. Столбчатые диаграммы могут изображаться и группами (одновременно расположенными на одной горизонтальной оси с разной размерностью варьирующих признаков). Образующие поверхности столбчатых и линейных диаграмм могут представлять собой не только прямоугольники, но и квадраты, треугольники и т. д.

Диаграммы рассеяния. Двухмерные диаграммы рассеяния используются для визуального исследования зависимости между двумя переменными X и Y (например, весом и ростом человека, рекламой и объемом продаж и т. д.).

Круговые диаграммы (рис.12) используются для демонстрации количественных показателей. Лучше других показывает долю, участие параметров в общем «пироге», так как идея целого очень наглядно выражается кругом, который представляет всю совокупность. Относительная величина каждого значения изображается в видесекторакруга, площадь которого соответствует вкладу этого значения в сумму значений. Этот вид графиков удобно использовать, когда нужно показать долю каждой величины в общем объёме.

Радиальные диаграммы (рис. 13) - используются при наличии множества факторов и при циклических закономерностях. В отличие от линейных диаграмм, в радиальных или сетчатых диаграммах более двух осей. По каждой из них производится отсчёт от начала координат, находящегося в центре. Для каждого типа полученных значений создаётся своя ось, которая исходит из центра диаграммы. Эти диаграммы напоминают сетку или паутину, их называют еще сетчатыми. Преимущество радиальных диаграмм отображают одновременно несколько независимых величин, которые характеризуют общее состояние структуры статистических совокупностей. Если отсчёт производить не с центра круга, а с окружности, то такая диаграмма называетсяспиральной.

Тепловая диаграмма (heat map) (рис. 14) - сравнивает значения внутри набора данных, закрашивая их одним из цветов в заранее выбранном спектре. Основой является изображение или другая диаграмма, на которой расставлены значения. Цвет зависит от величины параметра и накладывается в виде пятен.

Трехмерные диаграммы (рис.15)- используется трёхмерная визуализация, спроецированная на плоскость, что придаёт ей отличительные черты или позволяет иметь общее представление об области, в которой она применяется

Примеры визуального представления данных

Рис.1. Интерференция	Рис.2. Спектр сигнала	Рис.3. Сетевая диаграмма
Рис.4. Блок схема процесса	Рис. 5 Диаграмма цикли- ческого процесса	Рис.6. Граф и дерево
Рис. 7. График	Рис.8. График рассеивания	Рис.9. Гистограмма
Рис. 10. Столбчатая диаграмма	Рис. 11. Столбчатая диаграмма	Рис. 12 .Круговая диаграмма
Рис. 13. Радиальная диаграмма	Рис. 14. Тепловая диаграмма	Рис. 15. Трехмерная диаграмма

11. Визуализация при отображении изменяющихся во времени сигналов.

В современных системах сбора и обработки информации измерение входных сигналов осуществляется не непрерывно, а только в дискретные моменты времени и при представлении результатов измерения возникает проблема - необходимо максимально точно отобразить результаты измерений, при этом трудно воспринять форму сигнала, изображённого набором значений.

То

При отображении сигнала Х(t) представим его значения (выборки) в моменты времени iTo (рис. 1), (To - шаг дискретизации), которые преобразуются в численные значения (коды) N(iTo). В итоге получим представление Х(t) массивом чисел {N(iTo)}, где N – коды значений сигнала в моменты времени iTo.

а)

б)

Рис. 1. Исходный сигнал (а) и восстановленный путем интерполяции сигнал (б).

Способы восстановления сигналов: cтупенчатая экстраполяция, линейная интерполяция и др.

Погрешность восстановления сигналов включает две составляющие: погрешность восстановления сигнала по его дискретным отсчетам и погрешность квантования сигнала при представлении отсчета сигнала его численным значением. Погрешность восстановления обычно является превалирующей.

При визуализации линейная интерполяции более эффективна: для ступенчатой аппроксимации синусоиды при погрешности восстановления 1 % требуется 600 выборок на период сигнала, а при интерполяции всего – 20.

12. Цифровой осциллограф. Принцип действия.

цифровые осциллографы (ЦО) – представляющие собой аппаратно-программные средства с очень высокими техническими характеристиками.

По возможностям обработки сигналов и быстродействию ЦО приближаются к специализированным сигнальным процессорам, а по возможностям отображения результатов обработки превосходят их.