С расширением использования суперкомпьютеров заметно обострилась известная и ранее проблема - проблема представления результатов в форме удобной для воспринятия и анализа ее человеком. Здесь сложилась ситуация, когда, по образному выражению Апсона, "исследователь может вычислить больше, чем запомнить, а запомнить - больше чем понять". Поэтому чрезвычайно важна разработка средств, непосредственно ведущих от вычислений к пониманию.
Следует отличать визуализацию (visualization) от представления данных (prezentation) и отображения (rendering). Под визуализацией следует понимать средство, "делающее видимым невидимое", т.е. средство выражения мысли в графической форме [82]. Под представлением данных следует понимать ту или иную графическую интерпретацию необязательно графических данных. Под отображением следует понимать представление данных графического или геометрического характера на те или иные устройства вывода.
Повышение интереса к визуализации породило в США инициативу ViSC (Visualization in Scientific Computing) - "Визуализация в научных исследованиях" [55]. На ViSC - инициативу предполагается финансирование в объеме 1% от всех затрат на машинную графику (в 1990 г. это составило около 170 млн. долларов).
ViSC - инициатива охватывает (интегрирует) машинную графику, обработку изображений, компьютерное зрение, САПР (дизайн), обработку сигналов, пользовательский интерфейс.
Серьезной проблемой при построении системы интерактивной визуализации является совмещение графики с многооконным интерфейсом [58]. Важным моментом является использование современных стандартов машинной графики [80] и построение эталонной модели для системы визуализации [62].
Технической базой для разработки систем визуализации являются суперстанции, конкретный пример такой системы рассмотрен ниже.
Одна из лучших систем по научной визуализации сделана на фирме STELLAR Computer при участии Крейга Апсона и Эндриса ван Дама [121].
Эта система получила название AVS - Application Visualization System - и была задумана как инструмент для быстрой и эффективной визуализации данных при минимальных затрат на программирование для ученых и инженеров. Цель системы - объединить интерактивную графику и мощные вычислительные средства, которые легко можно было бы использовать непрограммистами, а с другой стороны, программистам эта бы система обеспечивала мощный и гибкий инструмент для развития. Система построена по модульному принципу и предоставляет пользователю интерфейс прямого манипулирования для каждого модуля. Система ориентирована для применения на супер графических станциях с мощным вычислителем и аппаратной поддержкой 3D-графики.
В проект системы были заложены следующие цели:
· простота в использовании;
· низкая стоимость;
· завершенность для применения;
· расширяемость функций;
· мобильность.
По мнению авторов системы такие стандарты, как PHIGS+ [106], GL, GKS [75], Core System [119] и др. имеют очень низкий уровень применения и не могут удовлетворить пользователя, занимающегося визуализацией. Аналогичное мнение было высказано В.Н.Кочиным [98]. С другой стороны, такие коммерческие системы, как MOVIE.BYU и продукция Wavefront и Alias, являются слишком замкнутыми, и их трудно интегрировать с прикладными задачами пользователей. Они больше используются как графические постпроцессоры после получения пользователем файла с данными. Типичный недостаток таких систем - хвост априорной ориентации на конкретную прикладную область (вычислительная химия, гидродинамика и др.) с вытекающими последствиями на привычные формы данных, используемые графические примитивы и алгоритмы. Такие системы трудно интегрировать с другими приложениями. Авторы AVS, используя новейшие достижения в области информационных технологий, такие как объектно-ориентированный подход, визуальное программирование и распределенные вычисления, смогли построить унифицированную систему, которую легко интегрировать с прикладной программой произвольной предметной области. Успех AVS во многом определился тем, что она разработана построена на общих принципах построения модели вычислений и анализа данных [77,] (рис. 0.5.28 и 0.5.29).
Основные процедуры переработки данных можно определить следующим образом:
· фильтрация данных - из одной формы в другую, возможно
более информативную и менее объемную
(фильтрация данных в данные),
· мэппинг (моделирование) - преобразование данных в
геометрические примитивы (сопоставление чисел и геометрии),
· отображение геометрических данных в картинки (отображение
геометрии в образы).
Процедура фильтрации включает в себя вычисление производных величин, таких как градиенты скалярных полей, огибающих поле скоростей и т.п. Эти новые, производные данные исследователь может связать с широким набором геометрических примитивов, традиционно используемых в машинной графике: точки, линии, сплайны, полигоны, поверхности, сферы и т.п. Один набор данных, таких как, например, трехмерное скалярное поле, может быть преобразован в геометрические примитивы многими способами, как показано на рис. 0.5.30.
При разработке AVS основным принципом было удовлетворение сформулированных выше требований.
Отдавая должное специфике научных исследований основное внимание уделялось расширяемости системы самими пользователями. При этом принималось во внимание наличие трех категорий разработчиков новых модулей.
В первую категорию входят пользователи, которые хотят создать новые модули для своих конкретных специфических приложений.
Вторую категорию составляют разработчики модулей, в некотором смысле универсальных для целой научной дисциплины, такой как газовая динамика или молекулярное моделирование.
Третью категорию составляют разработчики коммерческого прикладного программного обеспечения. Это программное обеспечение наиболее трудно интегрируется с другими платформами приложений.
Таким образом, AVS обеспечивает обобщенную функциональную применимость визуализации и специфицирует интерфейс между компонентами программного обеспечения для различных потребителей - пользователей и разработчиков, предоставляя им за небольшую стоимость больше гибкости и легкости к интеграции.
Основная идея архитектуры заключается в объединении усилий исследователей (пользователей) и разработчиков (программистов) для создания визуализации, независимо от конкретных приложений.
Архитектура построения на элементах более высокого уровня абстракции, чем процедуры, но ниже, чем прикладные программы.
Основная концепция образована из объектно-ориентированного подхода [67] и заказного (customised) программного обеспечения. Обработка данных построена на основе конвейера с возможностью параллельной и распределенной реализации. Модули конвейера могут быть определены следующим образом:
· Исходные модули - генераторы данных (не имеющие исходных
данных), вырабатывающие несколько потоков данных, в зависимости от
параметров генерации.
· Модули преобразователи (или фильтры в терминологии АТОМ)
- процедуры, выполняющие фильтрацию данных, моделирование
геометрических характеристик и отображение
геометрии в изображение.
· Терминальные (оконечные) модули - осуществляющие вывод
на конкретные устройства:
дисплеи, принтеры, видеозапись.
Структура модулей (рис. 0.5.31) очень похожа на конвейерный подход, реализованный в графическом пакете АТОМ [98]. При реализации программного обеспечения активно использовалась методика измерения программных алгоритмов и модулей и улучшение их характеристик на основе измеренных данных.
При проектировании пользовательского интерфейса основное внимание уделялось характеристике приспособляемости к различным группам пользователей, таких как "новички" и "эксперты". За основу при реализации здесь брали методику визуального программирования [113].
В результате были созданы два интерфейса - пользовательский (для непрограммиста) и программистский (для профессионала-программиста). Эти интерфейсы существенно различаются как по использованию аппаратуры ввода (манипулирования), так и по программированию процедур заказчика.
В системе визуализации используются следующие методики [111]:
Схема вычислительного конвейера показана на рис. 0.5.32. Причем, пользователь может управлять конкретной цепочкой вычислений из этого конвейера (как выбор пути на сетевом графике).
В заключение можно утверждать, что пользователи AVS получили в свое расположение систему нового типа для проведения исследований и разработок (R & D) в своих конкретных предметных областях с помощью методов визуализации. AVS дает возможность пользователям интегрировать свои прикладные программы с самыми современными алгоритмами и методами визуализации.
Другой целью создания AVS было построение такой законченной системы визуализации, которая походила бы к большинству прикладных вычислительных наук.
AVS по своему принципу построения не является застывшей системой, а способна к развитию и совершенствованию как самими пользователями, так и на основе обратной связи с ними.
|
|
 |
