毕业论文科学数据可视化.doc

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摘要

随着科学数据可视化技术在各领域内的广泛应用，出现了相当数量的科学数据可视库供开发者进行二次开发，例如：

OpenGL、IDL、PGL等。

这些库提供了强大的图形生成功能。

本论文利用了PGL库并进行了二次开发，而且加强了它的功能，使在可视化操作时更为方便简单。

本文在对科学数据可视化的基本概念简单介绍后，还介绍了实现可视化操作的一些具体算法，如：

构造一个可视化区域算法、构造一个坐标轴算法、将科学数据转换成图形对象算法、选择移动图形对象算法等。

同时，为检验算法的正确性，用VisualC++开发了一个科学数据可视化演示系统。

经演示系统测试，这些算法运行效率较好。

本文所设计的算法，以类库的形式提供给其他开发者直接使用或做进一步的完善。

关键字：

科学数据，MFC，可视化，面像对象设计，STL，BOOST，PGL

Abstract

WiththewideapplicationoftechnologyofScientificDataVisualizationinmanyfields,therearesomegoodlibraries,suchasOpenGL,IDLandPGL,whichcanmakeiteasyfordeveloperstocarryouttheirdevelopment.TheselibrarieshavestrongprocessfunctionsthatmakeanobjectofimagewithScientificData.ThethesisusethelibrariesofPGLtodevelopmentsoftwareofScientificDataVisualization,andmakethesoftwareusecomfortablyandhaveastrongfunction.

AftersimplyintroducingthebasicconceptofScientificDataVisualization,manyalgorithmsandtheircharacteristicshavebeenanalyzedindetail,suchasbuildingaregionofvisualization,anaxe,asolutiontochangescientificdatatoagraphicalobject,andselectingandmovinggraphicalobjectbymouse,etc.Inordertotesttheexactnessandeffectiveofthosealgorithms,animageprocessdemonstrationsystemhasbeendevelopedbymeansofusingSTLandBOOSTlibrariesandtheresultshavedemonstratedthatthesealgorithmsespeciallyinefficiencyofoperationofVisualizationhavemanyadvantages.

DesignedalgorithmsinthisthesisareofferedotherdeveloperstouseordofurtherperfectionintheformofClasslibrarydirectly.

Keywords:

ScientificData,MFC,Visualization,Object-orienteddesign,STL,BOOST，PGL

XIII

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章绪　论 1

1.1什么是科学数据可视化 1

1.2发展概况及应用领域 1

1.3科学数据可视化主要研究的内容 2

1.4本论文的目的及主要内容 3

第2章 基础知识 4

2.1STL简介 4

2.1.1STL算法 4

2.1.2STL容器 5

2.1.3STL迭代器 6

2.2BOOST简介 6

第3章 科学数据可视化的概述 8

3.1科学数据可视化的基本概念 8

3.1.1科学数据 8

3.1.2可视化 8

3.1.3科学数据可视化的原理概述 8

3.2科学数据可视化的表示模型 9

3.2.1科学数据模型 10

3.2.2坐标轴模型 10

3.2.3图形图像模型 11

3.3科学数据可视化的发展趋势 11

第4章 科学数据可视化总体的设计 13

4.1科学数据可视化的类包设计 13

4.2科学数据可视化设计中使用的数据结构 14

4.2.1Vector结构 14

4.2.2Shared_ptr结构 16

第5章　科学数据可视化的主要类及算法描述 17

5.1CPGLRegion类：

18

5.2CPGLObject类：

20

5.3CPGLAxe2D类：

22

5.4CPGLVector类：

24

5.5CPGLLine2D类：

25

第6章　科学数据可视化的具体实现 26

6.1科学数据的组织 26

6.2科学数据到图形对象的转换 26

6.3将图形对象的添加到Region 27

6.4实现图形可视化操作 27

6.4实现图形视图的导出 32

第7章　演示系统 34

6.1主要功能运行实例 35

6.2系统主要特点 39

第7章　结束语 40

参考文献 41

湖南师范大学本科毕业论文

第1章绪　论

1.1什么是科学数据可视化

现代的科学数据可视化（ScientificDataVisualization）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。

它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。

数据可视化概念首先来自科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing），科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。

随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化,而且包括工程数据和测量数据的可视化。

学术界常把这种空间数据的可视化称为可视化（VolumeVisualization）技术[1]。

1.2发展概况及应用领域

近年来，随着网络技术和电子商务的发展，对科学数据的研究提出了更高的要求，科学数据可视化技术随之发展起来。

我们可以通过数据可视化技术，发现大量金融、通信和商业数据中隐含的规律，从而为决策提供依据。

这已成为数据可视化技术中新的热点。

为适应硬件平台、操作系统、网络和通信方面的飞速发展，可视化的软件产品在近几年中发展很快,其中以AVS/Express开发版、IDL（包括VIP、ION）和PV-WAVE等为代表。

科学数据可视化的应用十分广泛,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在国民经济中发挥着越来越大的作用。

其中数据可视化主要应用在以下几个领域。

①医学

医学数据的可视化，已成为科学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象。

②油气勘探

由于地震数据及测井数据的数据量极其庞大，而且分布不均匀，因而无法根据纸面上的数据作出分析。

利用可视化技术可以从大量的地质勘探数据或测井数据中，构造出感兴趣的等值面、等值线，并显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，从而使专业人员能对原始数据做出正确解释，得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。

③气象预报

科学数据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。

④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程化，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

1.3科学数据可视化主要研究的内容

科学数据可视化研究的主要内容包含以下几个方面：

①科学数据的组织：

对科学数据进行合理的收集，人们使用特定的工具（如数据采集器等）对数据进行采样分析，将收集的信息进行过滤获取感兴趣的部分。

②实时图形生成技术：

将科学数据转化成图形，可使在分析科学数据时，提供界面友好图形信息、支持各种鼠标操作。

通过对科学数据图形化可使操作者有一种感观上的了解，从而更好的分析数据、发现数据的规律并做出正确的判断。

实时图形生成技术主要有：

二维图形区域实时图形生成技术、三维数据模型实时生成技术、三维视角变换技术、数据模型的显示和快速漫游数据技术。

③科学数据的存储和压缩：

通常由于科学数据的数据量比较大，运用合理有效的存储压缩算法可提高磁盘的利用率并提高科学数据使用效率。

④数据可视化工具的开发：

研究开发数据可视化工具并使其支持科学数据的导入、导出、图形化等操作。

⑤数据可视化算法研究：

对科学数据图形生成、存储压缩的算法研究。

⑥科学数据检索系统：

对科学数据进行分析找出有用的、可利用的信息。

1.4本论文的目的及主要内容

本论文的目的是：

在首先选用合理的数据结构组织好科学数据，再通过分析数据的图形生成技术和常用图形生成算法思想的基础上，然后使用VisualC++这个软件开发工具以完全面向对象的开发模式设计出了一套科学数据可视化的工具，最后以类和控件的形式提供给其他开发者直接使用或做进一步的完善。

本论文的主要内容包含如下几个方面：

①对C++所提供的常用的数据结构进行简单的描述和解释，为科学数据生成图算法的设计打下基础。

②科学数据图形生成算法的介绍。

将科学数据以矩阵形式的文件格式存储在计算机的存储器中的。

本论文以矩阵转换成多条曲线图形的算法为例并结合上述的数据结构，并对它们之间的转换给出了算法描述。

③数据可视化工具的开发算法的介绍：

可视区域的显示范围、可视区域的放大和缩小、可视区域的移动、可视区域中图形曲线的选中、可视区域中图形曲线的移动以及可视区域的恢复等给出了详细的讨论及算法描述。

④数据可视化图形导出文件格式介绍：

BMP文件格式、JPEG文件格式、TIFF文件格式、PNG文件格式、EMF文件格式、EPS文件格式、SVG文件格式以及SVGZ文件格式。

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湖南师范大学本科毕业论文

第2章基础知识

由于在科学数据可视化开发时引用到了许多STL库、BOOST库中的内容特此对它们进行一下总体概述。

2.1STL简介[2]

STL（StandardTemplateLibrary，标准模板库）是惠普实验室开发的一系列软件的统称。

它是由AlexanderStepanov、MengLee和DavidRMusser在惠普实验室工作时所开发出来的。

现在虽说它主要出现在C++中，但在被引入C++之前该技术就已经存在了很长的一段时间。