數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）技術(shù)指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺及人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)可視化概念首先來(lái)自科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization in Scientific Computing），科學(xué)家們不僅需要通過(guò)圖形圖像來(lái)分析由計(jì)算機(jī)算出的數(shù)據(jù)，而且需要了解在計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)的變化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化概念已大大擴(kuò)展，它不僅包括科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，而且包括工程數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。學(xué)術(shù)界常把這種空間數(shù)據(jù)的可視化稱為體視化（Volum Visualization）技術(shù)。

    數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)提出了更高的要求，特別是針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的圖形處理能力，大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化的過(guò)程（含二維和三維系統(tǒng)）需要顯示子系統(tǒng)處理大量的高精度矢量數(shù)據(jù)，并在顯示終端設(shè)備上得到完美的展現(xiàn)。因此，大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化工作早期需要采用性能強(qiáng)大的小型機(jī)來(lái)完成，并且需要多路顯示系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行運(yùn)算。近年來(lái)，隨著PC機(jī)性能的大幅度提高，特別Quadro系列等專業(yè)圖卡的圖形處理性能不斷攀升，使用單臺(tái)PC完成一般規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化工作已經(jīng)成為可能。以市場(chǎng)上常見的uadro系列圖卡為例，即使是目前入門級(jí)別的Quadro FX570，相比5年前的主流專業(yè)圖卡，顯存量提高了8倍，顯存頻率和核心頻率分別提高了3倍和4倍，數(shù)據(jù)處理帶寬更是提高了5倍之多。5年前，配置專業(yè)圖卡的PC系統(tǒng)很難在數(shù)據(jù)可視化方面有用武之地，而現(xiàn)在任何一款中高端專業(yè)圖卡均能獲得良好的圖形處理表現(xiàn)。因此，市場(chǎng)上很多數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用系統(tǒng)也在2006年前后，開始提供基于Windows系統(tǒng)的版本，并將原有系統(tǒng)的OpenGL圖形優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)移到PC+Windows系統(tǒng)上（這得益于OpenGL的跨平臺(tái)優(yōu)勢(shì)）。相應(yīng)的，基于專業(yè)圖卡多路圖形處理技術(shù)的進(jìn)步，多路PC系統(tǒng)支持下的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)也在2006年前后逐漸與傳統(tǒng)的Powerwall系統(tǒng)分庭抗禮。

    早期通常意義上的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)大多采用二維圖形圖像學(xué)可視化方法， 由于二維可視化含有較少的數(shù)據(jù)量，同時(shí)沿用了成熟的可視化理論方法，因此在空間信息遠(yuǎn)程可視化（如網(wǎng)絡(luò)地圖） 和交通導(dǎo)航等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。而在工程計(jì)算、醫(yī)學(xué)、科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域，包含更多數(shù)據(jù)信息的三維可視化技術(shù)則必不可少。因?yàn)?，從常識(shí)性的認(rèn)知角度而言，現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)三維空間，使用計(jì)算機(jī)將現(xiàn)實(shí)世界表達(dá)成三維模型則更加直觀逼真，三維信息表達(dá)不再以符號(hào)化為主，而是以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的仿真手段為主。對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模擬，不僅需要精確表達(dá)三維幾何形體和曲面，還需要進(jìn)行大量的紋理和場(chǎng)景處理工作，從而形成具有一定逼真度的三維圖。這也是現(xiàn)代三維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)離不開專業(yè)圖卡等圖形加速設(shè)備的原因之一。

    工程數(shù)據(jù)三維圖形可視化應(yīng)用中的專業(yè)圖卡

    三維圖形數(shù)據(jù)的可視化包含三維模型的創(chuàng)建和圖形數(shù)據(jù)的幾何運(yùn)算兩大過(guò)程，幾何運(yùn)算部分又包括物理運(yùn)算、幾何轉(zhuǎn)換、光源、頂點(diǎn)標(biāo)定和貼圖渲染等幾個(gè)階段，其中涉及大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和整數(shù)運(yùn)算，需要圖卡提供強(qiáng)有力的圖形數(shù)據(jù)處理性能。因此，市場(chǎng)上一般的圖卡或入門級(jí)的專業(yè)圖卡都很難勝任大規(guī)模三維數(shù)據(jù)的可視化任務(wù)，只有少數(shù)高端專業(yè)圖卡才能得到專業(yè)人士的認(rèn)可，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用（僅用于學(xué)習(xí)目的，不考量工作效率者除外）。

    以麗臺(tái)Quadro FX 4600圖卡為例，容量高達(dá)768MB的DDR3高速顯存保證 了大規(guī)模幾何數(shù)據(jù)及紋理數(shù)據(jù)的處理效率，67.2GB/s的內(nèi)存帶寬則保證了高效的三維建模和大規(guī)模的三維圖形展示。特別是，麗臺(tái)Quadro FX 4600支持OpenGL和DirectX兩種圖形接口，既適合專業(yè)的工程和科學(xué)可視化應(yīng)用，也能在一些上用的VR系統(tǒng)中得到良好的圖形表現(xiàn)。而且，麗臺(tái)Quadro FX  4600能提供2560×1600的高分辨率顯示，可以在30 英寸的大顯示屏或多塊顯示屏上同時(shí)復(fù)現(xiàn)大量三維數(shù)據(jù)。 #p#page_title#e#

    筆者在裝備了麗臺(tái)Quadro FX4600 顯卡的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行交互式圖形可視化系統(tǒng)AVS/Express，并采用外源數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，以核實(shí)麗臺(tái)Quadro FX4600顯卡的專業(yè)效能和在圖形可視化領(lǐng)域 的適用性。除麗臺(tái)Quadro  FX  4600顯卡外，系統(tǒng)采用了酷睿2 E6400雙核處理 器，配置了2GB DDR2 667內(nèi)存，基于 Windows XP Professional SP1系統(tǒng)。

（圖2   麗臺(tái)Quadro FX 4600顯卡）

    AVS/Express從6版本之后才提供成熟穩(wěn)定的Windows版本，此前僅僅提供UNIX版本。考慮主機(jī)性能，相比之下，Windows版本的數(shù)據(jù)處理規(guī)模上限小于UNIX版本，但能滿足絕大多數(shù)用戶的需要，特別是64位PC平臺(tái)和高性能專業(yè)圖卡的大規(guī)模應(yīng)用，Windows版的AVS/ Express 6.3已經(jīng)可以處理最高20億點(diǎn)陣規(guī)模的圖形。

    AVS/Express提供了有關(guān)先進(jìn)圖形、圖像、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、注釋和硬拷貝等先進(jìn)技術(shù)，因此被GIS、工程計(jì)算、醫(yī)療等廣泛領(lǐng)域的專業(yè)系統(tǒng)選為圖形可視化的標(biāo)準(zhǔn)。

    工程計(jì)算結(jié)果的可視化是與CAD/ CAE技術(shù)相關(guān)聯(lián)的，AVS/Express在其中起到了主導(dǎo)作用。在AVS/Express的技術(shù)數(shù)據(jù)包中，采用了TMA的集成電路設(shè)計(jì)和制造數(shù)據(jù)，展現(xiàn)大量工程模擬數(shù)據(jù)的可視化效果。TMA的TCAD軟件幫助工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程的前期階段，通過(guò)三維數(shù)據(jù)模擬技術(shù)預(yù)估產(chǎn)品的電子產(chǎn)品的性能和制造可能性、可靠性，以縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)失誤，而利用嵌入的AVS/ Express三維圖形可視化系統(tǒng)，工程師可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上直接觀看三維的模 擬結(jié)果，直觀地進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。在麗臺(tái) Quadro FX 4600平臺(tái)上，圖3所示的三維集成電路模擬圖得到了完美的展示，不存在任何阻滯。FX 4600在多視圖窗口下流暢處理動(dòng)態(tài)變化的三維云圖，尤其體現(xiàn)了高端專業(yè)圖卡的價(jià)值所在。

    在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，麗臺(tái)Quadro FX 4600與AVS/Express的配合也是天衣無(wú)縫。圖4是梅賽德斯公司某車型的車身有限元非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，采用Nastran系統(tǒng)進(jìn)行處理，其結(jié)果在AVS/ExpressViewer(多線程)中實(shí)現(xiàn)可視化，包括370萬(wàn)以上的節(jié)點(diǎn)(未進(jìn)行運(yùn)算過(guò)程)，在FX4600的幫助下，采用標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL接口，系統(tǒng)顯示的表現(xiàn)非常優(yōu)秀，除數(shù)據(jù) 檢算過(guò)程稍有延遲外，視圖的切換、視 角的旋轉(zhuǎn)、模型的平移均非常流暢。在交互性圖形操作過(guò)程中，高精度圖形細(xì)節(jié)的展示尤其令人滿意。

（圖3   TMA SRAM集成電路分析結(jié)果云圖）

（圖4   梅賽德斯車型應(yīng)力分析云圖）

    在上述實(shí)例中，基于使用AV S/ Express，工程師將模擬過(guò)程生成的海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維圖像及曲線圖，AVS/ Express簡(jiǎn)化了這一工程數(shù)據(jù)的可視化過(guò)程，而麗臺(tái)Quadro FX 4600則為大規(guī)模、高精度復(fù)雜三維圖形的顯示提供了硬件基礎(chǔ)，使得整個(gè)過(guò)程的效率得以提高。類似的應(yīng)用幾乎遍及了當(dāng)前所有高科技復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程，如虛擬風(fēng)洞、復(fù)雜地質(zhì)條件的三維模擬等，Quadro FX 4600配合AVS/Express等專業(yè)領(lǐng)域可視化應(yīng)用程序，對(duì)于取得突破性的研究成果起到了關(guān)鍵作用。