數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）技術(shù)指的是運用計算機圖形學(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，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計算機圖形學(xué)、圖像處理、計算機輔助設(shè)計、計算機視覺及人機交互技術(shù)等多個領(lǐng)域。數(shù)據(jù)可視化概念首先來自科學(xué)計算可視化（Visualization in Scientific Computing），科學(xué)家們不僅需要通過圖形圖像來分析由計算機算出的數(shù)據(jù)，而且需要了解在計算過程中數(shù)據(jù)的變化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化概念已大大擴展，它不僅包括科學(xué)計算數(shù)據(jù)的可視化，而且包括工程數(shù)據(jù)和測量數(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)用對計算機硬件技術(shù)提出了更高的要求，特別是針對計算機系統(tǒng)的圖形處理能力，大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化的過程（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大的小型機來完成，并且需要多路顯示系統(tǒng)聯(lián)合進行運算。近年來，隨著PC機性能的大幅度提高，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。以市場上常見的uadro系列圖卡為例，即使是目前入門級別的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)勢轉(zhuǎn)移到PC+Windows系統(tǒng)上（這得益于OpenGL的跨平臺優(yōu)勢）。相應(yīng)的，基于專業(yè)圖卡多路圖形處理技術(shù)的進步，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，同時沿用了成熟的可視化理論方法，因此在空間信息遠程可視化（如網(wǎng)絡(luò)地圖） 和交通導(dǎo)航等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。而在工程計算、醫(yī)學(xué)、科學(xué)計算等領(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。因為，從常識性的認知角度而言，現(xiàn)實世界是一個三維空間，使用計算機將現(xiàn)實世界表達成三維模型則更加直觀逼真，三維信息表達不再以符號化為主，而是以對現(xiàn)實世界的仿真手段為主。對現(xiàn)實世界的模擬，不僅需要精確表達三維幾何形體和曲面，還需要進行大量的紋理和場景處理工作，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)的幾何運算兩大過程，幾何運算部分又包括物理運算、幾何轉(zhuǎn)換、光源、頂點標(biāo)定和貼圖渲染等幾個階段，其中涉及大量的浮點運算和整數(shù)運算，需要圖卡提供強有力的圖形數(shù)據(jù)處理性能。因此，市場上一般的圖卡或入門級的專業(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)人士的認可，并在實踐中得到應(yīng)用（僅用于學(xué)習(xí)目的，不考量工作效率者除外）。

    以麗臺Quadro FX 4600圖卡為例，容量高達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復(fù)現(xiàn)大量三維數(shù)據(jù)。 #p#page_title#e#

    筆者在裝備了麗臺Quadro FX4600 顯卡的計算機系統(tǒng)上運行交互式圖形可視化系統(tǒng)AVS/Express，并采用外源數(shù)據(jù)進行測試，以核實麗臺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?？紤]主機性能，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20億點陣規(guī)模的圖形。

    AVS/Express提供了有關(guān)先進圖形、圖像、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)庫接口、注釋和硬拷貝等先進技術(shù)，因此被GIS、工程計算、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。

    工程計算結(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)計過程的前期階段，通過三維數(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)計周期，減少設(shè)計失誤，而利用嵌入的AVS/ Express三維圖形可視化系統(tǒng)，工程師可以在計算機的屏幕上直接觀看三維的模 擬結(jié)果，直觀地進行對比評估。在麗臺 Quadro FX 4600平臺上，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態(tài)變化的三維云圖，尤其體現(xiàn)了高端專業(yè)圖卡的價值所在。

    在汽車設(shè)計過程中，麗臺Quadro FX 4600與AVS/Express的配合也是天衣無縫。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)進行處理，其結(jié)果在AVS/ExpressViewer(多線程)中實現(xiàn)可視化，包括370萬以上的節(jié)點(未進行運算過程)，在FX4600的幫助下，采用標(biāo)準的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程中，高精度圖形細節(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）

    在上述實例中，基于使用AV S/ Express，工程師將模擬過程生成的海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維圖像及曲線圖，AVS/ Express簡化了這一工程數(shù)據(jù)的可視化過程，而麗臺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)，使得整個過程的效率得以提高。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，對于取得突破性的研究成果起到了關(guān)鍵作用。