基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的測量數(shù)據(jù)可視化方法

周 鑫， 方 宏， 侯立新， 劉 科， 趙海寧，安 瑩， 楊 麗， 卞 昕

（1.中國計量科學(xué)研究院信息計量室，北京 100029；

2.北京市西城區(qū)藥品檢驗所，北京 100037）

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的測量數(shù)據(jù)可視化方法

周 鑫1， 方 宏1， 侯立新1， 劉 科1， 趙海寧1，安 瑩2， 楊 麗1， 卞 昕1

（1.中國計量科學(xué)研究院信息計量室，北京 100029；

2.北京市西城區(qū)藥品檢驗所，北京 100037）

在從數(shù)據(jù)可視化的角度對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，對兩種重要類型的測量數(shù)據(jù)給出了三維建模方法。然后利用CAVE技術(shù)和3D技術(shù)，結(jié)合以映射、繪制為主線的數(shù)據(jù)可視化基本流程，提出了一種具有沉浸感和立體感的通用型測量數(shù)據(jù)可視化方案。技術(shù)方案以建立三維模型為基礎(chǔ)，以對視圖的控制為核心，以場景設(shè)置為輔助，實現(xiàn)并驗證了測量數(shù)據(jù)可視化。

計量學(xué)；數(shù)據(jù)可視化；虛擬現(xiàn)實；CAVE；三維建模

1 引 言

隨著各個學(xué)科的發(fā)展，需要測量的參數(shù)越來越復(fù)雜，測量結(jié)果的數(shù)據(jù)量也越來越大。單純通過文本或簡單圖表已經(jīng)無法有效表達(dá)這些海量的復(fù)雜數(shù)據(jù)。將這些測量數(shù)據(jù)可視化，使測量數(shù)據(jù)直觀呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)分析者眼前，利用人類的視覺系統(tǒng)來輔助分析、解釋數(shù)據(jù)，是一種十分必要、有效的數(shù)據(jù)探索手段。測量數(shù)據(jù)可視化的另外一個重要作用體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是實現(xiàn)虛擬測量的基礎(chǔ)，而虛擬測量則是利用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助傳統(tǒng)計量的重要研究方向。

因為測量數(shù)據(jù)可視化重要性日益顯現(xiàn)，國際上已有一些先進(jìn)國家的測量機構(gòu)成立了專門完成數(shù)據(jù)可視化的工作組，比如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）成立了名為“Scientific Applications and Visualization Group”的工作組。該工作組為NIST各專業(yè)部門提供數(shù)據(jù)可視化服務(wù)，文獻(xiàn)［1～4］展示了NIST通過數(shù)據(jù)可視化加速科學(xué)研究的工作成果。在國內(nèi)，對可視化的研究正逐漸受到重視，目前應(yīng)用較多的領(lǐng)域有可視人體、分布式虛擬風(fēng)洞、三維醫(yī)學(xué)影像重建、城市模型可視化等［5］。針對測量數(shù)據(jù)的可視化在國內(nèi)還是一個新興概念，還未發(fā)現(xiàn)專門介紹測量數(shù)據(jù)可視化的文獻(xiàn)。

本文首先從數(shù)據(jù)可視化的角度對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，基于此分類，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了一套測量數(shù)據(jù)可視化的方法和系統(tǒng)。本方法有別于常見的應(yīng)用于某一特定領(lǐng)域、針對某種特定數(shù)據(jù)的可視化方法。本方法具有較強的通用性，適用于各個領(lǐng)域多種類型的測量數(shù)據(jù)。目前，應(yīng)用本方法已實現(xiàn)了對長度測量數(shù)據(jù)、電場測量數(shù)據(jù)、通信信號質(zhì)量測量數(shù)據(jù)的可視化。本方法使用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門綜合性的信息技術(shù)，融合了多個計算機技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。為了實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的可視化，主要采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的CAVE技術(shù)和3D技術(shù)。其中，3D技術(shù)是一種相對成熟的技術(shù)，本文不做詳細(xì)介紹，僅對CAVE技術(shù)做簡要介紹。同時，由于測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)屬性千差萬別，為了增強可視化系統(tǒng)的通用性，首先從可視化的角度對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

2 相關(guān)工作

2.1 測量數(shù)據(jù)分類

首先，把各類測量數(shù)據(jù)都抽象為Y＝f（X）這樣一個函數(shù)關(guān)系。表達(dá)式中的Y代表測量結(jié)果也就是可視化對象。表達(dá)式中X對應(yīng)測量結(jié)果Y發(fā)生的條件，如測量的空間位置，測量的時間等任何和Y相關(guān)的可數(shù)字化的量。把Y的維數(shù)稱為測量結(jié)果的維數(shù)，X的維數(shù)稱為測量條件的維數(shù)。這樣根據(jù)X和Y維數(shù)的不同，對數(shù)據(jù)分類。比如，最簡單的數(shù)據(jù)類型是X、Y的維數(shù)都為1的情況。常見的使用示波器顯示的信號時域圖就屬于對這種類型數(shù)據(jù)的可視化，即Y對應(yīng)被測量信號在某個時刻的幅值，X對應(yīng)該測量發(fā)生的時間。當(dāng)X和Y的維數(shù)都較?。╔、Y的維數(shù)均小于3）時，數(shù)據(jù)可視化圖形繪制的方法比較簡單也比較成熟，本文不做詳細(xì)介紹。當(dāng)X或Y的維數(shù)大于3時，一般采取降維方式先處理數(shù)據(jù)，即提取數(shù)據(jù)中的部分信息使X和Y的維數(shù)都小于或等于3，從而按照低維數(shù)據(jù)的可視化方式給予顯示。本文重點在于介紹X的維數(shù)為3時測量數(shù)據(jù)的可視化方式。為行文方便，當(dāng)X的維數(shù)為3、Y的維數(shù)為1時，此類數(shù)據(jù)簡稱為三維標(biāo)量數(shù)據(jù)，其中三維是指X的維數(shù)為3，標(biāo)量表示測量對象Y的維數(shù)為1。X的維數(shù)為3，Y的維數(shù)大于1時，稱為三維矢量數(shù)據(jù)。以上兩種數(shù)據(jù)又統(tǒng)稱為三維數(shù)據(jù)。在測量數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)方案中，將根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型建立相應(yīng)的三維模型，建模方法在第4節(jié)中做詳細(xì)介紹。

2.2 CAVE技術(shù)

CAVE是洞穴式顯示裝置（Computer Automatic Virtual Environment）的簡稱，是指一種基于計算機圖形學(xué)的多面式投影顯示系統(tǒng)［6］。由于CAVE系統(tǒng)實現(xiàn)了多面式投影，并且多個投影面之間是兩兩垂直的，因此有效增加了觀察者的視野范圍，增強了觀察者的沉浸感以及圖像的空間感，從而有利于表達(dá)圖形的空間深度信息。這些特性在表達(dá)大量三維數(shù)據(jù)的空間位置關(guān)系時可起到顯著作用。CAVE系統(tǒng)的關(guān)鍵在于保證各投影面的圖形拼接自然連續(xù)，根據(jù)文獻(xiàn)［6］的介紹，通過對視圖中投影變換矩陣的控制可以使投影面拼接自然連續(xù)。所謂投影變換矩陣是指將三維模型投影到顯示設(shè)備的二維平面上時，將三維坐標(biāo)（即三維模型在三維空間中的坐標(biāo)）轉(zhuǎn)變?yōu)槎S坐標(biāo)（即在顯示屏幕上的坐標(biāo)，因顯示屏幕為二維所以需將三維模型的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)）所經(jīng)過的矩陣變換。矩陣變換以齊次坐標(biāo)形式完成。在CAVE系統(tǒng)中，一個投影面所對應(yīng)的投影變換矩陣如式（1）所示。

式中，D為投影面邊長的一半，ZFar和ZNear是投影遠(yuǎn)近深度距離，x、y、z則是視點的位置。對于其他各投影面來說，對CAVE用戶坐標(biāo)系進(jìn)行90度旋轉(zhuǎn)后，即可得出相應(yīng)的投影變換矩陣。

3 技術(shù)方案

圖1是測量數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的技術(shù)方案圖。

圖1 測量數(shù)據(jù)可視化技術(shù)方案圖

首先從整體上看，本技術(shù)方案虛線框中部分的作用是建立表達(dá)數(shù)據(jù)的三維模型。它首先根據(jù)數(shù)據(jù)類型確立一種映射方式，然后按照此映射方式將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型。不同類型的三維數(shù)據(jù)使用不同的映射方式，采用不同的三維建模方法。這部分工作是數(shù)據(jù)可視化工作的主體，將在本文系統(tǒng)實現(xiàn)部分詳細(xì)介紹三維標(biāo)量及三維矢量數(shù)據(jù)的映射和建模方法。

技術(shù)方案中的“設(shè)計場景”包括對光照方式、用于互動的按鈕或控件、實物模型等部件的設(shè)置與控制。實物模型是指可視化圖形中不表示數(shù)據(jù)的用于表示真實物體的三維模型。例如，在電磁場可視化的工作中，電磁場領(lǐng)域的測量專家要求在可視化圖形中加入代表天線的模型，以便于他們可以根據(jù)天線的位置和方向理解電磁場的測量數(shù)據(jù)。由于天線模型本身不表示數(shù)據(jù)，而是一個實物，因此歸納為實物模型，起到幫助觀察者理解數(shù)據(jù)的目的。

技術(shù)方案中的“實現(xiàn)互動”本質(zhì)上是一種人機交互技術(shù)。桌面型系統(tǒng)的人機交互手段通常是通過鍵盤和鼠標(biāo)，但這種交互方式缺乏現(xiàn)實感，減弱了CAVE系統(tǒng)所營造的沉浸感。為增強現(xiàn)實感使觀察者以一種接近自然的方式進(jìn)行交互，可以利用數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等產(chǎn)品實現(xiàn)交互［7］。結(jié)合技術(shù)方案圖，“實現(xiàn)互動”實際上是利用各種傳感設(shè)備，獲得觀察者的各種動作信息，并根據(jù)這些動作信息改變視圖和場景的設(shè)置。

技術(shù)方案中的“設(shè)置視圖”是實現(xiàn)立體效果和沉浸效果的核心。立體效果是通過3D技術(shù)實現(xiàn)的。而3D技術(shù)的核心在于為觀察者的雙眼各設(shè)置一個視圖，并通過設(shè)置兩個視圖間的視差來實現(xiàn)立體效果。根據(jù)前文關(guān)于CAVE技術(shù)的原理簡要介紹，通過設(shè)置視圖中的投影變換矩陣實現(xiàn)沉浸效果。同時利用視圖還可以設(shè)定用戶觀察場景的觀察位置、視線方向、視野范圍以及裁剪面參數(shù)等。

技術(shù)方案中的“繪制”是數(shù)據(jù)可視化基本流程的步驟之一，在本技術(shù)方案中繪制是根據(jù)視圖的設(shè)置將三維模型及場景轉(zhuǎn)換成要顯示的二維圖像元素。

技術(shù)方案中的“觀察及驗證”是指可視化人員觀察并驗證繪制出來的圖像，并對各個步驟進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到更好的可視化效果。在測量數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域通常從以下幾個方面驗證可視化圖形的正確性［8］：

（1）圖形中圖形元素幅度的大小順序是否正確；

（2）一些標(biāo)志性的關(guān)鍵點處的圖形是否正確；

（3）邊界、角落處是否正確；

（4）零值、最大最小值是否出現(xiàn)在正確的位置；

（5）漸近線是否正確。

另外，如果可以用不同方式生成同一數(shù)據(jù)的可視化圖形，并比較所生成的可視化圖形是否一致，也是對可視化圖形進(jìn)行驗證的有效方法，這種方法簡稱為比較法。最后，結(jié)合測量領(lǐng)域的特點，我們認(rèn)為數(shù)據(jù)可視化的目的在于直觀快速地為數(shù)據(jù)分析者提供一種對數(shù)據(jù)定性的認(rèn)識，而在測量領(lǐng)域通常都需要做精準(zhǔn)的定量分析。因此，通常來說都會使用數(shù)值分析方法，驗證由圖形得來的對數(shù)據(jù)的定性認(rèn)識或預(yù)測是否正確。這種基于數(shù)值分析的判斷也是對測量數(shù)據(jù)可視化圖形的驗證方法之一。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

對應(yīng)技術(shù)方案中的各個步驟，其中“建立三維模型”使用VRML語言實現(xiàn)，“設(shè)計場景”、“實現(xiàn)互動”、“設(shè)置視圖”、“繪制”均通過EON軟件實現(xiàn)。如第3節(jié)所述＂設(shè)置視圖＂是實現(xiàn)立體感和沉浸感的核心，本節(jié)將對視圖的設(shè)置方法做詳細(xì)介紹。

“設(shè)置視圖”通過EON軟件完成，EON是一款完全基于GUI（Graphical User Interface，圖形用戶界面）用來研發(fā)實時3D多媒體應(yīng)用程序的設(shè)計工具。在EON中通過Viewport（視點）節(jié)點來完成對視圖的設(shè)置。

首先為了實現(xiàn)立體顯示，需要設(shè)置左眼和右眼視圖的視差。在Viewport節(jié)點上設(shè)置StereoMaxParallax（立體最大視差）參數(shù)可調(diào)整左右眼的視差。StereoMaxParallax參數(shù)為0時即沒有視差無立體效果，隨著StereoMaxParallax的增大立體效果逐漸增強。如果StereoMaxParallax參數(shù)設(shè)置過大，人腦將無法融合左右眼看到的兩幅圖像，從而使觀察者感到眩暈，影響可視化效果。通常StereoMaxParallax參數(shù)設(shè)置為20左右，根據(jù)觀察者人體特征及顯示設(shè)備的不同，需調(diào)節(jié)StereoMaxParallax參數(shù)值以達(dá)到更好的觀察效果。實現(xiàn)立體效果的本質(zhì)是生成兩幅具有一定視差的視圖，但是由于這兩幅視圖具有很強的相關(guān)性，因此在EON中，使用一個Viewport節(jié)點來實現(xiàn)這兩幅視圖，從而簡化了程序設(shè)計。

結(jié)合本文第2節(jié)的介紹，CAVE技術(shù)的關(guān)鍵是對投影變換矩陣的設(shè)置，在Viewport節(jié)點上通過設(shè)置ProjectionTransform（投影變換矩陣）參數(shù)來實現(xiàn)對投影變換矩陣的設(shè)置。ProjectionTransform參數(shù)是一個包含16個元素的數(shù)組，對應(yīng)投影變換矩陣中的16個元素。從式（1）可以看到，投影變換矩陣與視點的位置相關(guān)。如果要實現(xiàn)觀察者走動時，在各個位置都能看到正確的多面式投影圖像，則必須使用一定的互動設(shè)備（如三維頭部跟蹤器）確定觀察者眼睛所處位置，并將此位置信息傳遞給EON軟件，EON軟件可通過其Script（腳本）節(jié)點實現(xiàn)投影變換矩陣中的算法，從而實現(xiàn)對ProjectionTransform參數(shù)的實時設(shè)置。

5 實驗及結(jié)果分析

5.1 實驗環(huán)境及效果

實驗的硬件環(huán)境為：Intel Core2 Duo 3 GHz CPU，4 GB內(nèi)存，Nvidia Quadro FX1700顯卡，NVIDIA 3D Vision P854立體眼鏡。軟件環(huán)境為：Windows XP操作系統(tǒng)，EON Studio 7.0.0編程環(huán)境，VRML2.0建模語言，DirectX10圖形程序。

下面以電場數(shù)據(jù)為例，說明本可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)效果及可視化結(jié)果的驗證方法。電場數(shù)據(jù)是典型的三維矢量數(shù)據(jù)。被測量電場本身是一個矢量，電場數(shù)據(jù)包括測量點的位置信息x、y、z以及該位置上電場在x、y、z三個方向上的分量ex、ey、ez。即對應(yīng)每一個測量點有三維矢量數(shù)據(jù)（x、y、z、ex、ey、ez）。根據(jù)第4節(jié)介紹的三維矢量數(shù)據(jù)的建模方法，使用彩色圓錐表達(dá)數(shù)據(jù)。按照本文介紹的技術(shù)方案，搭建了一個兩面式的CAVE系統(tǒng)，可視化效果如圖2、圖3所示。在對1萬多個圓錐的場景進(jìn)行測試中系統(tǒng)運行順暢，幾乎感覺不到延遲感，各投影面均能提供正確的立體影像，各投影面的拼接自然，連續(xù)感強。

5.2 實驗結(jié)果驗證

前文已簡要介紹了驗證測量數(shù)據(jù)可視化圖形的方法，下面將結(jié)合本實驗，重點介紹比較法。

圖2 包含觀察者在內(nèi)的系統(tǒng)運行效果圖

圖3 兩面式CAVE系統(tǒng)運行效果圖

因為可視化系統(tǒng)是以軟件算法為核心的。因此，在比較法中所謂以其它方式實現(xiàn)同一數(shù)據(jù)的可視化，其核心在于使用不同軟件實現(xiàn)同一數(shù)據(jù)的可視化。本實驗使用FEKO軟件生成相同數(shù)據(jù)的電場圖形，從而驗證本課題研制系統(tǒng)的正確性。FEKO是一款著名的用于三維結(jié)構(gòu)電磁場分析的仿真工具。為便于觀察比較圖形，截取了x＝－5、x＝0.1、z＝－5三個截面，并調(diào)整了觀察視角。所得對比圖形如圖4～圖9所示。其中，圖4～圖6為本課題所研制可視化系統(tǒng)生成的圖形。圖7～圖9為FEKO軟件生成的圖形。圖10摘自介紹電磁場理論的經(jīng)典教科書《天線》［4］。該圖截取了x＝0.1附近的電場圖。可以看出這3種方式得到的圖形，從幅度和方向上所描述的信息都是一致的。通過以上方式對本實驗數(shù)據(jù)可視化圖形進(jìn)行了驗證。

6 結(jié) 論

圖4 NIM（x＝0.1）電磁場截面圖

圖5 NIM（x＝－5）電磁場截面圖

圖6 NIM（z＝－5）電磁場截面圖

本文首先從數(shù)據(jù)可視化的角度給測量數(shù)據(jù)提供了一種分類方法。對測量數(shù)據(jù)的合理分類將大大增強可視化方法的通用性。在此分類的基礎(chǔ)上，按照本文介紹的技術(shù)方案搭建了一套具有沉浸感和立體感的多面式測量數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。最后結(jié)合實例說明了對可視化結(jié)果的驗證方法。通過上述步驟，形成了一套從數(shù)據(jù)分析開始至圖形驗證結(jié)束的較為系統(tǒng)完整的通用型測量數(shù)據(jù)可視化方案。

圖7 FEKO（x＝0.1）電磁場截面圖

圖8 FEKO（x＝－5）電磁場截面圖

圖9 FEKO（z＝－5）電磁場截面圖

測量數(shù)據(jù)可視化是虛擬測量的基礎(chǔ)，而虛擬測量則是利用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助傳統(tǒng)計量的重要發(fā)展方向。圍繞虛擬測量技術(shù)，測量數(shù)據(jù)可視化未來工作的重點包括：

圖10 《天線》（x＝0.1）電磁場截面圖

（1）增強實時性：即在進(jìn)行測量的同時，實時地對測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化。這需要對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行計算等技術(shù)的理解和運用。實現(xiàn)實時顯示后，可以通過得到的圖形實時指導(dǎo)測試過程和測試方法。

（2）增強交互性：在實現(xiàn)實時性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實世界中互動操作到真實世界實際測量動作的映射。測量人員通過在虛擬現(xiàn)實世界中的一些動作實現(xiàn)對測試裝置的設(shè)置從而控制真實世界的測量，并將測量結(jié)果實時顯示出來。

（3）加強標(biāo)準(zhǔn)化工作，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可視化流程和標(biāo)準(zhǔn)可視化場景模型，以增強系統(tǒng)的通用性和易用性。

致謝：感謝中國計量科學(xué)院信息電子所、長度所的大力支持，信息電子所孟東林、李瀟，長度所薛梓研究員為實驗提供了大量測量數(shù)據(jù)，并對可視化效果給出了評價和寶貴的改進(jìn)意見。

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［4］ 克勞斯，馬赫弗卡.天線［M］.章文勛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004，29－31.

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Visualization of Measurement Data Based on Virtual Reality

ZHOU Xin1， FANG Hong1， HOU Li-xin1， LIU Ke1， ZHAO Hai-ning1，AN Ying2， YANG Li1， Bian Xin1
（1.Information Metrology Laboratory，National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；
2.Beijing Xicheng Institute for Drug Control，Beijing 100037，China）

Based on the classification of measurement data from the perspective of visualization，a method of 3D modeling for two types ofmeasurement data is presented.Then by integrating the CAVE and 3D technologies into the basic procedure of data visualization，a new technical solution formeasurement data visualization is proposed.The solutionwhich has a 3－D effect and an immersion effect to enhance the perception of observers，is based on 3D modeling，assisted by scene setup，and uses view control as the essential part.

Metrology；Data visualization；Virtual reality；CAVE；3Dmodel

TB973

A

1000-1158（2014）04-0387-06

2012-11-06；

2013-07-23

中國計量科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費項目（27-AKY1139）

周鑫（1980－），男，北京人，中國計量科學(xué)研究院助理研究員，主要從事信息計量研究。zhouxin＠nim.ac.cn