基于感知特征的時空過程可視化模型構(gòu)建*

郭霄漢 遲遠英 丁治明，2

（1.北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124）（2.中國科學(xué)院軟件研究所 北京 100190）

1 引言

時空過程可視化三維動態(tài)技術(shù)研究是關(guān)于信息表達和傳輸?shù)睦碚?、方法與技術(shù)的一門學(xué)科，是一次對計算機科學(xué)技術(shù)的大膽挑戰(zhàn)，是一次時空三維可視化傳輸方法的理論突破［1］。時空過程可視化三維動態(tài)技術(shù)研究是多門學(xué)科的結(jié)合，包含了計算機圖形學(xué)、計算機數(shù)字技術(shù)、地圖學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息傳輸學(xué)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)。時空過程可視化三維動態(tài)技術(shù)廣泛應(yīng)用于信息輸入、處理、查詢與分析等環(huán)節(jié)，對經(jīng)濟建設(shè)、城市發(fā)展提供客觀方向預(yù)測，成為環(huán)境保護和災(zāi)害監(jiān)測的輔助管理工具［2］。時空過程可視化三維動態(tài)技術(shù)能夠幫助決策者預(yù)測事物發(fā)展趨勢，了解不同時空的尺度實地情況，并掌握其規(guī)律，有利于科學(xué)地做出正確的決策輔助決策者管理，避免因為錯誤預(yù)測和監(jiān)管缺失而導(dǎo)致的盲目建設(shè)，有效提高了社會效益與經(jīng)濟效益。

目前對于時空過程可視化研究，主要包括時空事件過程可視化、時空數(shù)據(jù)圖形可視化和時空空間實體過程可視化等方面。以實際事件作為線索，利用三維數(shù)據(jù)模型對時空對象進行組織模擬，并記錄其可視化的過程與狀態(tài)時空數(shù)據(jù)圖形可視化主要是對于時空數(shù)據(jù)采集可視化方法與實時信息靜態(tài)可視化方法的研究［3］；時空空間實體過程可視化是通過特殊時空對象遷移過程可視化，例如洪水決堤空間實體可視化過程、海洋冰川溫度場的實體空間過程可視化等；時空過程可視化技術(shù)能夠從大量的信息資源中推算出事物發(fā)展的規(guī)律與趨勢，描繪出與實際事物的聯(lián)系，有效地提高人們的洞察力。當(dāng)前，有學(xué)者對此提出了研究方法，如文獻［4］提出構(gòu)建時空過程可視化模型，利用時空數(shù)據(jù)，時空過程，視覺變量，視覺感知，可視化等層次構(gòu)建了模型，能夠有效表達時空要素的位置，形態(tài)，還可以描述事件中的時空過程及時態(tài)變化。文獻［5］提出構(gòu)建群體時空行為可視化分析模型，根據(jù)室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)和定位數(shù)據(jù)特征，分析群體時空分布和移動模式的關(guān)聯(lián)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析和可視化方法構(gòu)建了可交互的時空可視化分析模型。時空數(shù)據(jù)可視化是表達時空要素信息的一種描述方式，它能有效地描繪出時空要素的動態(tài)發(fā)展過程，并展現(xiàn)空間實體過程的位置、形態(tài)，而傳統(tǒng)的方法對時空過程的可視化擬合效果和動態(tài)性方面均難以滿足當(dāng)前需要［4］。為此，提出了構(gòu)建基于感知特征的時空過程可視化模型。對時空數(shù)據(jù)進行分析處理，感知數(shù)據(jù)的特征變量，據(jù)此，刻畫時空過程，如時空要素的位移、擴張、收縮、停滯等。本文討論的感知特征即為視覺感知特征，主要是利用人類視覺系統(tǒng)，模擬人類對信息的感知能力，處理時空變量，如空間特征、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)特征、屬性特征、時態(tài)特征、次序、數(shù)量和大小等。以期，借助人類視覺感知特征能夠全面地描述時空過程中的時態(tài)信息，實現(xiàn)時空過程的表達。

2 時空過程可視化模型構(gòu)建方法設(shè)計

2.1 模擬時空過程

時空數(shù)據(jù)經(jīng)由時空篩選模式生成動態(tài)可視化的效果，這僅僅是空間數(shù)據(jù)最常規(guī)的伴隨時間的更替而變化的，等同于將快速照片播放的動態(tài)可視化，由于時間的前進方式是跳動跨越的，造成可視化效果與真實偏差很大，不能很順暢地展現(xiàn)時空過程。

分析探究了在感知特點的基礎(chǔ)上進行時空過程的模擬方法，去真正帶來超清仿真的順滑的動態(tài)化可視效果。不僅要對時空數(shù)據(jù)進行動態(tài)的可視化，而且要與軌跡動畫和幀動畫技術(shù)相結(jié)合，提取Tb前一時間與Te后一時間之間的時序間隙的感知特效，具體公式如下：

其中，A(t)表示特征提取函數(shù)或變量在t時刻的值。

在數(shù)據(jù)模型中抽取兩個模擬時段即“出現(xiàn)過程”和“消失過程”，對相鄰時空數(shù)據(jù)之間的變化進行模擬，完成數(shù)據(jù)的順利過渡，實現(xiàn)對整個時空過程順暢的模擬演練［5］。房屋建設(shè)的動畫模擬開始到結(jié)束整個時段的變化，規(guī)避房屋直接突然成型的斷條切換。

上面提及的時空過程模擬方式，對時空的縫隙及“時間裂痕”進行了有效彌補，其結(jié)果不僅僅保留了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時還能夠保證時空過程的平滑可視化。

為了反映出時空過程的平滑效果，將感知特征應(yīng)用到時空過程模擬中，采用時序間隙提取時空過程的感知特征，將相鄰時空數(shù)據(jù)的變化過程模擬出來。

2.2 選擇時空視覺變量

視覺變量是地圖符號組成的基礎(chǔ)部分，能夠有效幫助地圖增強表達效果，有助于提升地圖符號信息的有效傳達［6］。視覺變量的定義是能帶來視覺變化的基本圖形和色彩。

視覺變量適合描述時空要素的位置移動、擴增、消失等過程。根據(jù)時空過程的可視化標(biāo)準(zhǔn)以及開發(fā)基礎(chǔ)，對時空視覺的變量統(tǒng)一分為三部分，即空間、屬性、時態(tài)視覺變量［1］。

空間視覺變量由多種因素組成，其中有形狀、大小、方向、方位、密度和構(gòu)架等；色彩、亮度、飽和度、紋理構(gòu)成了屬性視覺變量；時態(tài)視覺變量涵蓋了發(fā)生節(jié)點、時間、順序、變化速度和頻率。

可視化過程要求根據(jù)時空過程的不同去描述相符的視覺變量，并且組合起多樣的視覺變量去描述多種類型的時空過程，由此可見，時空信息的呈現(xiàn)的質(zhì)量受所選視覺變量的質(zhì)量影響。時空過程可視化視覺變量統(tǒng)計表如表1所示。

表1 時空過程可視化視覺變量統(tǒng)計表

利用視覺變量的定義，提高時空數(shù)據(jù)變化過程的傳達效率，通過劃分時空視覺變量，為時空過程選擇合適的視覺變量，采用多種視覺變量組合的方式，消除時空信息表達質(zhì)量的影響因素，實現(xiàn)時空視覺變量的選擇。

2.3 設(shè)計三維時空過程數(shù)據(jù)模型

采集方法和形式不盡相同，同一個地區(qū)采集來的地理信息就會是多元化的，由此帶來了多元化的時空數(shù)據(jù)，比如DRG地圖、遙感影像、DLG矢量、CAD成像數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)格式都是多種多樣的，維數(shù)、坐標(biāo)、信息都是多元化的，對時空數(shù)據(jù)的解析以及數(shù)據(jù)特點的研究，可以看出需要一定的時空數(shù)據(jù)模型去具體定義時空數(shù)據(jù)進而實現(xiàn)GIS的研究與應(yīng)用，并且在計算機中對多元化的時空數(shù)據(jù)去定義、儲存、傳送和可視化［7］。時空數(shù)據(jù)具備三維動態(tài)可視化的特征、以及數(shù)據(jù)動態(tài)不斷創(chuàng)新、三維動態(tài)可視化已然實現(xiàn)的情況，研發(fā)了三位時空數(shù)據(jù)模型，可以適用于影像、矢量等多元數(shù)據(jù)。三維時空數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維時空數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖

三維時空數(shù)據(jù)模型的最小單元對象可以簡單理解成對地形、河流、道路、建筑物等地理事物的某一個具體狀態(tài)的數(shù)據(jù)。用統(tǒng)一的時空過程標(biāo)識將多個不同時態(tài)的對象串聯(lián)起來形成一個時空過程［8］。每一個時空過程中的時間點或者片段由具體狀態(tài)對象表示，狀態(tài)對象用自己的ID來區(qū)分。每個狀態(tài)對象包含三種信息，其一是以三維幾何模型為主體的空間信息，其二是以持續(xù)時間的起始時間記錄為主體的時間信息，其三是用以儲存那些非時空信息相關(guān)的屬性信息。

由于時空過程數(shù)據(jù)的采樣方式不同，必須采用時空過程數(shù)據(jù)模型，來描述時空過程，根據(jù)可視化的特點，設(shè)計了三維時空過程數(shù)據(jù)模型。

BAEP檢查，其突出優(yōu)點是各波有相對固定的起源，潛伏期恒定，不被受檢者的意識狀態(tài)及鎮(zhèn)靜劑所影響，所得結(jié)果的重復(fù)性強［12］。對孤獨癥患兒進行BAEP檢測，可以了解患兒的外周聽神經(jīng)和腦干功能活動的變化，為該病的診斷與治療提供客觀依據(jù)。

2.4 構(gòu)建時空過程可視化模型

對于多源時空數(shù)據(jù)的內(nèi)容及特征進行分析研究，根據(jù)三維時空數(shù)據(jù)庫模型將數(shù)據(jù)源滲透到數(shù)據(jù)模型中的空間、時間、屬性信息的每一部分當(dāng)中去，歸納出這一時空建模程序，該程序適用于DEM、DOM、DLG等多種數(shù)據(jù)源［9~10］，時空過程可視化模型構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 時空過程可視化模型

Step1：拆分與獲取。

針對不同種類的數(shù)據(jù)源進行內(nèi)容拆分成三類信息，首先是坐標(biāo)、影像、數(shù)理、圖形等與空間相關(guān)的數(shù)據(jù)信息；其次是包含時間、對過程的描述、周期性等的與時間有關(guān)的信息；最后是其他數(shù)據(jù)信息。同時從以上各種類型中獲取空間、時間、屬性源的數(shù)據(jù)。

Step2：時空系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。

針對不同數(shù)據(jù)源的時空信息進行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化歸類，將空間、時間坐標(biāo)系統(tǒng)、時間、屬性語義統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，更加適用于所需求的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

Step3：三維模型建立。

在空間信息的內(nèi)容基礎(chǔ)上，統(tǒng)一的空間參考為參照［10~11］，建立起三維立體模型，舉例來看，三維地形模型是采用DEM和DOM紋理制作而成，三維建筑物模型是運用CAD底圖和真實收集出來的建筑物的外形與肌理建立。

Step4：同步運行，時間映射。

Step5：構(gòu)建三維時空數(shù)據(jù)對象。

將映射后的數(shù)據(jù)庫時間、語義、格式統(tǒng)一的屬性信息建立獨有的ID并且錄進數(shù)據(jù)庫，用UserID對現(xiàn)有的時間關(guān)聯(lián)關(guān)系中的同一時空過程上的數(shù)據(jù)進行記錄；將數(shù)據(jù)庫表中相呼應(yīng)的ID命名的節(jié)點附加到三維幾何模型的最頂端，組建起空間數(shù)據(jù)與屬性、時間數(shù)據(jù)的關(guān)系的映射［17~18］；三維時空數(shù)據(jù)模型是由同一個ID的數(shù)據(jù)庫和三維模型文件構(gòu)成的。在程序中的數(shù)據(jù)庫里，以某一ID命名的三維幾何模型具體描述了以該ID命名的幾何節(jié)點的幾何內(nèi)容，承載這一ID的數(shù)據(jù)庫I表格里記錄了節(jié)點的用戶信息，這里面具體包括了時間和屬性和UserID，三維時空數(shù)據(jù)模型在能夠在數(shù)據(jù)層面得以順利實現(xiàn)的表現(xiàn)就是該節(jié)點的產(chǎn)生。

綜上所述，通過分析時空過程的特點，設(shè)計了時空過程可視化模型構(gòu)建流程，構(gòu)建了時空過程可視化模型，實現(xiàn)了時空過程的可視化。

3 實驗對比分析

為了驗證基于感知特征的時空過程可視化模型的性能，分別引入文獻［4］的時空過程可視化模型和文獻［5］的時空過程可視化模型進行對比。其中，兩種方法均為較為先進、應(yīng)用較為廣泛的方法，表現(xiàn)能力較為豐富，與之對比能夠凸顯本文設(shè)計方法的優(yōu)越性。實驗指標(biāo)選擇擬合程度和動態(tài)度。其中，擬合程度為構(gòu)建的可視化模型與實際發(fā)生情況的吻合程度，能夠體現(xiàn)設(shè)計方法的模擬精確性。動態(tài)度為構(gòu)建的可視化模型的表達的豐富程度，以圖片、視頻、音頻等多媒體手段的應(yīng)用效果評分為判定標(biāo)準(zhǔn)，能夠體現(xiàn)設(shè)計方法對時空過程可視化模型的生動形象程度。

三個時空過程可視化模型的擬合程度對比結(jié)果如表2所示。

從表2的實驗結(jié)果可以看出，在擬合程度測試中，基于感知特征的時空過程可視化模型的擬合程度是最高的，其次是文獻［5］的時空過程可視化模型，擬合程度最差的是文獻［4］的時空過程可視化模型，原因是基于感知特征的時空過程可視化模型在對時空過程進行可視化過程中，先對時空過程進行了模擬，使得時空過程達到了一種動態(tài)可視化的平滑效果，從而提高了基于感知特征的時空過程可視化模型的擬合程度。

表2 時空過程可視化模型的擬合程度對比結(jié)果

三個時空過程可視化模型的動態(tài)度對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 時空過程可視化模型的動態(tài)度對比結(jié)果

從圖3的實驗結(jié)果可以看出，在動態(tài)度測試中，基于感知特征的時空過程可視化模型的動態(tài)度是最高的，文獻［4］的時空過程可視化模型的動態(tài)度是最低的，原因是基于感知特征的時空過程可視化模型選擇的時空視覺變量可以建立三維時空數(shù)據(jù)模型，根據(jù)三維時空數(shù)據(jù)模型，設(shè)計了時空過程的可視化步驟，從而大大提高了基于感知特征的時空過程可視化模型的動態(tài)度。

4 結(jié)語

本文提出了基于感知特征的時空過程可視化模型構(gòu)建，在對時空過程進行模擬的基礎(chǔ)上，考慮到時空過程可視化會受到感知特征和視覺變量等因素的影響，選擇了合適的時空視覺變量，通過建立三維時空數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建了時空過程可視化模型，實現(xiàn)了時空過程的可視化。實驗結(jié)果顯示，本文構(gòu)建的時空過程可視化模型不僅具有更高的擬合程度，在動態(tài)度測試中還具有更好的優(yōu)勢。在今后的研究中，還需要盡量將多媒體數(shù)據(jù)和不同種類的屬性數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，研究一種多源時空過程的可視化方法，為時空過程可視化提供可靠的技術(shù)支持。