VisualizaVisualizaçção Cientão Cientííficafica-- IntroduIntroduççãoão

João Manuel R. S. TavaresJoão Manuel R. S. TavaresJorge Gomes BarbosaJorge Gomes Barbosa

url: www.fe.up.pt/~tavares/ensino/VISCI/visci.html

J. Tavares / J. BarbosaJ. Tavares / J. Barbosa VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica fica -- IntroduIntroduççãoão 22

DocentesDocentes

João Manuel R. S. TavaresJoão Manuel R. S. TavaresDepartamento de Eng. Mecânica e Gestão Departamento de Eng. Mecânica e Gestão Industrial Industrial –– FEUPFEUPemail: email: tavares@fe.up.pttavares@fe.up.pturl: url: www.fe.up.pt/~tavareswww.fe.up.pt/~tavaresJorge Gomes BarbosaJorge Gomes BarbosaDepartamento de Eng. ElectrotDepartamento de Eng. Electrotéécnicacnicae de Computadores e de Computadores –– FEUPFEUPemail: email: jbarbosa@fe.up.ptjbarbosa@fe.up.pturl: url: www.fe.up.ptwww.fe.up.pt//~jbarbosa~jbarbosa

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica?fica?

A A VisualizaVisualizaçção em Computaão em Computaçção Cientificaão Cientifica foi considerada como foi considerada como uma disciplina em 1987.uma disciplina em 1987.((inin TheThe reportreport ofof NFSNFS’’s s AdvisoryAdvisory PanelPanel onon GraphicsGraphics, , ImageImageProcessingProcessing, , andand WorkstationsWorkstations))

VisualizaVisualizaççãoão: o acto ou processo de interpreta: o acto ou processo de interpretaçção segundo ão segundo princprincíípios visuais ou de transformapios visuais ou de transformaçção numa forma visual.ão numa forma visual.

–– Por outras palavras: melhorar a percepPor outras palavras: melhorar a percepçção humana relativamenteão humana relativamentea um qualquer fena um qualquer fenóómeno por intermmeno por interméédio de imagens, sdio de imagens, sééries de ries de imagens ou outras manifestaimagens ou outras manifestaçções visuais. ões visuais.

Em visualizaEm visualizaçção cientão cientíífica, fica, qualquer fenqualquer fenóómenomeno significa significa conjuntos de dados segundo um determinado formato, conjuntos de dados segundo um determinado formato, geralmente grandes conjuntos de dados numgeralmente grandes conjuntos de dados numééricos resultantes ricos resultantes de uma experiência ou de um processo computacional.de uma experiência ou de um processo computacional.

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica?fica?

Algumas DefiniAlgumas Definiçções:ões:–– UtilizaUtilizaçção de tão de téécnicas de computacnicas de computaçção grão grááfica e de imagem para fica e de imagem para

representar visualmente dados. (representar visualmente dados. (WolffWolff andand YaegerYaeger, , VisualizationVisualization ofofNatural Natural PhenomenaPhenomena, ELOS, , ELOS, SpringerSpringer--VerlagVerlag, 1993, 1993))

–– VisualizaVisualizaçção ão éé um mum méétodo de computatodo de computaçção. Transforma o simbão. Transforma o simbóólico lico no geomno geoméétrico, permitindo aos investigadores observar as suas trico, permitindo aos investigadores observar as suas simulasimulaçções e computaões e computaçções. Visualizaões. Visualizaçção oferece um mão oferece um méétodo para todo para visualizar o que não estvisualizar o que não estáá visvisíível. Enriquece o processo de vel. Enriquece o processo de descoberta cientdescoberta cientíífica e nutre perspicfica e nutre perspicáácias profundas e inesperadas. cias profundas e inesperadas. Em muitos domEm muitos domíínios estnios estáá a revolucionar o modo dos cientistas a revolucionar o modo dos cientistas fazerem ciência. (fazerem ciência. (VisualizationVisualization inin ScientificScientific Computing, ACM Computing, ACM SIGGRAPH, 1987SIGGRAPH, 1987))

–– O uso de computaO uso de computaçção grão grááfica para criar imagens visuais que ajudam fica para criar imagens visuais que ajudam na compreensão de conceitos cientna compreensão de conceitos cientííficos ou resultados complexos, ficos ou resultados complexos, frequentemente associados a representafrequentemente associados a representaçções numões numééricas volumosas. ricas volumosas. ((McCormickMcCormick etet alal (1987), (1987), VisualisationVisualisation inin ScientificScientific Computing, Computing, ComputerComputer GraphicsGraphics 21 (6) 21 (6) -- NationalNational ScienceScience FoundationFoundation reportreport))

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Porquê VisualizaPorquê Visualizaçção ão CientCientíífica?fica?

Processos numProcessos numééricos ou experiências ricos ou experiências complexas geram grandes volumes de complexas geram grandes volumes de dados;dados;As tAs téécnicas de visualizacnicas de visualizaçção são empregues ão são empregues na anna anáálise e extraclise e extracçção de informaão de informaçção ão úútil;til;A visualizaA visualizaçção permite a criaão permite a criaçção de uma imagem ão de uma imagem representativa dos dados:representativa dos dados:–– ““uma imagem vale mais do que mil palavrasuma imagem vale mais do que mil palavras””;;–– O cO céérebro humano estrebro humano estáá vocacionado para processar e vocacionado para processar e

responder a imagens visuais.responder a imagens visuais.

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Computação

ResultadosDATASET UNSTRUCTURED_GRIDPOINTS 201 float2.77828 2.18262 -0.25 0.476 2.4 -0.85 0.85 2.4 -0.476 -0.476 2.4 -0.85 -0.85 2.4 -0.476 -0.85 2.4 0.476 -0.476 2.4 0.85 0.476 2.4 0.85 0.85 2.4 0.476 2.55 0.8625 0.66 CELLS 458 22904 41 29 65 80 4 53 41 65 82 4 35 34 47 71

Processos

Modelo Matemático/Experimental

Porquê VisualizaPorquê Visualizaçção ão CientCientíífica?fica?

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PipelinePipeline de Visualizade Visualizaççãoão

Realidade

ModeloMatemático

ModeloExperimental

Dados

Visualização

Imagem

Dados maisrepresentativos

Imagem maisdescritiva

Pipeline

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PipelinePipeline de Visualizade Visualizaçção: ão: FasesFases1.1. Ler/gerar dados;Ler/gerar dados;2.2. Aplicar algoritmos de visualizaAplicar algoritmos de visualizaçção (filtros);ão (filtros);

–– Modificar/processar os dados.Modificar/processar os dados.

3.3. Mapear os resultados em primitivas Mapear os resultados em primitivas grgrááficas;ficas;–– Pontos, linhas, polPontos, linhas, políígonos, gonos, ……

4.4. RenderizarRenderizar ososresultados numaresultados numaimagem.imagem.

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

A visualizaA visualizaçção junta dois domão junta dois domíínios distintos: o das nios distintos: o das ciências tradicionais (fciências tradicionais (fíísica, qusica, quíímica, biologia, mica, biologia, ……) e ) e o da computao da computaçção grão grááfica.fica.

Exemplos de domExemplos de domíínios de aplicanios de aplicaçção:ão:–– Ciências naturais (Geologia, Meteorologia, Oceanografia, Ciências naturais (Geologia, Meteorologia, Oceanografia,

Ambiente, ...);Ambiente, ...);–– Engenharias (Dinâmica computacional dos fluidos, Engenharias (Dinâmica computacional dos fluidos,

ModelamentoModelamento de Processos Industriais, ...);de Processos Industriais, ...);–– FFíísicas (Fsicas (Fíísica das partsica das partíículas, ...);culas, ...);–– Biologia e Medicina;Biologia e Medicina;–– Industria de entretimento (Cinema, TV, Jogos, ...);Industria de entretimento (Cinema, TV, Jogos, ...);–– VisualizaVisualizaçção dos resultados obtidos por um ão dos resultados obtidos por um

qualquer programa computacional ou processo qualquer programa computacional ou processo experimentalexperimental; ...; ...

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

url: www.nas.nasa.gov/Software/FAST/gallery.html

Visualização do fluxo do ar

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

Visualização de modelações moleculares

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

Visualização de um Mapa meteorológico (temperatura, humidade e velocidade do vento)

url: http://grads.iges.org/pix/analyses.html

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

Visualização da qualidade do ar

Visualização da previsão meteorológica combinada com dados GIS do terreno

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

Visualização dos dados e resultados 3D de FEM(Método dos Elementos Finitos)

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

Visualização da simulação de embates em veículos

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

Visualização em Medicina I

Visualização 2D

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VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica: fica: ExemplosExemplos

Visualização em Medicina II

Visualização/Reconstrução 3D

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Programa da DisciplinaPrograma da Disciplina

1.1. IntroduIntroduççãoão2.2. IntroduIntroduçção ão àà programaprogramaçção por ão por

objectosobjectos3.3. PipelinePipeline de visualizade visualizaççãoão4.4. RepresentaRepresentaçção de dados para ão de dados para

visualizavisualizaççãoão5.5. Algoritmos de visualizaAlgoritmos de visualizaççãoão6.6. Algoritmos de visualizaAlgoritmos de visualizaçção melhoradaão melhorada

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Programa da DisciplinaPrograma da Disciplina

7.7. ManipulaManipulaçção de dadosão de dados8.8. VisualizaVisualizaçção de dados imagemão de dados imagem9.9. AplicaAplicaçções ões

J. Tavares / J. BarbosaJ. Tavares / J. Barbosa VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica fica -- IntroduIntroduççãoão 2020

Programa da Disciplina Programa da Disciplina --PrevistoPrevisto

Tema Nº AulasIntrodução 1

Introdução (Revisão) à Programação em C/C++ 4

Introdução ao VTK 3

Instalação, compilação e utilização do VTK 2

Modelo gráfico do VTK 4

Algoritmos de Visualização usando o VTK 3

Aulas destinadas aos trabalhos práticos 2

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Bibliografia BaseBibliografia Base

The Visualization ToolkitThe Visualization ToolkitWill Schroeder, Ken Martin, Bill Will Schroeder, Ken Martin, Bill LorensenLorensenPrentice HallPrentice HallVTK UserVTK User’’s Guides GuideWill Schroeder, Ken MartinWill Schroeder, Ken MartinKitwareKitware, Inc, IncComputer GraphicsComputer GraphicsFoley, Foley, vanDamvanDam, , FeinerFeiner, Hughes, HughesAddison WesleyAddison WesleyDigital Image ProcessingDigital Image ProcessingRafael C. Gonzalez, Richard E. WoodsRafael C. Gonzalez, Richard E. WoodsPrentice HallPrentice HallAcetatos e ExercAcetatos e Exercíícios da Disciplinacios da DisciplinaDownloadDownload em: em: www.fe.up.ptwww.fe.up.pt//~tavares~tavares/ensino/VISCI//ensino/VISCI/visci.htmlvisci.html

J. Tavares / J. BarbosaJ. Tavares / J. Barbosa VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica fica -- IntroduIntroduççãoão 2222

SoftwareSoftware BaseBase

VTK VTK –– The Visualization ToolkitThe Visualization Toolkithttp://http://www.kitware.comwww.kitware.comVolViewVolView –– Interactive System for Interactive System for Volume VisualizationVolume Visualizationhttp://http://www.kitware.comwww.kitware.comITK ITK –– Insight Segmentation andInsight Segmentation andRegistration ToolkitRegistration Toolkithttp://http://www.itk.orgwww.itk.org

Windows/Unix

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MetodologiaMetodologia

As aulas serão compostas por:As aulas serão compostas por:–– exposiexposiççãoão dos fundamentos e dos dos fundamentos e dos

algoritmos a utilizar;algoritmos a utilizar;–– aplicaaplicaççãoão dos mesmos em casos de dos mesmos em casos de

estudo.estudo.

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AvaliaAvaliaççãoão

A avaliaA avaliaçção serão seráá contcontíínua, sem exame nua, sem exame final.final.A avaliaA avaliaçção ão éé constituconstituíída por:da por:

–– RealizaRealizaçção, apresentaão, apresentaçção e discussão de ão e discussão de um trabalho prum trabalho práático individual, com peso tico individual, com peso de 70% na nota final;de 70% na nota final;

–– Uma prova escrita, com peso de 30% na Uma prova escrita, com peso de 30% na nota final.nota final.

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Trabalhos PrTrabalhos Prááticosticos

Notas sobre os trabalhos prNotas sobre os trabalhos prááticos em ticos em http://paginas.fe.up.pt/~tavares/ensino/VISCI/Downloads/Aponthttp://paginas.fe.up.pt/~tavares/ensino/VISCI/Downloads/Apontamentos/Trabalhos.pdfamentos/Trabalhos.pdf..Trabalhos da ediTrabalhos da ediçção anterior disponão anterior disponííveis em veis em

http://paginas.fe.up.pt/~tavares/ensino/VISCI/visci%20trabalhoshttp://paginas.fe.up.pt/~tavares/ensino/VISCI/visci%20trabalhos_pt.html_pt.html..Os trabalhos prOs trabalhos prááticos deverão ser constituticos deverão ser constituíídos por:dos por:

–– ProgramaPrograma, preferencialmente em linguagem C/C, preferencialmente em linguagem C/C++++, que , que envolva questões de visualizaenvolva questões de visualizaçção de dados, representaão de dados, representaçção ão e processamento;e processamento;

–– RelatRelatóóriorio, a descrever detalhadamente o trabalho , a descrever detalhadamente o trabalho realizado;realizado;

–– ApresentaApresentaççãoão, em , em powerpointpowerpoint, e , e discussãodiscussão oral com oral com os docentes e alunos da disciplina.os docentes e alunos da disciplina.

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Trabalhos PrTrabalhos Prááticos ticos --TTóópicospicosProcessamento e anProcessamento e anáálise de imagem:lise de imagem:

CorrelaCorrelaçção de imagens;ão de imagens;Conversão de formatos de imagem;Conversão de formatos de imagem;Realizar, representar o histograma de uma imagem;Realizar, representar o histograma de uma imagem;BinarizaBinarizaççãoão de imagens;de imagens;Convulsão de imagem;Convulsão de imagem;FunFunçções morfolões morfolóógicas em imagens;gicas em imagens;FunFunçções lões lóógicas e aritmgicas e aritmééticas em/entre imagens;ticas em/entre imagens;Uma aplicaUma aplicaçção bão báásica de processamento e ansica de processamento e anáálise de lise de imagem;imagem;ReconstruReconstruçção 3D de ão 3D de objectosobjectos definidos em definidos em slicesslices;;Redimensionamento e interpolaRedimensionamento e interpolaçção de imagens;ão de imagens;EsqueletizaEsqueletizaççãoão de de objectosobjectos representados em imagens;representados em imagens;......

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Trabalhos PrTrabalhos Prááticos ticos --TTóópicospicosProcessamento e anProcessamento e anáálise de dados poligonais:lise de dados poligonais:

Visualizar funVisualizar funçções matemões matemááticas;ticas;VisualizaVisualizaçção da curvatura em pontos de ão da curvatura em pontos de objectosobjectos;;Realizar a triangulaRealizar a triangulaçção de pontos 3D, simplificaão de pontos 3D, simplificaçção, ão, suavizasuavizaçção e exportaão e exportaçção da malha nos formatos ão da malha nos formatos VTKVTK e e STLSTL;;Subdivisão e reduSubdivisão e reduçção de malhas poligonais;ão de malhas poligonais;VisualizaVisualizaçção do ão do convexconvex hullhull de de objectosobjectos;;AnAnáálise em componentes principais de um conjunto de lise em componentes principais de um conjunto de dados;dados;RepresentaRepresentaçção de pontos 2D por intermão de pontos 2D por interméédio de curvas dio de curvas splinespline, , bsplinebspline...;...;RealizaRealizaçção de grão de grááficos 2D para conjuntos de dados;ficos 2D para conjuntos de dados;Visualizar e analisar Visualizar e analisar sequênciassequências de pontos 3D definidos em de pontos 3D definidos em ficheiros ficheiros asciiascii (pontos 3D mais tempo);(pontos 3D mais tempo);

J. Tavares / J. BarbosaJ. Tavares / J. Barbosa VisualizaVisualizaçção Cientão Cientíífica fica -- IntroduIntroduççãoão 2828

Trabalhos PrTrabalhos Prááticos ticos --TTóópicospicosProcessamento e anProcessamento e anáálise de dados poligonais:lise de dados poligonais:

Conversão entre ficheiros de dados poligonais;Conversão entre ficheiros de dados poligonais;Visualizar um Visualizar um objectoobjecto 3D e as propriedades do mesmo;3D e as propriedades do mesmo;Realizar operaRealizar operaçções lões lóógicas entre gicas entre objectosobjectos 3D;3D;ProjecProjecççãoão de uma imagem 2D (textura) sobre um de uma imagem 2D (textura) sobre um objectoobjecto3D;3D;ExtracExtracççãoão e visualizae visualizaçção de ão de isoiso--contornoscontornos de uma superfde uma superfíície;cie;VisualizaVisualizaçção ão sequencialsequencial de de objectosobjectos definidos em ficheiros definidos em ficheiros (anima(animaçção temporal de superfão temporal de superfíícies);cies);MorphingMorphing entre entre objectosobjectos 3D;3D;Uma aplicaUma aplicaçção bão báásica de processamento e ansica de processamento e anáálise de lise de objectosobjectos poligonais;poligonais;......