可视化分析系统（共9篇）
可视化分析系统 篇1
1 矿井通风可视化仿真系统在实际应用中的问题
矿井通风可视化仿真系统在矿井通风安全与管理应用中主要是为了实现使用计算机可视化管理实现矿井通风系统的日常管理与控制工作, 已能够快速并且高效的完成矿井通风管理;实现对于矿井通风系统的空间信息以及其他属性信心等的一体化管理和存储功能;实现信息数据的共享;实现矿井通风网络拓扑关系的自动建立和维护。这也是矿井通风可视化仿真管理系统在矿井通风安全管理应用中系统需要实现的目标。
在矿井通风安全管理实际应用中, 构建一个矿井通风可视化仿真管理系统也存在有一些的问题, 对于矿井通风安全管理有一定额影响与局限性, 主要表现在矿井通风可视化仿真系统的可持续开发模式、矿井通风可视化仿真系统的开发研究平台、矿井通风可视化仿真系统的通风网络拓扑关系的建立与维护的自动化、矿井可视化仿真系统通风网络解算和三维仿真以及矿井通风可视化仿真系统的图像自动生成功能。在矿井通风可视化仿真系统中最关键的问题就是关于系统中通风网络解算以及三维仿真功能的实现, 以及系统中图像信息的自动生产与管理, 这些问题是矿井通风可视化仿真系统构建以及应用中最重要的问题, 对于矿井通风可视化仿真系统的构建以及应用都存在着很大的局限。
2 矿井通风可视化仿真系统的改进设计及分析
与矿井通风可视化仿真系统的实际应用构建中存在的问题一样, 对于矿井通风可视化仿真系统的改进设计也是从矿井通风可视化仿真系统的开发平台、开发模式、通风网络拓扑关系维护、通风网络解算以及通风系统双线图的自动生成等方面来进行改进与设计的。
2.1 矿井通风系统开发模式的改进与分析
传统的矿井通风可视化仿真系统开发模式在矿井通风可视化仿真应用中不仅不能满足矿井通风可视化仿真系统对于开发模式的要求, 而且实际应用中还具有一定的局限性。考虑到矿井通风可视化仿真系统对于开发模式的要求以及传统矿井通风可视化仿真系统的开发模式, 为实现矿井通风可视化仿真系统的开发应用, 可以使用NET框架的构件技术和快速原型法相结合的模式来进行矿井通风可视化仿真系统的开发应用, 这样不仅可以解决传统开发方法中存在的问题, 还可以矿井通风可视化仿真系统的可持续开发应用。利用NET框架的构件技术和快速原型法相结合的模式进行矿井通风可视化仿真系统的开发应用就是解决开发平台选择以及快速、低成本的进行矿进通风可视化仿真系统的所需构件等的获取等问题, 来进行基于NET框架的矿井通风可视化仿真系统原型的快速建立和运行。
2.2 矿井通风系统开发平台改进与分析
使用GIS平台进行矿井通风可视化仿真系统的开发利用, 对于矿井通风可视化仿真系统在实际中的应用来讲数据处理不是很便利。从底层开发的矿井通风可视化仿真系统在实际应用中能够得到应用的功能非常有限, 多数图形以及空间分析的功能都不能够实现。在已有的成熟绘图软件上进行矿井通风可视化仿真系统的再次开发利用, 对于矿井通风可视化仿真系统来说不一定能够实现数据与图形的一致, 而且在实际应用过程中一些功能应用也不够齐全。矿井通风可视化仿真系统的图形功能平台需要将传统的矿井通风可视化仿真系统的从底层进行开发的平台和矿井通风可视化仿真系统的GIS开发平台相结合, 因此才能够保证矿井可视化仿真系统的图形功能的齐全, 同时还具有空间分析以及决策功能。对于矿井通风可视化仿真系统的开发平台的改进虽然具有一定的难度, 经实践证明是可实施, 需要注意的是在进行矿井通风可视化仿真系统的改进设计的应将矿井通风的属性信息以及空间信息进行一体化的储存管理, 其次要注意是实现数据共享。
2.3 矿井通风系统中通风网络拓扑关系维护的改进与分析
矿井通风可视化仿真系统中通过自动建立和管理实现矿井通风网络拓扑关系实现矿井通风可视化仿真系统的运行。通风网络拓扑关系对于矿井通风可视化仿真系统的建立以及运行有着重要的关系和作用。传统的矿井通风可视化仿真系统通风网络拓扑关系是由人工进行维护的, 对于矿井通风可视化仿真系统运行来说, 不仅不能够保证通风网络拓扑关系的运行一致性, 并在在维护中很容易出现错误, 不仅效率较低, 而且对于矿井通风可视化仿真系统运行有一定的影响。对于矿井通风可视化仿真系统通风网络拓扑关系维护的改进就是实现通风网络拓扑关系的自动建立和管理, 这对于通风网络拓扑关系以及矿井通风可视化仿真系统运行都非常重要, 不仅可以节省大量的人力物力浪费, 而且能够很大程度上提高工作效率, 对于矿井通风可视化仿真系统数据的一致性也有提高。
2.4 矿井通风系统中通风网络解算的改进与分析
矿井通风可视化仿真系统中通风网络解算是进行矿井通风可视化仿真系统开发建立的基础。对于矿井通风可视化仿真系统中通风网络解算的改进就是将传统的通风网络解算方法进行简化改进, 也就是在Scott-Hinsley迭代法的基础上利用复合分支通风网络简化以及参数的等效变换进行通风网络解算改进。对于改进后的矿井通风可视化仿真系统的通风网络解算方法不仅具有传统的通风网络解算方法的简单、不失真以及等效转化等特点, 还可以实现一条等效分支替换等效果。也就是说使用一条等效分支进行其它等效风阻值的等效代换。在进行矿井通风可视化仿真系统的通风网络解算简化需要注意的是要对于动力设施、固定风量分支等情况进行考虑。
矿井通风可视化仿真系统中通风系统双线图的自动生成方面也需要进行一定的改进设计, 即采用双线图进行通风系统的绘制与维护, 这样不仅可以克服传统的通风系统图局限性, 而且很大程度上也能够提升矿井通风可视化仿真系统的通风系统的工作效率与运行效率。
3 结束语
总之, 实现对于矿井通风可视化仿真系统的构建与应用, 必须克服矿井通风可视化仿真系统中的一些局限性进行相关改进设计, 以保证矿井通风系统的安全与稳定运行, 保证矿井生产作业的安全。
摘要：矿井通风安全以及管理是煤矿生产发展中的重点, 矿井通风可视化仿真系统在国内外研究中也取得了一定的成果, 但是在煤矿安全生产实际应用中, 矿井通风可视化仿真系统仍然具有一定的局限性, 主要表现在矿井通风可视化仿真系统的可持续开发难度较大、空间和属性数据录入效率低、数据共享程度低、矿井通风可视化仿真系统的图形操作与空间操作分析的功能相对比较薄弱、通风网络图与通风立体图自动化程度低、难以实施精确的空间分析以及重复录入现象严重等。在煤矿实际生产安全管理中, 实现矿井通风可视化仿真系统的完善应用必须进行一定的系统改进设计, 以保证矿井通风安全与管理, 保证煤矿生产安全。本文主要结合矿井通风可视化仿真系统在矿井生产作业中的实际应用情况, 对矿井通风可视化仿真系统具体改进进行分析。
关键词：煤矿生产,矿井通风,可视化仿真系统
参考文献
[1]李雨成, 刘剑, 贾廷贵.MVSS3.0在矿井通风系统改造中的应用[J].煤矿安全.2007 (4) .[1]李雨成, 刘剑, 贾廷贵.MVSS3.0在矿井通风系统改造中的应用[J].煤矿安全.2007 (4) .
[2]朱华新, 魏连江, 张飞, 李纪洲, 苏松.矿井通风可视化仿真系统的改进研究[J].采矿与安全工程学报.2009 (3) .[2]朱华新, 魏连江, 张飞, 李纪洲, 苏松.矿井通风可视化仿真系统的改进研究[J].采矿与安全工程学报.2009 (3) .
[3]刘惠临.矿井通风仿真系统可视化建模方法研究[J].电脑知识与技术.2011 (36) .[3]刘惠临.矿井通风仿真系统可视化建模方法研究[J].电脑知识与技术.2011 (36) .
[4]魏连江, 王德明, 王琪, 葛鹏.构建矿井通风可视化仿真系统的关键问题研究[J].煤矿安全.2007 (7) .[4]魏连江, 王德明, 王琪, 葛鹏.构建矿井通风可视化仿真系统的关键问题研究[J].煤矿安全.2007 (7) .
[5]牛永胜, 曹荣, 陈学习, 王平.矿井通风三维可视化仿真系统的设计与实现[J].金属矿山.2007 (7) .[5]牛永胜, 曹荣, 陈学习, 王平.矿井通风三维可视化仿真系统的设计与实现[J].金属矿山.2007 (7) .
可视化分析系统 篇2
1、可视化监管系统实时视频信息，传输至安全生产信息中心和科区值班室、岗位监控室，矿安全生产信息中心和科区值班室、值班岗位对视频信息进行显示、存储、监管、处臵，并实现双向通讯，可以进行安全确认。矿副总以上领导、科区正职要通过手机等移动通信设备随时对管辖地点进行视频信息监控。
2、机电矿长对可视化监管工作负总责，机电副总具体负责。
3、通风区具体负责井下所有可视化监管系统的设备及缆线安装、调试、拆除、回收；以及安全生产信息中心机房设备维护、调试、安装。
4、保运一区负责井上及井筒内（出马头门后由通风区负责）可视化监管系统设备及缆线安装、调试、挪移、运行维护、回收拆除。
5、机电科是矿井可视化系统监督管理单位，负责制定可视化系统质量标准化检查评审标准和分值，组织每月的可视化系统质量标准化检查，并评出名次进行奖罚。
6、矿安监处负责可视化系统安全监督的日常考核，参加每月可视化系统质量标准化检查，并将每月可视化系统质量标准化检查结果纳入使用单位的安全体系建设考评中。
7、机电科负责提供可视化设备电源搭接点、设备入井防爆检查贴证和机电质量标准化监管，并将可视化监控系统纳入机电检查评比。
8、使用单位负责可视化系统摄像头电源的搭接、负责摄像头使用的照明灯领用、电源搭接；负责可视化系统（通风区初次安装、调试后）的挪移、日常保养。摄像仪、照明灯及支架，通风区初次安装后移交使用单位管理。
9、采、掘、机、运、通、保卫等科区级值班岗位以及矿井主要运输、提升等连续运转系统的岗位司机，必须根据视屏信息对本班管理范围内的安全生产状况进行安全管理。
10、可视化监管系统采集的视屏信息作为事故分析、事故追查和处理相关人员的依据。视频信息须设臵权限管理，严禁泄露。
11、矿井可视化监管系统须保证24小时连续运行。出现故障时，矿安全生产信息中心值班调度员应立即安排通风区维修人员处理。
12、矿井可视化监管系统安装、拆除由机电科牵头，会同技术科、安监处、通风区、使用单位下达业务联系书、审批安装措施。
13、井下由通风区负责拆除，升井交机电科设备库；地面由保运一区按措施进行安装、拆除工作。
14、可视化监管系统设备、缆线等均应按技术要求安装、敷设。摄像仪、照明设施悬挂稳固，线缆吊挂整齐，电源可靠。通风区、保运一区安装，机电科验收合格后，移交使用单位。
15、可视化监管系统设备、缆线等人为损坏的，责任人和责任单位均应按原价2-4倍赔偿，机电科负责追查和处罚。
16、通风区严格管理本系统装备的使用和更新状况，保证系统的正常运行。
二、摄像仪、照明设施、线缆等装置的安装与维护
1、下列场所应安装摄像仪和照明设施（1）采煤工作面，机巷、风巷口。（2）综采安装、拆除硐室。
（3）掘进工作面迎头、掘进头车场或人员活动集中地方。（4）主、付井上、下口；在用煤仓上、下口。
（5）主要轨道斜巷上、下口及阶段车场入口。强力皮带机头、机尾和给煤机处。
（6）
二、三水平乘人车场。
（7）井下主要硐室：量煤器、炸药库、大泵房、中央变电所、充电硐室、重要采区变电所、紧急避险硐室、抽排泵站等。
（8）具备安装条件的无极绳等主要移动设备。
（9）地面主要生产车间、设备和材料库房、煤场、出入矿井的大门、其他重要场所等。
2、井下摄像仪、照明设施、缆线等安装与设臵必须符合《煤矿安全规程》以及安徽省和集团公司相关文件规定，并应符合以下标准：
（1）摄像头前后距离监管现场满足清晰显示的要求。且帮、顶稳定，支护合格。无淋水、尘雾，不阻碍行车、行人和施工行为。
（2）掘进头等需要定期移动摄像仪的场所，摄像仪具备数字变焦功能，数字变倍应不低于12x（216倍变焦）。必须保障稳定悬挂，防坠等。
（3）安装摄像仪场所同时要安装灯光照明设施，保证场所 2
视频获取良好视野的采光；掘进头、工作面安装LED射灯用于采光；掘进头的摄像仪与照明灯固定同一支架上，如光线不足，可再安装一台照明灯满足要求。
（4）有工作人员活动的场所，安装摄像仪地点可同时安装调度电话，保证现场可以通过视频、语音与值班室（岗位）、矿安全生产信息中心进行安全确认并可接受调度指令。
（5）采煤工作面：安装5个摄像仪，每个摄像仪处同时安装一盏LED照明灯。第一台定焦摄像仪装在机巷皮带机机头5 m处，监控煤眼口；第二台安装变焦摄像仪在皮带机尾前方10米安装一个摄像仪，监测皮带机机尾、破碎机、转载机头；第三台安装定焦摄像头在距运输机头5 m处，监测方向为运输机头方向；第四台安装变焦摄像仪在工作面内，监控工作面内情况；第五台安装变焦摄像仪在距运输机机尾5 m处，监控机尾和上隅角情况。
工作面摄像头安装示意图
（6）掘进安装2个摄像头，每个摄像头安装一盏LED照明
灯，一个固定变焦安装在上口车场处或其他人员活动场所，监控人员安全活动情况；另一个安装变焦摄像仪面朝迎头方向。
煤锚巷道摄像仪原则上安装在巷道中心线上，固定在顶板工字钢上，摄像头距离地板1.5 m，距迎头15m的合适地点；综掘工作面视频探头安装在综掘机（后退状态）后2米巷道处。
岩巷摄像头安装在偏中心线，固定在巷帮上，距帮1.1-1.5m，距离地板2.0 m；掘进工作面视频探头不使用扒矸机时，固定在距迎头15m的合适地点，使用扒矸机时安装在扒矸机一侧，避开扒矸机绳道。
岩巷掘进头摄像头安装示意图
煤巷掘进头摄像头安装示意图
3、可视化系统装臵入井前，机电科必须按照使用说明书进行调试，机电科必须对防爆性能进行确认并记录，两项都完好后才允许入井。
4、场所安装摄像仪时间：
（1）采煤工作面进人、进装备前要安装可视化监管系统。（2）掘进工作面拨门开窝的同时应安装可视化监管系统。（3）其他场所安装的时间由矿安全生产信息中心根据情况确定。但必须保证场所内的安全生产活动处于可视化系统监管之下。
5、采掘工作面爆破作业时，摄像仪及照明设施、缆线必须挪移至安全地带，并妥善保护，防止爆破受损失爆。挪移工作由当班班、队长负责按规定挪移，挪移中要避免磕碰，放炮后及时恢复设臵到正确位臵。其他人员不得擅自挪移摄像仪等装臵。爆破受损使用单位按价原价2倍赔偿，挪移不恢复的罚200元/次。
6、可视化系统装臵，属地管理单位必须保护好，定期清扫积尘，加强维护，人为损坏的要照价赔偿。单位要专人配备摄像仪清洗剂和镜头擦拭布，每个圆班擦拭镜头一次，因积尘导致图
像不清楚，罚责任单位100元/次。
7、井下通讯工、电工必须施行24小时值班制，系统发生故障时，矿安全生产信心中心要及时安排通讯工、电工下井处理。
8、可视化监管系统使用的井下分站、电源箱等装臵，设臵在采区变电所内，与变电所低压设备摆放一起，成一条线；缆线安装时要按照下发的小线吊挂标准吊挂；否则罚通风区维护责任人10元/米。
9、井下人员定位系统由机电科做专门供电设计，严格按井下电气设备管理规定来执行。否则罚通风区200元/处。
10、井下人员定位系统装臵接线应符合矿井电气管理规定。缆线的连接应采用防水接线盒，芯线接头压接牢实，防止受潮进水。线间、对地绝缘良好，通风区插接头每月检查，防止接头松动，否则罚通风区200元/次。矿机电副总牵头，每月全面检查一次，机电科按照井下电气管理进行检查，并做记录。
11、缆线应吊挂整齐，敷设应与动力电缆分挂在井巷的两侧。条件限制的，也要保持距离动力电缆不小于0.3m。
12、掘进工作面等需要延线的场所，缆线应保持足够的余量，以便保证人员定位系统可以随迎头的推进及时跟进。多余缆线严禁随地堆放，必须用通风区加工的绳盘盘好，挂于宽敞的巷帮。采煤面缆线随着回采后退应适时整理，盘好吊挂在宽敞的巷帮。否则罚使用单位200元/次。
13、采煤工作面封闭、掘进工作面贯通以及场所生产活动结束的地点，矿安全生产信息中心要及时下联系单，安排通风区或使用单位拆除回收。回收不及时罚通风区或使用单位500元/处。
14、回收的缆线上交通风区，其它电源线、摄像头、照明灯、分站、电源箱交到机电科；回收数量机电科统计；分站、电源箱需领用由机电科发放。通风区或使用单位不按照数量回收和上交的罚单位500元/处。
15、可视化监管系统设备必须满足煤矿安全监控系统断电控制管理规定，处于断电控制范围内的可视化监管系统设备必须实现瓦斯电闭锁。
三、运行管理
1、机电科应制定可视化监管系统监管、存档和视频汇报安全确认制度，以及集中分屏显示和重点监管相结合制度。
2、通风区建立井下摄像仪档案台账。记录安装、拆除时间、地点、拆除时间、地点和设备型号、厂家等；
3、安全生产信息中心建立重点监管视频记录薄。记录当班现场视频安全确认内容，和现场主要生产活动以及调度指令等；
4、机电科建立可视化系统业务联系书备存档案。
5、重点监管视频由矿安全生产办公会确定，下达矿安全生产信息中心执行重点监管。
6、场所的安全生产主体是现场工作人员，矿安全生产信息中心原则上不干扰视频监管场所正常、合规的安全生产活动，但通过监管视频可以明确确认的“三违”行为应予以制止，并汇报矿总值班，由矿进行追查处理。
7、具备条件的重点监管场所开工前、班中和班后，现场班、队长或跟班干部必须通过视频和矿安全生产信息中心调度员进行安全确认，信息中心使用数码相机、录音和文字记录。
8、技术科绘制可视化监管系统摄像仪布臵图，每季度更新一次。
9、可视化监管系统采集的视频信息存档原则上不低于一个季度。
10、通风区制定视屏信息监管值班制度、岗位责任制、业务联保制、维护保养制度等，并严格执行。
11、保运一区、保运二区、运输区和通风区的值班岗位（主皮带机司机、大绞车司机、主、副井绞车房司机等），必须制定专门的视屏信息应用管理制度，确保安全环境确认和设备高效运转。
12、采煤单位必须随工作面推进移挪摄像头和照明灯，掘进单位必须随迎头掘进或扒矸机、综掘机前移及时移挪视频探头和照明灯，移挪不及时，造成不能实时监测的，由安全信息中心给予责任单位200元/次的罚款。
13、使用单位在挪移视频探头、照明灯过程中，应注意对摄像仪、光缆和照明灯保护，以防损坏；因管理不善或人为损坏的按价赔赏。
14、采掘单位井下视频汇报
（1）采掘工作面职工向班长、班长向带班人员、带班人员向区队汇报都必须在视频下进行，否则罚款500元。
（2）基层单位带班人员及安监员进入采掘头面时，必须及时在视频下向调度所电话汇报，汇报时要求手拿电话面向视频探头，否则罚款200元/次（无视频监控系统的地点除外）。
（3）开工前集体安全演练和安全确认必须在视频下进行，8
否则不准开工，并给予带班干部、班长、安监员各罚款100元/次。
（4）基层单位带班人员及安监员在到达或离开采掘头面时，必须在视频下向调度所电话汇报，否则罚款200元/次。
（5）安监处值班人员通过人员定位系统和视频监控系统查看各采掘头面情况及带班情况，发现带班地点不对、带班时间不够或头面有异常情况，罚责任人500元/次。
（6）基层单位专用电脑显示屏必须显示人员定位系统和井下视频，每两小时抽查一次。由矿值班、安监处负责组织每班抽查，不落实的或每少一次的，罚基层单位值班人员300元/次。
15、基层单位值班人员每2小时查看一次井下视频井下作业人员活动情况，抽查率不小于80%，发现问题及时安排整改，并向调度所汇报，并做好记录台帐备查，否则罚款100元/次。
16、区队值班人员必须对开工前安全演练和安全确认进行视频监控，未进行安全确认就开工的，罚区队值班、带班人员各500元。
17、专职安监员每班与基层单位职工同上同下，在到达现场和离开采掘头面时，必须在视频下向调度所电话汇报，否则罚款500元/次。
18、安检员要对现场班组、个人安全确认进行监督，班组未进行安全确认就开工的，罚专职安监员500元；对巡查的重点隐患要现场盯控，落实整改，否则罚款100元/次；每班在巡查过程中必须按照价格标准对职工进行纠偏纠错，个人签字。
四、考核
1、可视化系统建设不完善、制度不健全、且落实不到位的，罚机电科2000元；
2、矿安全生产信息中心对重要安全场所监管不到位的，处罚1000元.3、矿安全生产信息中心科区值班岗位视频信号缺失、重点监管视频信号模糊、值班人员切换操作不熟练、故障中断不追查的，每项处罚责任人员500元。
可视化分析系统 篇3
1弹药储供保障可视化的基本要素
我军弹药储供保障体系分为战略储备、战役储备和战术储备[1]。相应的,弹药储供保障可视化分为战略级、战役级和战术级三个基本层次。战略级保障可视化包括总部指挥机关和有关业务部门的弹药储供保障可视化,主要实现总部级总体弹药保障的宏观可视,充分把握弹药保障活动的总体运行状态、变化规律和变化趋势。战役级保障可视化主要包括战区、集团军、省军区和军兵种的弹药储供保障可视化,主要实现战区级弹药保障的可视,其内涵和战略级保障可视类似,是连接战略级保障可视和战术级保障可视的桥梁和纽带。战术级保障可视化主要针对作战部队和后方仓库的业务工作可视,主要包括仓储、供应、指挥等各系统的可视化,实现对弹药等装备器材储供全过程的需求感知、动态跟踪、实时查询和精确控制等。
弹药储供保障的基本要素主要有保障需求、保障资源、保障过程、保障控制和保障环境等。因此,弹药储供保障可视化主要包括整个保障环节中的保障需求可视化、保障资源可视化、保障过程可视化、保障控制可视化和保障环境可视化。其中,保障需求可视化是实现部队需求的实时感知,是解决要什么的问题;保障资源可视化是解决有什么的问题,保障资源可视化可分为静态信息可视化和动态信息可视化,静态信息可视化是指保障资源的数、质、时、空等静态参数的可视化,动态信息可视化是指保障资源流通和变化参数的可视化;保障过程可视化是实现弹药筹措、运输、储存、供应等一系列物流过程的可视化;保障控制可视化是运用数据模型,掌握保障资源的管理准则,利用数字化处理方式,实现对保障全过程的控制信息数字化处理;保障环境可视化主要包括工厂、仓库、交通运输线路、可动员资源及保障力量和战场信息等。
2弹药储供保障可视化系统的架构分析
弹药储供保障可视化系统的基本框架如图1所示。整个系统依托国家和国防有线与无线网络基础设施,基于分布式WEB服务器,将弹药筹措、储备管理、请领补给、运输投送和保障指挥等环节整合于一体。结合我军弹药保障特点,构建信息识别与数据采集子系统、数据交换与信息跟踪子系统、信息处理与存储管理子系统和业务应用与决策支持子系统,在整个构架中,将信息安全体系和标准规范体系贯穿整个系统,同时,采用开放设计,使弹药储供保障可视化系统可以与作战指挥系统以及其它作战管理信息系统相互兼容。
弹药储供保障可视化系统的技术结构采用基于WEB技术为核心的层次结构。整个技术结构概括为五个层次[2]:
(1)用户层。用户层主要是系统的管理和实际使用者,包括:作战部队、弹药仓库、物流运输机构、保障总指挥部、供应厂家和装备管理部门。
(2)应用层。应用层由各个分系统组成,包括弹药本身信息、弹药申请、运输平台等组成,并按照相关标准和规范建立系统及其系统部件。
(3)数据层。数据层是由辅助数据库、弹药数据库、基础地理数据库组成,同时,建立元数据库,分类编码数据库。
(4)网络传输层。网络传输层是以计算机网络通信为主的,适应各种通信方式的传输平台,能满足不同协议、不同格式的信息传输。
(5)应用技术支撑层。应用技术支撑层以分布式数据库技术、自动识别技术、地理信息与定位技术、计算机网络技术支撑整个可视化保障系统。
3弹药储供保障可视化系统结构设计
3.1系统总体构成
根据我军弹药保障体制和保障特点,将弹药储供保障可视化系统划分为四个部分,分别为基础支撑部分、数据采集与传输部分、数据资源部分和系统应用部分。
(1)基础支撑部分。基础支撑部分主要包括信息基础设施(计算机网络等)、信息标准及弹药和物资编码、关键技术和弹药保障的理论知识。信息基础设施主要是依托军队指挥自动化网、国防通信网,以及国家和地方信息基础设施。信息标准主要包括弹药及保障物资信息分类、指标体系、各类信息编码代码等各类标准和规范等。系统关键技术主要包括自动识别与信息采集、军事地理信息系统、卫星导航定位系统、决策支持、模拟与仿真、信息安全、数据库、数据仓库技术等关键技术。装备保障理论知识主要包括与弹药储供保障有关的军事理论、装备保障知识、保障标准制度和业务处理流程等。基础支撑部分是弹药储供保障可视化建设的物质基础,与整个国家和军队的信息化建设水平密切相关。
(2)信息采集与传输部分。信息采集与传输部分主要包括源数据采集和电子数据交换。数据采集主要采用条码技术、射频技术等识别技术对源数据进行自动采集,通过识别、筛选、转换、整合等,构建相关数据库系统。数据传输主要运用电子数据交换系统,在计算机网络的基础上进行系统间数据交换和相应处理。
(3)数据资源部分。数据资源主要包括弹药保障数据中心以及各种综合数据库。按照现行的弹药保障体制,在弹药综合数据库和专业综合数据库的基础上,采取按级存储,集中管理的数据分布策略,分别建立弹药仓库、弹药保障基地、总部弹药管理部门等数据中心,形成上下贯通、左右互联的多级数据分布存储体系。实现对储备物资的统计、汇总、查询、分析、辅助决策等综合应用,提供弹药保障数据的接收更新、统计汇总、备份恢复,以及用户定义、访问授权等管理功能,依托军队计算机网络,实现总部弹药管理部门、弹药保障基地、弹药仓库之间的数据交换。综合数据库是按照统一的信息体系和标准,通过对相关专业数据库进行数据抽取、筛选、转换和融合,实现各类业务信息主题数据库,并形成总部、军区(基地)综合数据库等[3]。
(4)系统应用部分。主要是面向弹药保障用户的系统,其依托军队计算机网络,实现对弹药保障的需求、状态、过程和控制可视,主要有仓库综合管理应用平台、军区弹药保障应用系统、总部应用系统等。
3.2系统硬件结构
弹药储供保障可视化系统硬件结构由RFID射频识别模块、BD-2(北斗—2卫星导航定位系统)和MGIS(军事地理信息系统)模块、可视化数字终端模块、计算机网络模块和分布式数据库模块等组成。
(1)RFID模块。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。在弹药运输工具或在弹药集装工具上安装电子标签。RFID阅读器分别安装在后方弹药仓库、野战弹药仓库以及重要的交通枢纽等合适位置。当弹药进行出(入)库及在运输的路途中,电子标签识别装置通过天线对标签上的数据信息进行读取记录,利用有线或无线网络传递给远程的控制管理中心。
(2)BD-2和MGIS模块。BD-2和MGIS模块是以空中卫星为基础的高精度无线电导航的全球定位系统,在全球任何地方以及近地空间能够提供准确的地理位置、速度及精确的时间信息。BD-2定位装置的功能是通过接收卫星信号计算出货物的具体位置,完成对运送车辆、船舶、飞机位置的定位功能。这是弹药保障全程可视化的基础。
(3)可视化数字终端模块。可视化数字终端模块主要由不同用户使用的可以通过终端系统实时查询弹药运输的详细情况,并通过数字终端进行短消息的发送,发送的短消息包括弹药的登记信息、运输人员、上下运输装备、位置信息、报警信息等。
(4)计算机网络模块。计算机网络技术实现了资源共享,使用户可在任何地方访问查询网上的任何资源,促进了系统管理运用的自动化。可视化保障系统是一个基于网络平台的数据集成系统,高速、稳定、安全的网络通信是其获得成功的基础和关键。可视化保障系统网络环境应主要包括局域网、广域网和无线网,网络高速化也是可视化保障系统进行数据实时访问的重要条件[4]。
(5)分布式数据库模块。由于弹药保障工作涉及的层次、业务繁多,覆盖的范围非常广泛,因而决定了可视化保障系统必须是由一个多数据源组成的综合数据库系统。作为可视化保障系统的核心,分布式数据库系统把数据库技术和网络技术的应用统一起来,以适应装备各种机构、各个部门地域分散的需要。
3.3系统软件结构
弹药储供保障可视化系统的软件结构主要建立在弹药保障综合数据库基础上的弹药筹措、弹药储存、弹药请领、弹药补给、弹药投送等各可视化管理信息系统等构成。系统主要由三部分构成。
(1)管理信息系统。管理信息系统主要包括弹药请领系统、弹药收发系统、弹药运输平台以及其它各个业务系统和保障指挥系统等。
(2)数据库。系统数据库的构成主要包括我国基础地理信息系统数据库,栅格地图数据库、卫星影像图等空间数据库,运输平台数据库、弹药信息数据库以及主要包括地质构造,军事标图系统,国家和总部颁发的相关法规文件,全国县级人口、社会经济、敌社情等信息的相关专题数据库。
(3)决策支持系统。主要包括对弹药储存空间进行精确设计,合理布局,使弹药存放到位,模拟和预测未来联合作战弹药消耗标准,设计分发方案等决策支持系统。
4结论
可视化是未来弹药保障发展的方向,弹药储供保障可视化对于及时掌握部队需求、弹药资源、保障状态等情况,实现弹药指挥效能和弹药保障效益最大化,使弹药保障做到适时、适地、适量具有重要意义。建立我军弹药储供保障可视化系统可以极大地提高我军弹药储供保障效率,对于提高我军平、战时弹药储供保障能力,推进我军弹药储供保障信息化建设具有重要作用。
摘要：结合我军弹药保障的特点,分析了弹药储供保障可视化的基本要素和弹药保障可视化系统的总体架构。从系统总体结构、硬件结构和软件结构三个方面对弹药储供保障可视化系统架构进行了初步的分析与设计。
关键词：弹药储供保障,可视化,结构分析
参考文献
[1]龚传信.装备勤务学[M].北京:高等教育出版社,2003.
[2]赛伟.可视化后勤系统的体系结构研究[D].成都:电子科技大学(硕士学位论文),2010.
[3]王秀华,巩秀.构建我军通用弹药供应保障可视化系统探讨[J].装备指挥技术学院学报,2008,19(3):113-117.
可视化分析系统 篇4
基于GIS的海水入侵可视化数值模拟系统
将变密度三维海水入侵模型(SUTRA模型)与地理信息系统(GIS)进行有机集成开发出可视化海水入侵数值模拟系统.该系统充分利用了GIS的空间分析和数据管理功能及其可视化功能,实现了SUTRA模型的可视化构建1、含水层空间和模拟时间的可视化离散、各种参数的可视化赋值、模型的可视化模拟及其模拟结果的`可视化表达等功能,为海水入侵研究提供了有效的模拟和分析手段.
作 者：薛显武 陈喜 魏玲娜 钱玉香 吕义明 孙乃波 XUE Xian-wu CHEN Xi WEI Ling-na Qian Yu-xiang LV Yi-ming SUN Nai-bo 作者单位：薛显武,陈喜,魏玲娜,XUE Xian-wu,CHEN Xi,WEI Ling-na(河海大学,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏,南京,210098)钱玉香,吕义明,孙乃波,Qian Yu-xiang,LV Yi-ming,SUN Nai-bo(山东省威海市水文水资源勘测局,山东,威海,264200)
刊 名：地下水 英文刊名：GROUND WATER 年，卷(期)： 29(1) 分类号：N945.12 关键词：地理信息系统 海水入侵 饱和带非饱和带溶质运移模型 数值模拟可视化分析系统 篇5
计算机断层扫描及核磁共振等已被广泛应用于疾病诊断,但在目前的医学影像设备只能提供人体内部的二维图像。在目前的医疗诊断中,主要是通过观察一组CT,MRI的二维切片图像去发现病灶,医生只能凭借丰富的读片经验去估计病灶的形状和大小,缺乏直观性和准确性。利用三维可视化技术可以将一系列二维切片图像重建三维图像模型进行定性、定量分析,该技术可以从二维图像中获取到三维结构的信息,提供了具有真实感的三维医学图像,并为下一步模拟操作提供视觉交互手段等内容,便于医生从多角度、多层次进行观察和分析,从而大大提高了医疗诊断的准确性和正确性。自20世纪90年代起,综合了计算机图像处理与分析、真实感计算机图形学、虚拟现实等技术的医学影像的三维可视化技术一直是国内外研究与应用的热点。
VTK是Willian J.Schroeder等人用C++语言开发的、公开源码的、面向对象的数据可视化软件开发包,并不单纯用于医学图像数据的可视化。VTK支持跨平台的编译,支持Windows、Linux等系统。VTK支持包括数量、向量、张量、结构和测定体积等方法一系列可视化算法,VTK还支持建模。但是VTK缺乏实用、灵活的用户界面,必须借助其他图形用户接口软件包,比如QT、FLTK,才能完成实际意义上的数据三维显示或图像处理系统。本文针对VTK数据流的特点,以VS2008为开发工具,结合QT,设计和实现了适合医生需要的医学图像三维可视化分析系统。
1 系统设计与实现
1.1 Marching cubes重建算法的实现
该系统的三维重构采用了目前得到广泛应用的Marching cubes算法,它是面显示算法中的经典算法,也被称为“等值面提取”。其本质是将一系列二维的切片数据看做是一个三维数据场,从中将具有某种阈值的物质抽取出来,以某种拓扑形式连接成三角面片。
算法过程如下:
1.1.1
一个体元中有8个顶点,每个顶点有标记或未标记状态,根据其对称关系构建一个2^8=256种等值面分布查找表。
1.1.2
每次提取相邻两层的两张切片,形成一层,两张切片上下对应的8个像素构成一个体元。
1.1.3
对一个Cube的8个顶点分别进行分类,大于阈值标记为1,小于阈值标记为0。
1.1.4
这样,将每个体元的8个像素分别标记后会用其构成的01串形成一个8位的索引值,从而从查找表中查找对应关系,并求出立方体每条边的点。
1.1.5
用交点构成三角形面片或者是多边形面片。
1.1.6
从坐到右,从前到后顺序处理一层中的所有体元,然后从下到上的顺序处理所有层,算法就结束。
VTK中有多个类可以实现面绘制,在该系统中用到了vtk MarchingCubes这个类来进行重建,以下是实现该功能的核心代码:
读取一组胸腔CT图片,实现结果如图1。
1.2 Ray-casting重建算法的实现
Ray-casting是现在比较流行的体绘制算法,它能够在投射引用体素的绝对密度、梯度值,产生分割表面。Ray-casting算法从每个像素发出至少一条光线,发出的光线穿过数据场,每条光线穿过数据场时进行采样和颜色累积,得到相关像素的颜色,直到形成最后的视图。
算法过程如下:
(1)从屏幕的第一个像素开始。
(2)由视点经此像素点发出一条射线。
(3)沿射线方向进行采样。
(4)按由前到后或后到前的顺序,对射线上每一个采样计算积累物质发光强度,阻光度以及对应颜色。
(5)绘制像素。
(6)返回(2),计算下一个像素,直到所有像素都被计算过。
VTK中也提供了Ray-casting重建算法中相应的类。在体重建中,所需的工作是指定颜色值,透明度和像素值的映射函数。vtkPiecewiseFunction提供了透明度和像素值的映射,vtkColorTransferFunction提供了颜色值和像素值的映射。这两个类将作为体数据的属性添加进来,在使用Ray-casting方法重建过程中,转换函数沿着光线的方向逐像素点的检查像素值,根据这两个属性生成最终的像素值。实现该功能的核心代码如下:
同样读取一组胸腔CT图片,实现结果如图2。
1.3 虚拟剖切的实现
利用Ray-casting算法重建后的三维数据包含了大量信息,虽然能实现简单的旋转和缩放功能,但用户交互方面十分不理想,实际上医生更希望看到重建结果的内部架构。利用VTK所提供的vtkImplicitPlaneWidget这个类,该系统在Raycasting算法实现基础上实现了虚拟剖切的功能,能够对重建好的三维数据进行任意切割裁剪的操作。该功能核心代码如下:
对Ray-casting算法重建好的三维数据进行虚拟剖切,实现结果如图3。
1.4 多平面切片提取的实现
该系统可以对重建好的体数据实现多平面虚拟切片的提取。通过简单的操作,医生可以生成多个方向、任意部分的虚拟切片。在这里需要利用VTK所提供的vtkImagePlaneWidget这个类。
实现过程如下:(1)首先建立一个vtkImagePlaneWidget对象指针将CT数据读入。(2)指定切面物理取向,如:所需切面是冠状面,则指定所需的切面垂直于X轴;需要切面是矢状面,则指定切面垂直于Y轴;所需切面是横断面,则指定切面垂直于Z轴。(3)指定层数,在切面的方向确定之后,需要选择切面的位置。一般,二维DICOM图像的大小512*512,矢状面,冠状面切面层数的范围是(0,511);而横断面的层数是根据读入的序列图片的数量决定切面层数的范围。(4)指定渲染器,在指定了层数后,所要取得的切面图像就确定了。(5)设置渲染器在窗口中的显示位置,设置渲染器在窗口中的显示位置。
以下是实现冠状面切片提取的关键代码,要实现矢状面和横断面的切片提取,声明多个vtkImagePlaneWidget对象指针即可,再指定其切面物理取向:
同样对一组胸腔CT图片进行多平面切片提取操作,医生能够通过移动三个切面上的十字指针来观察另两个切面的动态变换,实现结果如图4。
2 小结与展望
本文主要介绍了如何利用VTK数据可视化的功能来设计与实现医学图像三维可视化分析系统。但其交互性还存在不足,如还可以对重构好的数据进行两点距离测量、角度测量等,本系统的功能有待日后进一步的加强与完善。也希望本文能够为三维可视化这一技术起到抛砖引玉的作用。
参考文献
[1]Schroeder W J.The VTK user's guide[M].New York:Kitware Inc,2001:122-150
[2]王卫红,秦绪佳,郑红波.医学图像3维重建模型的虚拟剖切算法[J].中国图像图形学报,2006,6(2):217-223.
[3]田捷,包尚联,周明全编著.医学影像处理与分析[M].北京:电子工业出版社,2003.
[4]唐泽圣等著.三维数据场可视化[M].北京:清华大学出版社,1999:3-6.
可视化分析系统 篇6
中医认为, 经络调控人体气血的运行, 是人体脏腑联络体表及全身各部的通道[1]。对经络、穴位的准确定位, 特别是在人体体表上实时显示, 对于临床诊断、治疗和疗效的评估具有重要的意义和临床应用价值。目前常用的经络定位方法有超声定位、红外定位、磁定位和光学定位, 其中光学定位与其他方法比较具有测量误差小、受环境影响小和无伤害等优点。
本文结合经络的低阻抗电学特性[2], 利用双目立体视觉系统, 研究一种经络的实时定位和显示的新方法, 在人体体表上直接测量并实时绘制经络的准确位置。其实现思想为:在探针表面粘贴定位标靶, 利用双目立体视觉系统对标靶进行定位, 之后根据标靶与探针的相对位置关系, 计算出探针的位置。当探针与人体体表皮肤所接触位置的电特性符合低阻抗特性时, 探针所在的位置即为经络候选点。经络的准确定位依赖于双目立体视觉系统对标靶的准确定位, 因而双目立体视觉系统的精度对经络点的定位准确性至关重要。
1 双目立体视觉系统的有效视场
双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支, 原理是从两个或更多的视点观察同一景物, 从而获取不同视角下的感知图像, 通过三角测量原理计算图像视差来获取被测目标的三维信息[3]。
双目立体视觉系统如同人的眼睛, 具有一定的可视范围, 即称为有效视场。假设两摄像机具有相同的参数, 且对称放置, 见图1, 其中o1、o2分别表示两摄像机的光心, z1、z2表示光轴, 光心的连线为基线距B, 摄像机的视场角为2ω, 光轴与Z轴的夹角为 φ, w为视场宽度。空间中任意目标点到基线的距离为d, 可得双目视觉系统的有效视场满足关系:
2 双目立体视觉测量系统结构参数模型
双目立体视觉测量系统模仿人眼的功能, 基于视差原理, 利用空间点在摄像机像面上的成像点坐标求取空间点的三维坐标。一个完整的双目立体视觉测量过程通常分为图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、三维重建等5 个步骤。在实际测量过程中, 一旦系统标定后, 系统中的摄像机的焦距, 摄像机之间的夹角和相对位置等都必须保持固定不变, 因此测量工作开始之前有必要对系统结构进行优化[4]。
双目立体视觉测量系统在XO1Z平面的投影图, 见图2。图中两台摄像机为水平交向放置, O1, O2为其透镜中心, 有效焦距为f1, f2, 两透镜中心的连线称为基线距B, 两摄像机光轴与基线的夹角分别为 α1, α2。O1P1, O2P2分别为两摄像机的成像平面, 其中P1, P2分别为空间点P在两摄像机成像平面上的像点。ω1, ω2为P点在水平面上与光轴的夹角, 即为水平视场角。由图2 可知, 直线O1P1和直线O2P2相交于点P, 因此点P是唯一的, 其三维空间位置是可确定的。
根据图2 的几何关系, 以左摄像机C1XYZ为世界坐标, 可以利用系统结构参数和视场角来表示空间点P的三维坐标为:
3 双目立体测量系统的精度分析及仿真
双目立体视觉测量系统的结构参数主要有两摄像机光轴与基线之间的夹角 α1、α2, 基线距B、工作距离Z, 焦距f等, 这些结构参数存在的约束关系[5]。为得到准确的测量结果, 首先需要对相关结构参数进行误差分析和处理。
假设目标点P处于图1 的有效视场中, 根据误差理论分析[6], 用X、Y和Z方向的测量误差表示坐标测量综合误差:
其中:
式中 δi为像点坐标值提取误差, i表示像点x1, x2, y1, y2。
为了提高双目立体视觉系统的定位精度, 对以下各结构参数进行分析并仿真。
3.1 光轴与基线夹角和视场角对测量精度的影响
对于一个既定的系统, 其结构参数是固定不变的, 且这些结构参数也经过精心标定, 其标定误差也是定值, 综合测量误差只是随着目标点视场的变化而变化。视场角分为水平视场角和垂直视场角, 系统综合误差随着垂直投影角的增大而单调增大。假设像点坐标提取误差为δx=δy=δ, 水平视场角 ω1∈ [-40°, 40° ], ω2∈ [-40°, 40° ], 光轴与基线的夹角 α1=α2=40°, 根据式 (3) 可得到误差的分布, 见图3。
由图3 可知, 两水平视场角在[-20° , 20° ] 范围时, 综合测量误差相对较小。当 ω1=ω2=ω ∈ [-25° , 25° ] 时, 误差传递函数将随着光轴与基线的夹角 α1=α2=α 取值不同而发生变化, 为了视图清晰只画出部分曲线, 见图4。从图4 可以看出, 当 α 取值在[40° , 50° ] 时, 系统综合误差较小且均匀分布。
3.2 焦距f对测量精度的影响
焦距f是透镜的主要参数之一。焦距不同的摄像机, 视场范围也不同, 光路越长, 视场范围越小。为了分析不同的焦距对测量精度的影响, 假设光轴与基线的夹角α=40°, ω ∈ [-40° , 40° ], 改变f的值, 误差分布, 见图5。
从图5 可以看出, 随着焦距f增大, 系统误差减小, 且误差分布较短焦距均匀, 因此在实际测量中, 可以通过适当增大焦距提高系统精度。
3.3 基线距B对测量精度的影响
双目立体视觉测量系统中两摄像机之间的透镜中心距离为基线距。当其增大时, 相应的测量角将随着增大, 使得B对精度的影响呈非线性。有文献[7]指出位于摄像机光轴上的点测量精度最低。因此, 可通过研究两摄像机光轴的交点位置P的误差来分析基线距B对系统误差的影响。
设 α1=α2=α, ω1=ω2=0, k=B/Z为基线距与工作距离的比值, f为摄像机的有效焦距, 得空间点P的坐标传递函数为:
P点的综合测量误差为:
当系统固定后, Z和f为定值, 则综合测量误差与成正比。根据式 (6) , 可得测量误差与基线距的关系, 见图6。
由图6 可知, 综合测量误差随着k的增大, 先减小后增大;当k在0.8~1.8 之间变化时, 系统的综合测量误差较小, 并在k=1.3 附近有最小值;当k<0.5 或k>2.5 时, k的变化对测量精度影响较大。
4 经络可视化中定位精度的提高
经络的可视化依赖于双目立体系统对经络点进行定位。本文中采用的方法是在探针上粘贴定位标靶, 见图7。通过对标靶上的X角点进行定位, 之后根据X角点与电极探针的固有相对位置关系, 从而计算出探针的坐标。图7 中P0、P1、P2为3 个X角点, Ci为第i个电极探针触点, 图中探针触点具有以下特征:1 探针触点连线C1C16与直线P0P2平行;2 探针等距离d分布;3 最右边的探针C1在直线P0P1上。
根据C1点在直线P0P1上以及C1点与P0的距离D1、P0与P1的距离D2三个约束条件, 结合标靶中角点的三维坐标, 可求得第一通道的探针触点C1的三维坐标 (x1, y1, z1) 。
根据上述特征1, 可以求得直线C1C16的方程, 并根据第i通道Ci与C1的距离分布, 插值求出Ci (xi, yi, zi) , 其中1
计算出各探针触点的三维坐标后, 结合阻抗检测仪对探针所接触的皮肤阻抗的检测数据, 根据经络的低阻抗特性可知经络点所处的探针通道, 即可得出经络点所处的三维坐标。
根据以上思想, 要实现经络的精确定位, 需确保X角点三维定位的精度。以左摄像机坐标系为世界坐标系, 假设三维重建得到的X角点三维坐标是准确的, 则反投影到左摄像机成像平面上的X角点二维坐标应该与左摄像机自身检测到的X角点二维坐标相同。根据此原理及结构参数对系统误差影响的仿真结果设计实验如下。
主要仪器:德国The Imaging Source生产的DMK 41AUC02USB CMOS单色相机2 台 (分辨率为1280×1024, 像元尺寸为5.2μm×5.2 μm) 。瑞士Leica激光测距仪D21 台 (测程0.05 m~60 m, 精度1.5 mm) 。
实验步骤:
(1) 先采用张氏标定法[8]对左右摄像机标定, 得到左右摄像机的内外参数。根据前文仿真结果可知, 当光轴与基线的夹角在[40° , 50° ]、两水平视场角在[-20° , 20° ]范围内时, 综合测量误差相对较小。因此调整摄像机使α1=α2=50°, 水平视场角 ω=5°, 左右摄像机对称放置, 左右摄像机基线距B=900 mm, 焦距f=12 mm。
(2) 采用Harris[9]检测算法对图7 所示标靶上的3 个X角点进行检测, 并进一步对亚像素级提取, 得到亚像素级二维坐标。
(3) 实现左摄像机所检测的X角点与右摄像机检测到的X角点的立体匹配, 以左摄像机为世界坐标, 根据双目立体视觉原理进行X角点三维坐标重建。
(4) 把所得到的三维坐标反投影到左摄像机成像平面上, 通过计算反投影后二维坐标与左摄像机自身检测到的二维坐标偏离距离来衡量系统的误差。假设左摄像机检测到的X角点坐标为 (xi, yi) , 反投影到左摄像机成像平面上得到的坐标X角点为, 3 个X角点的平均误差公式定义为。
(5) 在有效视场范围内改变标靶与摄像机的距离, 重复步骤 (2) ~ (4) 。
根据以上实验步骤, 得到实验结果, 见表1。
从实验结果可知, 当工作距离在0.7 m左右, 基线距为0.9 m时, 即基线距与工作距离的比值为1.3 左右反投影后所得的坐标与左摄像机自身检测的角点坐标偏差在0.5 pix左右, 精度较高。从公式 (4) ~ (6) 可知, 对于既定的系统, 综合误差与e成正比, 在k=1.3 附近具有最小值 (图6) 。实验结果与理论分析吻合。在基线不改变的情况下, 增大或减小工作距离, X角点的定位精度都将降低, 在工作距离1 m时误差最高将达到7 pix左右。
为了验证经络点检测具有可行性, 假设工作距离为0.7 m, 工作平台为1 m2, 沿着与基线平行的方向移动电极探针, 重复检测角点并计算误差。实验结果显示, 角点的定位误差在工作台的中心区域在0.5 pix左右, 以视场中心点为圆心, 半径为0.3~0.4 m的圆内精度相对稳定, 边缘区域误差将达到3~4 pix, 即视场中心的X方向和Y方向测量精度高于边缘的测量精度[10]。因此, 只要确保实验操作在以上有效区域内, 可以得到精度较高的经络点。
实验中以部分心包经为例, 首先计算出角点的三维坐标, 结合经络点的低阻抗特性, 利用图像融合算法将经络点显示在二维场景图像中。心包经的检测结果, 见图8 中左图。然后利用曲线拟合的方法连接经络点, 见图8 中右图。
从以上分析及实验结果可知, 误差传递系数是非线性的, 从两方面影响系统的综合误差:一方面是系统结构参数 (B, α1, α2、 ω1, ω2、f1、f2) 和标定值的误差;另一方面是两摄像机图像平面上像点的坐标值 (X1、X2、Y1、Y2) 及其提取误差 δ[11,12]。
结合仿真与实验, 可从以下几个方面对系统进行优化:
(1) 合理选择摄像机内部参数及镜头焦距, 尽可能选高分辨率的摄像机。在角点定位实验中, 工作距离较小, 结合精度和视场要求选择焦距为12 mm摄像机。摄像机的有效焦距越大, 系统的精度越高, 但是视场范围越小。所以必须根据测量对象和测量环境选择合适的摄像机。
(2) 根据被测物体的特点系统的体积等因素初步确定测量的工作距离和基线距。实验中当工作距离为0.7 m左右, 基线距为0.9 m时精度较高。如果需要工作距离较大的系统, 要求基线距B也必须增大, 当两者的比例为1.3 时, 才能达到比较高的精度。在系统结构已经确定时, 工作距离越大, 精度则越低。
(3) 结合公式 (1) , 根据实验中对有效视场大小的需求, 调整摄像机间的夹角。当光轴与基线的夹角为[40°, 50° ] 可得到较小的误差。
(4) 被测物体的放置与光轴在同一水平面, 即垂直视场角为零, 水平视场角在[-20° , 20° ] 范围内为最佳。
(5) Harris角点检测算法得到的是像素级的坐标, 为了提高精度, 需进一步亚像素提取。所以为了减小坐标提取误差, 必须选择合理软件算法。
5 结束语
本文通过对双目立体视觉系统的可视区域范围和结构参数进行分析, 并结合仿真得知结构参数的最佳取值范围, 之后设计实验对经络可视化中定位标靶中X角点的三维重建精度进行分析。本文提出的方法为提高经络定位的精度奠定了良好工作基础, 通过优化系统结构参数及软件算法的合理选择, 可以得到高精度的X角点坐标。
参考文献
[1]黄辉.经络[J].中医药临床杂志, 2012, 24 (10) :1001.
[2]祝总骧, 徐瑞民, 谢君国, 等.经络在表皮层和角质层的低阻抗特性及其形态学实质的研究[J].中国医药学报, 1988, 3 (5) :33-35.
[3]吴彰良, 孙长库, 杨中东.视觉测量传感器系统结构参数设计分析[J].光电工程, 2009, 36 (12) :56-61.
[4]闫龙, 赵正旭, 周以齐.基于CCD的立体视觉测量系统精度分析与结构设计研究[J].仪器仪表学报, 2008, 29 (2) :410-413.
[5]刘亚菲, 郭慧, 聂冬金, 等.双目立体视觉系统测量精度的分析[J].东华大学学报, 2012, 5 (38) :572-576.
[6]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社, 2004:58-59.
[7]张广军.机器视觉[M].北京:科学出版社, 2005:102-104.
[8]Zhengyou Zhang.A flexible new technique for camera calibration[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000, 22 (11) :1330-1334.
[9]姚耀, 胡仲翔, 时小军, 等.Harris角点提取实现亚像素级摄像机自标定[J].电子设计工程, 2009, 17 (5) :61-65.
[10]李海滨, 单文军, 刘彬.双目立体视觉测距系统误差模型的研究[J].光学技术, 2006, 32 (1) :24-30.
[11]赵萍, 李永奎, 田素博, 等.双目视觉测量系统结构参数理论与试验研究[J].机械设计, 2013, 30 (2) :64-68.
可视化分析系统 篇7
社交网络是基于六度分隔理论[1]提出的新型网络应用形式。新浪微博作为国内最大的社交网络平台, 正慢慢改变国人生活中的点点滴滴。它不仅包含单个用户的用户生成内容及用户属性, 更包括用户间的相互关注关系, 可以说这更像是一种现实社会在虚拟网络世界中的映射侧面[2]。同时, 新浪微博中用户关系并非是静态的、片面的, 而是不断地随着消息的流转而动态发生改变。这些消息的流转、用户关系的动态变化, 又能对现实社会产生潜移默化的反作用力。因此, 通过对社交网络数据的采集、挖掘, 还原虚拟社交网络动态变化的整个过程, 发现消息流转的轨迹途径[3], 能够帮助我们更好地理解社交网络的内涵, 掌握其中隐含的客观规律, 更能够利用这些客观规律产生巨大的社会、经济、政治、商业价值。
本文从一个系统开发者的角度, 尝试开发一套基于新浪微博的应用系统, 对社交网络中的消息流转轨迹、用户群体动态关系变化进行数据提取、分析与挖掘, 通过各种数据采集、数据分析、数据可视化成果展示技术, 重现微博热点事件的扩散过程, 对社交网络中一些用户关注的局部网络属性关系进行抽象呈现, 对用户关系形成的复杂网络[4]开展分析。利用这些信息的潜在价值帮助用户理解所关注领域、群体的动态发展关系, 分析局部关系网络中的关键性节点。这样通过社交网络分析[5]来进行数据潜在价值的获取, 不论是对于网络热点事件的事后分析, 还是对于用户定制化的广告推广营销, 都具有很重要的意义。
1 系统设计与相关基础理论
1.1系统结构框架
本文中尝试开发的是一套基于新浪微博的数据采集、挖掘、展现系统, 它主要针对于社交网络中的消息转发轨迹、用户群体的动态关系变化[5]。系统从设计层次上来看, 可以分为前端采集模块、数据存储模块、数据挖掘业务模块、控制调度模块及用户输入及结果呈现模块。每一个模块独立地完成系统中的特定功能点, 并通过低耦合的接口进行协作通信。
前端采集模块负责对新浪微博平台数据的采集。由于数据处理能力的局限无法对新浪微博全数据进行采集处理, 系统设计的采集策略是对用户关注的局部数据进行实时采集[6]。也就是说, 需要用户在用户输入界面中输入其关注的特定微博ID字符串。控制调度模块通过用户输入向前端采集模块发放采集任务, 对用户关注的特定微博数据进行采集处理。这种机制就要求前端采集模块拥有良好的性能表现, 能够准实时地采集用户关注数据。
数据存储模块负责对采集数据的存储规整, 同时它需要为数据挖掘业务模块提供良好的数据访问资源。通过构建适当地数据存储模块能够提高数据挖掘业务模块的性能表现, 简化业务逻辑的实现过程。
数据挖掘业务模块是对数据挖掘业务逻辑的封装, 它提供一系列数据挖掘操作的接口, 将数据存储模块中存储的数据作为输入, 输出挖掘出的数据潜在信息。由于数据挖掘业务的复杂逻辑, 这样地封装对于系统的可维护性、健壮性都是非常有益的。
控制调度模块扮演地角色等价于MVC[7]模式中的控制器, 它从用户输入界面获得用户输入, 同时调度其他模块完成用户需要的操作, 将最终结果推送回数据展示界面。控制调用模块作为整个系统的调度中心, 负责程序运行过程地调度, 通过各个模块地接口调用实现完整的系统功能。
用户输入及结果呈现模块等价于MVC模式中的视图角色, 它为终端用户提供了交互接口, 用来获取用户的输入, 并将系统运行结果以直观的方式呈现给用户。在前端展示技术日趋成熟的趋势下, 程序处理结果能够以图表的形式动态地呈现在用户眼前[8]。
2 系统设计的相关基础理论
在消息的社交网络传播过程中, 并非每一个节点的作用都是相同的。总有那么一些关键节点对消息传播的影响力大于其他节点。社交网络传播学分析[9]使用节点中心度分析的方法寻找出那些在特定网络中影响力最大、最重要的节点。常用的节点中心度分析方法包括点度中心度分析、中介中心度分析、接近中心度分析等方法。
在图论的概念中, 节点的中心度分为点度中心、中介中心、接近中心等概念。点度中心是指相邻节点最多的一个点, 点度中心度分析主要用于获取与外界联系最广, 拥有最多消息来源的关键节点。点度中心度分析的计算公式为:
中介中心是指找出图中任意两点间的最短路径, 图中的某个点上途径的最短路径最多, 这个点即为中介中心。中介中心度分析主要用于获取在消息扩散过程中的关键扩散渠道, 表示任何消息的大规模扩散都会经由该节点, 该节点对消息的大规模扩散起关键作用。中介中心度分析分析的计算公式为:
接近中心是指到图上的每一个点的距离总和最近的点。接近中心度分析主要用于获取消息传播扩散效率最高的关键节点。接近中心度分析的计算公式为:
3 系统用户用例
在用户浏览微博内容的过程中, 往往对于某些特定事件、特定内容相关的微博产生兴趣, 希望了解参与该条微博的相关用户情况、微博转发流转轨迹、当前微博热度等情况。在需要对某一条特定的微博进行进一步的数据分析时, 可以将微博相关链接输入本系统, 系统将会自动按照分析流程为用户提供分析成果。系统的交互界面如图所示, 用户只需输入对应内容, 就能完成对系统的使用, 无需任何学习过程。
4 结束语
本文主要介绍了一种基于新浪微博的数据分析挖掘自动化系统的设计实现相关技术过程及思路, 对社交网络中大量产生的用户生成文本内容及用户关系数据采取了一些具有创新性和改进性的分析方式和方法, 能够有效得从社交网络数据中发现内在深层数据价值, 具备较强的实用性和适用范围。本系统在后续的研究工作中将进一步加强其功能, 特别是适应大数据时代全量数据采集的需求, 通过更好的数据采集机制和数据存储机制实现对社交网络平台中数据的全量采集。
摘要：近年来, 社交网络服务 (SNS) 正随着互联网技术的进步而迅猛发展, 国外学术机构、政府部门、商业公司实现了大量可行的数据分析系统。本文尝试着重描述了如何设计与实现一套基于新浪微博的社交网络数据分析与可视化系统, 根据业务特点设置自动化的数据分析过程和分析结果展示。
关键词：社交网络服务,微博,数据分析,设计实现
参考文献
[1]Stanley Milgram, "The Small World Problem", Psychology Today, 1967, Vol.2, 60–67.
[2]Michelle and Uking (China Daily) ."Special:Micro blog's macro impact".2 March 2011.Retrieved 26 October 2011.
[3]郭海霞.新型社交网络信息传播特点和模型分析[J].现代情报.2012 (01) .
[4]Newman, M.E.J.The structure and function of complex networks.Department of Physics, University of Michigan.
[5]吴凯.基于微博的信息传播建模与节点影响力研究[D].解放军信息工程大学2013.
[6]李卫, 刘建毅, 何华灿, 王枞.基于主题的智能Web信息采集系统的研究与实现.计算机应用研究.2006 (02) .
[7]Gamma, Erich et al. (1994) Design Patterns.
[8]任永功, 于戈.一种支持可视化数据挖掘的图像后处理方法.小型微型计算机系统.2005 (11) .
可视化分析系统 篇8
心脏是人体最重要的功能器官之一。近年来,心脏疾病已成为人类健康的重要威胁。心肌纤维的收缩力与舒张力和心脏的泵血功能有着密切的联系。心肌纤维结构的改变会导致心律失常、心力衰竭等症状,更加严重的会导致人的猝死。因此,建立精细的心肌纤维走向模型对研究心脏解剖结构以及心脏病的诊断和治疗具有重大意义。
核磁共振弥散张量成像是近年来提出的一项新的医学影像技术。通过利用核磁共振技术测量细胞内多个方向上水分子弥散运动的特征,可以全面充分研究活体组织微细结构,在活体组织精细结构研究中具有其他技术无法相比的优点。
DT-MRI技术已经应用于脑白质神经走向的重建[1,2,3,4],但对于心肌纤维走向重建还处于初步阶段,相关文献较少、缺少系统性研究。因此,本文基于犬心室的DT-MRI数据集开展了三维心肌纤维结构的可视化方法及其可视化系统设计与实现的研究。首先,本文简单介绍与心肌纤维可视化相关的技术,着重介绍了三种可视化算法:光线投射算法、图元显示法和纤维跟踪法。然后,进行详细的系统需求分析和系统设计。最后,采用VTK技术和Qt语言实现了该系统,并应用于基于犬心室的DT-MRI数据集的心肌纤维可视化研究中。
1 基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统实现的关键技术
1.1 数据预处理
本文所采用的原始心肌纤维数据带有噪声,如果采用原始数据进行心肌纤维可视化会导致心肌纤维走向严重偏离原始走向,因此首先需要对原始心肌纤维数据集进行噪声滤除处理。从原始数据集的强度值分布情况进行分析:噪声数据的强度值普遍比非噪声数据的强度值低。根据这一特点,本文首先采用计算量小而且效果明显的阈值滤波方法,对强度值进行二值化,生成0-1二值噪声数据,然后采用中值滤波和邻域平均法对0-1二值噪声数据进行进一步去噪处理。
中值滤波就是用一个含有奇数个像素的窗口在0-1二值噪声数据中进行滑动,用窗口内的各个像素的中值代替窗口中心点的值。中值滤波器的主要功能是消除阈值滤波时由于阈值取值过小而导致的孤立噪声点,而对于边缘数据点则予以保留。
邻域平均法是对原始数据中的每个像素点(x,y)取一个邻域R,计算R中所有像素和该点的灰度平均值,将其赋给输出图像中的对应点。本文所采用的邻域平均法共有四种模板,如图1所示。
1.2 可视化算法
1.2.1 光线投射算法
1988年,Levoy[5]提出的光线投射算法是体绘制技术中的经典算法。该算法得到的图像质量较高,效果较好[6]。该算法属于以图像空间为序的体绘制算法,所以该算法是对屏幕上的每个像素点进行遍历。图2为光线投射算法的示意图。从该图可知,光线投射算法的基本原理是:沿着设定的视点的方向,从屏幕上的每个像素点发出一条穿过整个三维数据场的射线。按照一定的原则在射线上选取若干个采样点。每个采样点的光学信息是由距离该采样点最近的八个体素的光学信息做三线性插值计算得到。然后对同一射线上的每个采样的光学信息进行合成,进而计算出屏幕上的像素点的颜色值。
1.2.2 图元显示法
图元显示就是利用离散的图元表达扩散张量的大小、方向等信息。本文利用椭球体、立方体和箭头三种图元对基于DT-MRI的心肌纤维水平切面数据进行可视化。将该切片上每一个体素的扩散张量的三个特征值映射到椭球体的三个主半径上,而椭球体的三个主轴方向则由扩散张量的三个特征向量决定。立方体的映射机制和椭球体相同,所以立方体也能很好地表现张量数据的内部信息。箭头作为图元只反应扩散张量的主特征向量方向,效果清晰、直观,而且采用箭头作为图元进行张量信息可视化时,运行速度较椭球体或立方体快,实时性好。所以采用箭头作为图元对于仅对扩散的主特征向量方向感兴趣的学者提供了方便。
椭球体和立方体的形状都能表示扩散的各向异性程度,但是由于视角的关系,图元形状很难进行直观地判断,因此每个体素的各向异性程度同样也不能很好地分辨出来。为了解决这一问题,本文采用颜色编码法将各向异性测度映射为图元的颜色,通过颜色来表达各向异性信息。将相对各向异性(RA)、部分各向异性(FA)、各向异性重心空间测度(Cl、Cp、Cs)三种各向异性测度作为颜色映射的索引。
1.2.3 流线跟踪法
流线跟踪法(Streamline Tracking,STT)认为扩散张量的最大特征值所对应的最大特征向量方向为水分子的主扩散方向,即纤维束走行方向。流线跟踪法须手动选取初始体素作为纤维的初始点。假定t=0时,水分子位于初始点,经过dt时间后,水分子的位移可由公式(1)表示:
则经过较长时间后,水分子的运动轨迹可由公式(2)表示:
由于扩散张量场是离散的,因此可用一阶欧拉方法对公式(2)进行求解,如公式(3)所示:
式中——当前迭代点;
(i+1)——i+1时的位置;
△——迭代步长;
——当前点的传播方向。
这样就定义了自起始点以后水分子的运动轨迹,即纤维的运动轨迹。图3为流线跟踪算法示意图[7]。其中,短箭头表示各个体素的最大特征向量,细长箭头表示从某一个特定的初始体素开始跟踪的纤维结果。
2 系统需求分析
2.1 系统需求概述
基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统为用户提供一个信息交互与可视化成果展示的平台。该系统基于犬心室的心肌纤维DT-MRI数据,利用可视化技术重建心肌纤维三维结构。当用户提供给系统DT-MRI数据时,用户要求系统首先对数据进行预处理,去除噪声。然后利用可视化算法对DT-MRI数据进行可视化,通过用户交互界面,用户向系统传递可视化算法的参数,通过参数的改变来实时改变可视化的效果。最后对用户自定义的感兴趣区域中的多根纤维进行绘制,并且分析结果。
2.2 功能性需求分析
通过对可视化系统的业务流程的分析,将本系统划分为噪声滤除、体绘制、图元显示、纤维跟踪和纤维跟踪结果分析这五个功能模块,如图4所示。
(1)噪声滤除模块:利用阈值滤波产生0-1二值噪声数据,采用中值滤波和邻域平均法进一步对0-1二值噪声数据去噪。最后利用0-1二值噪声数据对原始数据集进行去噪,消除由噪声数据引起的可视化结果的偏差。
(2)体绘制模块:采用光线投射算法对心肌纤维数据的强度值进行可视化,从而预览整体三维数据。用户通过改变颜色传递函数和不透明度传递函数来实时改变体绘制效果。系统对强度值进行统计,为用户设定传递函数提供依据。在体绘制模块中,用户还可观察二维切片数据,包括冠状位视图、矢状位视图和轴状位视图。
(3)图元显示模块:根据用户指定的切片数据,采用图元显示法对犬心室心肌纤维切片数据的张量值进行可视化,展现切片数据中的扩散张量所包含的信息,并利用颜色信息表示各向异性程度。图元的类型包括椭球体、立方体和箭头,通过设置其各自的参数改变图元形状。用户通过设定图元参数以改变绘制结果。将各向异性测度,包括部分各向异性(FA)、相对各向异性(RA)和各向异性重心空间测度作为索引,映射到RGB颜色模型中,通过颜色展现各向异性信息。
(4)纤维跟踪模块:根据用户提供的参数对整体心肌纤维DT-MRI数据采用流线跟踪法进行可视化。该模块可以再现完整的心肌纤维走向。在该模块中,用户通过改变流线积分时的积分参数,包括积分步长、最大流线长度和积分停止条件等改变纤维跟踪结果,再将跟踪到的体素连接起来,利用流线的形式展现纤维走向。用户可以通过该模块观察、分析心肌纤维的整体走向趋势。
(5)纤维跟踪结果分析模块:结合图元显示法和纤维跟踪法,在用户自定义的感兴趣区对多根纤维进行绘制。该模块弥补了纤维跟踪模块中只能对整体纤维走向趋势进行观察分析的缺点,用户可将系统反馈的纤维初始点的最大特征向量和各向异性测度等数据以及纤维跟踪结果进行比较、分析,以判断纤维方向和纤维跟踪结果。
3 系统设计及应用
基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统主要针对犬心室心肌纤维的DT-MRI数据,包括心肌纤维的强度值和扩散张量进行可视化。该系统的实现涉及数据预处理方法,包括阈值滤波、中值滤波和邻域平均法;DT-MRI可视化技术,包括对心肌纤维强度值进行可视化的光线投射算法和对扩散张量进行可视化的图元显示法和纤维跟踪法,系统示意图如图5所示。
3.1 系统总体架构
将基于DT-MR数据的心肌纤维可视化及分析系统分为四层,可以更好地理解其内部逻辑。图6为基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统的总体架构图。
最底层为数据层。数据层提供本系统所需要的数据,包括原始犬心室心肌纤维DT-MRI数据和心肌纤维0-1二值噪声数据。
第二层为数据处理层,包括对心肌纤维DT-MRI数据的去噪处理和心肌纤维数据的标量设置。由于原始犬心室心肌纤维DT-MRI数据带有噪声,因此需要对其进行噪声滤除,消除由于噪声数据导致的可视化结果的偏差。
心肌纤维数据中标量值在本系统中起着至关重要的作用。体绘制时须采用强度值进行颜色传递函数和不透明度传递函数的设置;图元显示时,需要将各向异性测度值映射到RGB颜色模型,通过颜色表达扩散张量的各向异性程度;纤维跟踪时需要将体素的最大特征向量映射为颜色,通过颜色表达流线方向。数据处理层中的心肌纤维标量设置就是指在强度值和表现各向异性程度的标量测度及最大特征向量之间的转换。
第三层为本系统最关键的技术:体绘制、图元显示和纤维跟踪三种可视化方法。该层使用底层数据进行可视化,将可视化结果显示在系统界面中供用户观察分析。该层还和上层系统界面进行交互,从系统界面中得到用户提供的可视化参数改变可视化结果。
第四层为系统界面。用户可以通过系统界面观察分析可视化结果,也可以手动设置可视化参数,以观察各个参数对可视化结果的影响。
3.2 系统应用
本文采用规模为256×256×107的三维犬心室心肌纤维数据。图7(a)为此数据集的第53层切片数据的图元可视化结果,表明该数据中包含大量非心肌纤维数据,即噪声数据。为了防止该噪声数据导致心肌纤维走向严重偏离原始走向,因此需要对原始心肌纤维数据集进行噪声滤除处理。图7(b)为阈值滤波处理后的53层切片数据的可视化结果,表明阈值滤波方法能够简单有效地滤除大量噪声,只剩下少量孤立噪声数据。因此继续采用中值滤波和邻域平均法对纤维进行去噪处理。图7(c)、图7(d)为中值滤波和邻域平均法处理后的结果。图7(c)、图7(d)表明经过上述三种滤波处理后,噪声数据基本被滤除。
对心肌纤维数据进行预处理后,采用体绘制技术对该数据中的强度值进行可视化,从而预览整体三维体数据。通过不透明度传递函数和颜色传递函数的改变,实时改变体绘制结果。
图8为体绘制模块用户交互界面,该界面包括体绘制控制界面和体绘制结果显示界面。其中,控制界面提供对传递函数的设置和数据统计信息的显示。对强度值进行统计是为了给用户提供设置传递函数的依据,通过对传递函数进行设置,则可以改变体绘制结果。在绘制窗口中除了显示体绘制结果,还可以对二维切片数据进行选择并显示。
体绘制技术对心肌纤维数据中的强度值进行可视化,图元显示法和纤维跟踪法对DT-MRI数据进行可视化。
图9为图元绘制模块用户交互界面,该界面为用户提供切片数据选择功能和图元参数信息的设置功能。图元颜色映射方式通过单选框选择,图元类型通过属性页的方式设置。每种图元类型都对应各自的参数,在属性页中设置每种类型的参数。界面右侧为图元绘制结果。
图10和图11为纤维跟踪和纤维跟踪结果分析模块用户交互界面。纤维跟踪模块用户交互界面可对纤维跟踪时的流线积分算法进行设置,包括积分步长、流线最大长度和积分停止条件。纤维跟踪结果分析模块用户界面可提供切片数据选择功能,并通过绘制窗口的鼠标点击事件选择特定体素,返回该体素的最大特征向量和各向异性标量测度并显示,还可通过按钮触发事件以添加或删除该体素为初始点的流线。
4 结束语
针对心肌纤维DT-MRI数据的可视化问题,本文利用体绘制技术、图元显示法和纤维跟踪法,设计并实现基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统。该系统提供一个友好的用户交互界面,用户可以根据需求设定可视化参数,并对可视化结果进行观察分析。实验结果表明,该系统可以根据参数的变化实时改变可视化结果,并对纤维跟踪结果进行分析。该系统为分析、研究心肌纤维DT-MRI数据提供了一个交互式可视化平台。
摘要：核磁共振弥散张量成像(Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging,DT-MRI)是近年来提出的一项新的医学影像技术。通过利用核磁共振技术测量细胞内多个方向上水分子弥散运动的特征,可以全面充分研究活体组织微细结构。基于犬心室的DT-MRI数据集开展了三维心肌纤维结构的可视化方法及其可视化系统设计与实现的研究。首先利用阈值滤波、中值滤波和邻域平均法对原始DT-MRI数据进行去噪预处理,然后利用体绘制技术、图元显示法和纤维跟踪法对犬心室的DT-MRI数据进行可视化。最后对基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化应用进行了详细的需求分析和系统设计,基于VTK(Visualization Toolkit)实现一个DT-MRI数据的心肌纤维可视化和分析系统。实验结果表明该系统具有良好的交互性,为研究心脏结构提供了一个有力可视化工具。
关键词：心肌纤维,核磁共振弥散张量成像,可视化,图元显示,流线跟踪
参考文献
[1]PIERPAOLI C,JEZZARD P,BASSER P J,et al.Diffusion ten-sor MR imaging of the human brain[J].Radiology,1996,201:637-648.
[2]POUPON C,MANGIN J F,CLARK C.Towards inference of h-uman brain connectivity form MR diffusion tensor data[J].Me-dical Image Analysis,2001,5:1-15.
[3]PARKER G,CLAUDIA A M,WHEELER-KINGSHOTT C.Dis-tributed anatomical brain connectivity derived from diffusion t-ensor imaging[J].Lecture notes in Computer Science,2001,2082:106-120.
[4]ZHUKOV L,BARR A H.Oriented tensor reconstruction:trac-ing neural pathways from diffusion tensor MRI[J].IEEE Vis-ualization 2002 Proceedings,2002:387-394.
[5]LEVOY M.Display of surfaces from volume data[J].IEEE C-omputer Graphics&Applications,1988,8(3):29-37.
[6]丁娜.光线投射体绘制传递函数的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文,2010:47.
可视化分析系统 篇9
“信号与系统”是电子信息、电子技术、自动控制、通信工程等众多专业的一门重要基础课程, 还是一门承上启下的关键课程。它是继电路分析课程之后向数字信号处理、通信原理等专业课过渡的桥梁, 也是高等数学和工程数学与后续专业课的结合, 在专业教育中处于非常重要的地位[1,2,3]。然而长期以来, “信号与系统”多采用单一的授课式教学模式。课堂上, 教师对基本公式、概念及相关理论进行推导使学生了解函数的推算过程, 课后学生依靠做习题来巩固和理解教学内容。这种传统的教学方式虽然能照应教材的全面性和系统性, 但不利于学生了解所学理论知识与实际工程之间的内在联系, 抽象的概念和原理也缺乏形象化的教学演示, 学生的学习兴趣不高, 学习效率低下, 在一定程度上制约了教学效果。为了激发学生的学习兴趣, 使其更好地掌握信号与系统的基本方法和基础理论, 本文利用MATLAB软件的图形用户界面 (GUI) 设计完成的“信号与系统”可视化辅助教学系统, 不需要编写程序, 只需输入合适的参数就可以将教学中抽象的、不易理解的知识点以图形的方式显示出来, 让学生更容易理解相关的概念或原理, 减轻了教师授课的压力, 提高了教学质量。
2 基于MATLAB的可视化辅助教学系统的设计
MATLAB作为一套高性能的数值计算和可视化软件, 既能进行科学计算、数值分析, 又能开发所需要的图形界面, 具有其他编程语言无法比拟的优势[4]。在MATLAB软件中, 图形用户界面 (GUI) 是由窗口、光标、按键、菜单等控件对象构成, 用户可以在GUI的组件布局编辑器中添加所需要的控件对象并修改或调整其属性, 完成显示界面的设计并进行保存, 然后在包含GUI初始化的M文件里, 对控件对象的Callback (回调) 函数进行编写来实现教学内容的可视化。
可视化辅助教学系统的界面采用多级嵌套的形式, 自上而下进行设计, 即先设计主界面, 再设计子界面, 逐级嵌套, 层次分明。和系统界面相链接的是进行可视化的教学内容。由于信号与系统包含的内容十分广泛, 既有时间域, 又有变换域 (S域和Z域) ;不仅讲述连续系统, 还讲述离散系统, 同时涉及到部分通信工程的实例分析[5], 结合洛阳师范学院物理与电子信息学院选用的“信号与系统”教材, 将实际的教学内容进行模块化设计, 得到了可视化辅助教学系统的模块结构如图1所示。
从图1可知, 本系统共可视化了十三个方面的教学内容。由于具体的教学内容不同, 致使设计成的模块界面也不同, 但模块的设计过程和步骤是相同的。首先, 在图形用户的开发环境 (GUIDE) 中打开一个空白的GUI界面, 然后在该界面上添加所需要的控件 (如Static Text、axes和Push Button等) , 接着调整或修改所添加的控件属性完成界面的布局, 对界面进行保存后会生成一个M文件, 最后在该M文件内编写各个控件的Callback函数以实现信号或系统波形的正确显示。当各个模块的设计完成后, 还需要将它们有序地链接在一起, 以方便授课时教师的使用。
图2所示是设计完成的系统主界面, 在该界面上包括连续信号运算、离散信号运算、连续系统分析、离散系统分析、退出系统五个模块。除退出系统外, 其他模块均有不同的子界面和模块组成。在主界面上, 用户单击所需要的模块按钮就会切换到对应的子界面。在子界面上继续单击相应的模块按钮就进入到子模块中, 然后在子模块的界面上输入合适的参数就可以得到信号或传输系统的波形, 利用生成的波形直观形象地描述信号与系统的概念或原理。
3 可视化辅助教学系统的实例演示
下面以离散系统的Z域分析和连续信号的时域运算为例, 演示可视化辅助教学系统在教学中的应用。
3.1 离散系统的Z域分析
描述一个n阶离散线性时不变系统的数学模型是线性常系数差分方程, 当已知系统的零状态响应与激励的z变换就可以求得离散系统的系统函数。利用系统函数可以绘制系统的零极点分布图, 通过零极点的分布不仅可以判断系统的稳定性, 还可以确定频率响应的幅频特性和相频特性。比如, 已知一个离散系统的系统函数为, 要求绘出该离散系统的零极点分布图、系统的幅频响应曲线和相频响应曲线。使用本系统进行可视化的显示。首先, 启动MATLAB7.0, 在命令窗口输入系统的名称, 按回车键即可启动该系统, 弹出如图2所示的系统主界面。接着, 在主界面上单击“离散系统分析”按钮, 弹出如图3所示的子界面, 在图3所示的界面上单击“离散系统的Z域分析”按钮, 即进入到“离散系统的Z域分析”界面。在“离散系统的Z域分析”界面上, 输入系统函数的分子系数[0.1 0-0.2 0 0.20-0.1]和分母系数[1 0 0.6 0 0.4 0 0.04], 然后单击“系统零极点图”按钮即可生成系统函数的零极点分布图, 由此图可知系统的所有极点均在单位圆内, 因而判定该系统是一个稳定的系统;同样, 单击“幅频特性曲线”和“相频特性曲线”按钮可以得到系统的幅频特性与相频特性曲线, 如图4所示。使用此系统需要注意的是, 在输入系统函数的分子、分母系数时要按z的降幂顺序依次输入, 若出现缺项的情况, 其系数须用0代替。
3.2 连续信号的时域运算
连续信号在时域中的基本运算包括:信号的相加与相乘、信号的微分与积分、信号的卷积积分等, 本文以两个信号的相加与相乘为例进行可视化分析。
首先启动系统, 在主界面上单击“连续信号运算”, 弹出如图5所示的子界面, 接着在此子界面上单击“连续信号时域运算”, 进入到“连续信号时域运算”界面, 在该界面上输入相应的参数, 然后单击对应按钮即可生成所要的图形。比如, 输入信号1选择“正弦波”、幅值输入4、频率输入2, 输入信号2选择“方波”、幅值输入6、频率输入1, 单击“信号相加”和“信号相乘”就生成了信号的原始波形和相加、相乘后的波形, 如图6所示。同理, 当输入信号1在下拉菜单中选择“锯齿波”, 幅值输入5、频率输入2, 输入信号2在下拉菜单中选择“正弦波”, 幅值输入4、频率输入3, 可以得到如图7所示的波形。从图6和图7可以形象地观察信号相加、相乘前后的波形变化, 这是用语言或文字难以表达的内容, 学生也容易接受和掌握。
4 结论
运用MATLAB软件的图形用户功能设计的可视化辅助教学系统, 对常用信号的基本运算、连续信号的频域特性、系统在时域或变换域上的特性进行了仿真, 并以可视化的方式显示出来。整套系统人机交互界面简洁, 操作方便。利用该软件, 教师在课堂上以交互的方式对课程中的概念或原理进行实时仿真, 将抽象的理论知识真实、生动地展现给学生, 激发了学生的学习兴趣。课后, 学生还可以利用此系统复习教学内容, 加深对所学知识的理解。此外, 开放系统的源程序, 让学生利用该系统设计自己的信号分析与系统处理程序, 培养他们主动获取知识和独立解决问题的能力。
参考文献
[1]葛愿.“信号与系统”创新教学模式探索[J].科技视界, 2014, (1) :65-66.
[2]杜世民, 杨润萍.基于Matlab GUI的“信号与系统”教学仿真平台开发[J].实验技术与管理, 2012, 29 (3) :87-90.
[3]俎云霄, 贾越, 李奔, 等.“信号与系统”仿真演示系统设计[J].电气电子教学学报, 2012, 34 (1) :70-72.
[4]陈垚光, 毛涛涛, 王正林, 等.精通MATLAB GUI设计 (第3版) [M].电子工业出版社, 2013.