-可视化科学计算
《科学计算可视化》课件
结论
科学计算可视化在增加数据理解和洞察力方面发挥着重要作用，是未来发展 的重要趋势。
参考文献
• 相关论文、书籍等资料的引用
《科学计算可视化》PPT 课件
科学计算可视化 PPT课件，通过图形和可视表达方式，展示科学计算过程中的 数科学计算可视化是如何将数值计算结果可视化展示的 • 科学计算可视化的应用场景，如科学研究、工程设计、市场分析等 • 科学计算可视化在数据分析和决策过程中的重要性
通道选择
2
状等展示信息
选择合适的可视通道来传达关键信息
3
坐标系
选择合适的坐标系来展示数据关系
标签和注释
4
在图表中添加标签和注释，更加清晰地 表达意思
可视化实践
1 使用Python库可视化分析数据
利用Python可视化库对数据进行图表展示和 分析
2 使用R库可视化分析数据
利用R语言可视化库对数据进行图表展示和分 析
可视化工具
Python可视化库
Matplotlib, Seaborn, Plotly等工具可以用于数据可视化
R可视化库
ggplot2和lattice等工具适合R语言用户进行数据可视化
其他可视化工具介绍
了解其他工具和框架，如D3.js、Tableau等
可视化技巧
1
数据映射
将数据转化为视觉属性，利用颜色、形
Python电子教案9-1-科学计算和可视化
科学计算
科学计算领域最著名的计算平台Matlab 采用矩阵作 为最基础的变量类型。矩阵有维度概念，一维矩阵是 线性的，类似于列表，二维矩阵是表格状的，这是常 用的数据表示形式。
科学计算与传统计算一个显著区别在于，科学计算 以矩阵而不是单一数值为基础，增加了计算密度，能 够表达更为复杂的数据运算逻辑。
——世界是不确定的，还是确定的？世界是概率的，还是微积分的？ ——醒醒，开始看程序！
思考与练习：
[E10.1]思考在日常工作和生活中科学计算还有什么 应用？
[E10.2]尝试安装numpy 和matplotlib 库。
模块10 numpy 库的使用
要点
numpy 是用于处理含有同种元素的多维数组运算的 第三方库。
numpy 库的算术运算函数
这些函数中，输出参数y 可选，如果没有指定，将 创建并返回一个新的数组保存计算结果；如果指定参 数，则将结果保存到参数中。例如，两个数组相加可 以简单地写为a+b，而np.add(a,b,a)则表示a+=b。
numpy 库的比较运算函数
numpy 库的比较运算函数
图像的手绘效果
在利用梯度重构图像时，对应不同梯度取0‐255 之 间不同的灰度值，depth 的作用就在于调节这个对 应关系。depth 较小时，背景区域接近白色，画面 显示轮廓描绘；depth 较大时，整体画面灰度值较 深，近似于浮雕效果
图像的手绘效果
将光源定义为三个参数：方位角vec_az、俯视角 vec_el 和深度权值depth。两个角度的设定和单位向 量构成了基础的柱坐标系，体现物体相对于虚拟光源 的位置，如实例代码19.1 的第4 到6 行。
计算机在科学研究中的应用
计算机在科学研究中的应用计算机科学是一个广泛而且快速发展的领域，计算机技术在各个领域中的应用越来越广泛。
特别是在科学研究领域，计算机的使用已经成为了一种基本的工具。
本文将重点探讨计算机在科学研究中的应用，包括计算机模拟与建模、数据分析和可视化、科学计算等。
一、计算机模拟与建模计算机模拟与建模作为计算科学的一个重要分支，在科学研究中起着至关重要的作用。
通过建立数学模型和使用计算机模拟软件，科学家们可以对许多现实中难以观察和控制的现象进行研究和预测。
以天体物理学为例，科学家们可以利用计算机模拟软件对宇宙的形成、星系的演化、行星轨道的稳定性等问题进行模拟和研究。
这些模拟实验不仅可以帮助科学家们理解宇宙的演化过程，还可以为探索宇宙中的其他未知问题提供线索。
在材料科学领域，计算机模拟与建模技术也发挥着重要作用。
科学家们可以通过计算机模拟分子和原子之间的相互作用，研究不同材料的性质和行为。
这些模拟实验可以为新材料的设计和开发提供指导，加快材料科学领域的进步。
二、数据分析和可视化科学研究中涉及大量的数据处理和分析，而计算机可以大大提高数据处理的效率和准确性。
科学家们可以借助计算机软件进行数据采集、整理、分析和可视化，从而挖掘数据背后的规律和趋势。
在生物医学研究中，计算机在基因测序、蛋白质结构分析、疾病模拟等方面发挥着重要作用。
通过对大规模基因数据的分析，科学家们可以发现基因与疾病之间的关联性，进而为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
在环境科学领域，计算机在气象预测、气候模拟、环境污染分析等方面发挥着重要作用。
科学家们可以通过分析和可视化大量的气象数据和环境监测数据，预测气候变化趋势、评估环境风险，并为环境保护和可持续发展提供决策支持。
三、科学计算科学计算是科学研究的重要组成部分，而计算机作为一种强大的计算工具，在科学计算领域中发挥着关键作用。
科学家们可以利用计算机进行复杂的数值计算、模拟实验和数据处理，以支持科学理论的验证和研究方法的改进。
科学计算可视化
1 什么是科学计算可视化科学计算可视化(简称可视化，英文是Visualization in Scientific Computing，简称ViSC)是计算机图形学的一个重要研究方向，是图形科学的新领域。
“Visualization”一词, 来自英文的“Visual”, 原意是视觉的、形象的，中文译成“图示化”可能更为贴切。
事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。
与计算机有关的如可视化界面（Windows），可视化编程（Visual C++）等。
但作为学科术语，“可视化”一词正式出现于1987年2月美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF ）召开的一个专题研讨会上。
研讨会后发表的正式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期研究的方向。
这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。
科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图象，以直观的形式表示出来。
它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。
研究表明，人类获得的关于外在世界的信息80%以上是通过视觉通道获得的。
经过漫长的进化，人类视觉信息处理具有高速、大容量、并行工作的特点。
常言所说“百闻不如一见”，“一图胜过千言”，就是这个意思。
这些特点早已为祖先们所认识和应用。
古长城上的烽火台，显示了先民的智慧，可以将重要的信息迅速大范围传递。
作为千百年来文明载体的“图书”，“图”是在“书”前的！“河图洛书”的传说，显示出“图”在我们文明的发端及以后的发展中所起的作用。
今天，设计图是借助纸张的媒介表达创意，工程图是现代工业生产的依据。
可视化依然继续着借助形象化方法表达人类意图的传统。
我们将看到，可视化技术产生的图是一种全新的形式。
科学计算的软件和算法实现
科学计算的软件和算法实现计算机科学和技术的迅猛发展，为科学计算提供了前所未有的机会和挑战。
越来越多的人们开始探索计算机技术如何帮助人类更好地理解世界，并创造更加高效的生产模式。
在这个领域中，科学计算的软件和算法实现是必不可少的一环。
这些软件和算法不仅能够提供高精度和高效率的解决方案，还可以为科学家和工程师们提供方便和灵活的工具。
一、科学计算软件的分类1.数学软件数学软件是一类专门用于解决数学问题的软件，如MATLAB、Maple、Mathematica等。
它们提供了各种数学工具和函数包，能够进行符号、数值、几何、统计等方面的计算和绘图。
这类软件广泛应用于物理、化学、生物学、金融和工程等领域。
它们的优点是数学实现的准确性高、复杂的计算可以自动化、能够进行可视化操作、以及方便的数据交互。
2.高性能计算软件高性能计算软件用于解决大规模、复杂的科学计算问题，如数值模拟、大数据分析、模式识别和优化等。
这些问题往往需要进行大规模的并行计算，需要利用超级计算机等高性能计算设备。
这类软件包括MPI、OpenMP、CUDA等。
MPI是一个基于消息传递的并行计算库，用于编写分布式内存程序。
OpenMP是一种基于线程的并行计算库，可以利用多核处理器进行并行计算。
CUDA是NVIDIA公司开发的一个GPU计算框架，可以实现大规模并行计算。
二、科学计算算法的实现为了解决各种复杂的科学计算问题，需要采用各种高效的算法。
科学计算领域中有许多高效的算法，下面介绍几种常用的算法。
1.数值分析算法数字分析算法是通过数值计算来解决数学问题的算法。
应用数字分析算法的领域包括微积分、矩阵计算、信号处理等。
其中著名的算法包括Runge-Kutta方法、幸福法、迭代法、和牛顿法。
这些算法通过数值计算可以有效地解决许多实际问题。
2.预处理算法预处理算法是一种加快数值计算收敛速度的技术。
这种算法适用于求解大规模稀疏线性方程组、最小二乘问题和特征值问题等。
空间信息的可视化
2、电子地图与GIS的区别： 电子地图包含了GIS的主要功能，但不是全部功能。侧重于可见实体的显示，其中较 完善的空间信息可视化功能和地图量算功能是一般GIS所欠缺的。但是相对而言, 一 些电子地图( 集) 难予使其可视子空间均具有统一的空间数学基础 , 因而空间分析相 对GIS薄弱，这也是两者的分水岭。
第七可视化
可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种 转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地 把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们。 2、科学计算可视化
是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及 计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。
1）飞行模拟
3、VR GIS
2）战斗模拟
开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势。 4、实现技术
--上海外滩示例
第七章
4、实现技术
空间信息的可视化
可以通过 GIS 软件支持的 DEM 功能、 3DMAX ， AutoCAD 中的三维实体建模，以及 VRML ， OPENGL或Direct X，Java3D或Flash,ViewPoint等实现或辅助实现虚拟现实。 1）VRML简介： VRML作为一种开放的、可扩展的、工业标准的虚拟景象描绘语言，已广泛用于在 Internet中描述3D景象或世界。VRML和HTML是紧密相连的，是HTML在3D领域模拟和扩展。 由于VRML在Internet具有良好模拟性的和交互性，显示出强大的生命力。 2）具体实现-----实例 VRML浏览器插件 如Cosmo Player 网络环境 3）应用
*.wrl
虚拟现实
VRML作为实现VR的语言标准，与GIS、DEM、DTM技术相结合，将在旅游娱乐、商业 营销、房地开发、工程设计、数字地球、虚拟地理环境、军事等众多领域发挥巨大 的作用。
数据可视化ppt
的二维图形显示的理论，强调有用
信息密度的最大化问题。这些理论
图1
图1 美国可视化人体数据切片之一 1975年图统1计1图95形7年学发家明发的明圆的形增图强标散，点采图用表线达段及其18朝00向—编19码00多年维：数图数据2据J图oh形n
图2 采用直接体可视化技术绘制鳄鱼木会乃同伊JCaTcq数u据es Bertin的图形符号学，
的医学影像数据、三维空间信息测量数据、流体计 算模拟数据等。由于数据的规模通常超过图形硬件 的处理能力，所以如何快速地呈现数据中包含的几 何、拓扑、形状特征和演化规律是其核心问题。随 着图形硬件和可视化算法的迅猛发展，单纯的数据 显示已经得到了较好的解决。 • 信息可视化的核心问题主要有高维数据的可视化、 数据间各种抽象关系的可视化、用户的敏捷交互和 可视化有效性的评断等。 • 可视分析偏重于从各类数据综合、意会和推理出知 识，其实质是可视地完成机器智能和人脑智能的双 向转换，整个探索过程是迭代的、螺旋式上升的过 程。
列作图一个模块，从而提供了一个统一的数据分析界面。
于开源智能19数75据—源19（87O年pe：n-多So维u统rce计In图te形lligence（OSINT），如学术研究、博客、新闻媒
1987—2004年：交互可视化 体、非政府组织报告和联合国研究等），实现人物、关系、时间、统计、地理信息、社
2004年至今：图可3视1分99析1年学Ben
简述计算机图形学的应用领域
1.计算机辅助设计与制造CAD／CAU是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。
计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。
有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人——机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。
在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。
一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。
在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。
随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。
现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程‘、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。
它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。
使异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。
CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。
三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。
二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位，工程上有大量的旧的透视图和投影 3 加工代码的指令。
基于 Ensight 的科学计算结果可视化
基于 Ensight 的科学计算结果可视化薛伟伟;程长征【摘要】FORTRAN 和 C 等高级语言使用广泛，但计算结果多为数值文本。
通过编写数据接口，将 FORTRAN 边界元法程序的数值计算结果转换成 Ensight 输入文件，得出计算结果的场图像。
这种方法具备视觉效果好、开发工作量低、对硬件图形库有较好支持等特点。
同时，利用 Ensight 的功能，可进行数值观察、添加等值线等操作。
%FORTRAN and C programs are extensively used as numerical calculation tools by researchers in various fields,and the numerical results are usually output in the text format.A field image can be obtained using Ensight via establishing the data interface of the Ensight software,and converting text results of a FORTRAN boundary element method example into a Ensight input file.The advantages of this technique are good visual effect,low development effort,better graphics library for hardware sup-port and so on.In addition,observing the data and adding the equivalent line can be further accom-plished in Ensight.【期刊名称】《合肥学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(026)001【总页数】5页(P41-45)【关键词】Ensight;FORTRAN;可视化;科学计算【作者】薛伟伟;程长征【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009;合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TP314目前，计算机数值模拟逐渐成为解决工程和科学问题的主要手段。
科学可视化
科学可视化科学可视化（英语：scientific visualization或scientific visualisation）是科学之中的一个跨学科研究与应用领域，主要关注的是三维现象的可视化，如建筑学、气象学、医学或生物学方面的各种系统。
重点在于对体、面以及光源等等的逼真渲染，或许甚至还包括某种动态（时间）成分。
科学可视化侧重于利用计算机图形学来创建视觉图像，从而帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果。
概述美国计算机科学家布鲁斯·麦考梅克在其1987年关于科学可视化的定义之中，首次阐述了科学可视化的目标和范围：“利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式。
此类数字型表现形式或数据集可能会是液体流型（fluid flow）或分子动力学（molecular dynamics）之类计算机模拟的输出，或者经验数据（如利用地理学、气象学或天体物理学设备所获得的记录）。
就医学数据（CT、MRI、PET等），常常听说的一条术语就是“医学可视化（medical visualization）。
科学可视化本身并不是最终目的，而是许多科学技术工作的一个构成要素。
这些工作之中通常会包括对于科学技术数据和模型的解释、操作与处理。
科学工作者对数据加以可视化，旨在寻找其中的种种模式、特点、关系以及异常情况；换句话说，也就是为了帮助理解。
因此，应当把可视化看作是任务驱动型，而不是数据驱动型。
历史科学的可视化与科学本身一样历史悠久。
传说，阿基米德被害时正在沙子上绘制几何图形。
就像其中包含等值线（isolines）的地磁图（magnetic charts）以及表示海上主要风向的箭头图那样，天象图（astronomical charts）也产生于中世纪。
很久以前，人们就已经理解了视知觉在理解数据方面的作用。
作为一个利用计算机手段的学科，科学可视化领域如今依然还属于新事物。
第五章空间数据的可视化表达
2
2)地理信息的可视化表示
是利用各种数学模型，把各类统计数 据、实验数据、观察数据、地理调查资 料等进行分级处理，然后选择适当的视 觉变量以专题地图的形式表示出来，如 分级统计图、分区统计图、直方图等。 这种类型的可视化体现了科学计算可视 化的初始含义。
查看分类 方法
分级属性中默认要素的分级方案是Natual Breaks，它是在分级数确定的情况下，通 过聚类分析将相似性最大的数据分在同 一级，差异性大的分在不同级，这种方 法可以保持较好数据的统计特性，但分 级界限往往是任意数，不符合常规制图 需要。
23
选择分类方法 为手动；
在中断值中依 次输入数值
查看分类符号属性
双击红框中的线 符号改变线类型；
单击类型红框中 的名称改变标注 名称；
查看符号化后的 公路，以及内容 列表中的变化；
1.3、分级色彩
将要素属性数值按照一定的分级方法分成若干级别之后， 用不同的颜色来表示不同级别。每个级别用来表示数值的 一个范围，从而可以明确反映制图要素的定量差异。
第五章 空间数据的可视化表达
可视化，也称作科学计算可视化，它将符号或数据转 换为直观的几何图形，便于研究人员观察其模拟和计 算过程。可视化包括了图像综合，这就是说，可视化 是用来解释输入到计算机中的图像数据，并从复杂的 多维数据中生成图像的一种工具。是地图数据的屏幕 显示。
1
1)地图数据的可视化表示
5
符号化有两个含义：在地图设计中，地 图数据的符号化是指利用符号将连续的 数据进行分类分级、概括化、抽象化的 过程。在数字地图转换为模拟地图过程 中，地图的符号化指的是将已处理好的 地图数据恢复成连续图形，并附之以不 同符号表示的过程。
简述计算机图形学的应用领域
1.计算机辅助设计与制造CAD／CAU是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。
计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。
有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人——机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。
在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。
一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。
在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。
随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。
现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程‘、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。
它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。
使异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。
CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。
三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。
二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位，工程上有大量的旧的透视图和投影 3 加工代码的指令。
科学计算可视化
科学计算可视化概述
• 科学计算可视化是一种特殊的计算方法，它 把数字符号转换为几何图像或图形，使研究 者能够观察其模拟和计算过程，并进行交互 控制。
➢ 第二，它可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，而 不仅仅局限于文字通信和数字通信，实现计算工具和环境 的进一步现代化；
➢ 第三，由于可视化可以将计算结果用图形或图像形象、直 观地显示出来，使许多抽象的、难于理解的原理和规律变 得容易理解了，许多冗繁而枯燥的数据变得生动有趣了。
体视化（Volume Rendering）技术是科学计算可视化 中的一个重要分支，研究的是体数据的可视化问题。
判断函数代表的曲线形状（比如圆形），然后根据圆心和半径画 图，这就是矢量图形的绘制原理。 也就是说，每个图形元素都是由几个简单的控制点位置来描述， 而不是直接描述数据的每一点，画矢量图就像画几何图形和函数 曲线。对显示列表中的图形基元不断地重绘就起到了屏幕刷新的 目的，从而保证物体保留在屏幕上 。
科学计算可视化概述
科学计算可视化技术可按照其功能划分为以下三个层次
➢ 后处理：
将计算过程与可视化过程分开，也就是说数据采集或模拟计算系 统与可视化系统可以是两个完全独立运行的系统，用户与数据的 采集及计算过程不存在任何交互，不能对计算过程进行干预和引 导，可视化过程在数据采集或模拟计算完成后的任意时刻的脱机 状态下进行。
这样做的优点是可以重复显示；此外，由于不要求实时地用图形 、图像显示数据，因而，这一层次的可视化对计算能力的需求较 之下面两个层次要低一些。目前，这一层次上的可视化应用最为 广泛，如计算流体力学、气象分析计算的后处理。缺点是无法提 早发现数据采集和计算中的错误，不能及时地得到有关数据的直 观、形象的整体概念，而且还有可能丢失大量信息。
33799503
关键 词 科 学计算 可视化 ；信 息可视化 中 图分 类号 Ｔ ３ １ １ 文献 标识 码 Ａ 文 章 编号 １７— ６ １（ １）３—０３ ０ Ｐ ９． ４ ６３９７ 一２ ００ １０２－ １ ０
可 视 化 由 英 文 单 词 “ｉｕ ｌ ａｉｎ 翻 译 而来 ，本 意 是 是 某 物 图像 ｖｓａｉ ｔ ” ｚ ｏ 化 、图形化 ，从而能够清晰地 、直观地呈现 。１８ 年２ ９ ７ 月美 国国家科学 基金会 （ ａｉ ａ ＳｉｎｅＦｕ ｄｔ ｎ Ｆ）召开的图形 图像专题研讨会上 Ｎ ｔｎ ｃ ｃ ｏｎ ａｏ ， ｏｌ ｅ ｉ ＮＳ 第一ห้องสมุดไป่ตู้给 出了科 学计算可视化 的定义 、覆 盖的领域 ，并对 可视化的需 求 、近期 目标 、远景规划 和应用前景方面做 了阐述 。这标志着科学计算 可视化作为一个全新的学科在 国际范围内的确立。 随着社会 和计算机技 术的发展 ，到今天 ，可视化技术 的大家庭 中 不仅仅有科学计算可视化 ，还包括了数据 可视化 （ ａ ｓａｉ ｔ ｎ Ｄ ｔ Ｖｉ ｌａｉ ）、 ａ ｕ ｚｏ 信息 可视化 （ ｎｏｍａｉｎ Ｖ ｓａｉａｉｎ）、知识 可视 化 （ ｎ ｗｅ ｇ Ｉｆｒ ｔ ｉｕ ｌｚｔ ｏ ｏ Ｋ ｏ ｌｄ ｅ ｖｓ ｉ ｔｎ）等一系列的分支 。在这些具 体分支 中科学计算可视化和信 ｉ ａｚ ｉ ｕ ｌａ ｏ 息可视化是两个重要代表 ，前者是可视化技 术的第一次出现 ，后者将可 视化技术扩展到非数值、非空间和高维领域。
１ 科学 计算 可视 化 （ ｓ ａｉ ｔ ｎＩ ｃ ｎ ｅＣ ｍｐ ｔ，ＩＣ） Ｖｉ ｌａｉ Ｓ ｉ ｃ ｏ ｕｅＶＳ ｕ ｚ ｏ ｎ ｅ
科学计算可视化是利用算机图形学和图像处理技术 ，将科学 与工程 计算等产生 的大规模数据转换为图形、图象 ，在屏幕上显示出来并进行 交互处理 的理论 、方法和技术 。它涉及计算机 图形学 、图像处理 、计算 机视觉 、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域 。 早期 ，科学计算 只能 以批处理方式进行 ，而不能进行交互处理 ，对 于大量 的输 出数 据 ，只能用人 工方式处理 ，或者用绘 图仪输 出二维 图 形。这种处理方式不仅效率低下 ，而且丢失 了大量信息。随着计算机应 用的普及和科学技术 的迅速发展 ，来 自超级计算机 、卫星遥感 、ｃ 、天 Ｔ 气预报 以及地震勘测等领域 的数据量越来越大 ，但 由于没有有效 的处理 和观察理解手段 ，使得大量数据无法理解 。另一方面 ，由于计算机技术 的高速发展 ， 使得计算成本不断下降 ，计算精度和速度不断提高。这使 得对复杂问题 的数值模拟成为一种更直接 、更有效 的方法。而三维大规 模数值模拟可产生上百兆 、上千兆的大量数据 ，我们 已无法用传统 的方 法来理解大量科学数据中包含 的复杂现象和规律。因此 ， 科学计算可视 化技术已经成为科学研究 中的必不可少的手段 。它是科学工作者 以及工 程技术人员洞察数据内含信息 ，确定内在关 系与规律的有效方法 ， 使科 学家和工程师 以直观形象 的方式揭示理解抽象科学数据中包含 的客观规 律， 从而摆脱直接而对大量无法理解 的抽象数据的被动局面 。 科学计算 可视化 的目的是理解 自然的本质 。要达到这个 目的，科学 家把科学数据 ，包 括测量获得的数值或是计算 中涉及 、产生的数字信息 变成直观的 、以图形 图像形式显示的 、随时间和空间变化的物理现象或 物理量呈现在研究 者面前 ，使他们能够观察 、模拟和计算。这个过程可 进 一 步 细 化 为 以 下 四 个 步 骤 ：１）过 滤 ：对 原 始 数 据 进 行 预 处 理 ，可 以 转换数据形 式、滤掉噪声 、抽取感兴趣的数据等 ；２）映射 ：将过滤得 到的数据映射为几何元素 ，常见的几何元 素有 ：点 、线 、面图元 、三维 体图元和更 高维的特征图标等 ；３）绘制 ：几何元素绘制 ，得到结果 图 象 ；４）反馈 ：显示图象 ，并分析得到的可视结果。 科学计算可视化 （ ｉ ａｉ ｔ ｎＩ ｃｅｃ ｏ ｕｅ Ｓ Ｖｓｌ ｚ ｉ ｎＳ ｉ ｅＣ ｍｐ ｔ， Ｃ）的意义重 ｕ ａｏ ｎ ＶＩ 大） 大大加快数据的处理速度 ， 使 目前每 日 每时都在产生 的庞大数据得 到有效 的利用 ；实现人与人和人与机之间的图象通讯 ，而不是 目前 的文 字或数字通讯 ，从 而使人们观察到传统方法难 以观察到的现象 和规律 ； 使科学家不仅被动地得到计算结果 ，而且 知道在计算过程中发生 了什么 现象 ，并可改变参数 ，观察其影响 ，对计算过程实现引导和控制 ；可提 供在计算机辅助下的可视化技术手段 ，从而为在网络分布环境下的计算 机辅 助 协 同设 计 打 下 了基 础 。
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能源与环境系统2013级科学计算可视化考试
格式要求：1：引言（500字）2：采用算法（500字）3:程序4：可视化结果截图并讨论
5：结论（300字）6：参考文献（5篇以上，注意格式）
1.引言
随着科学技术的发展,计算机网络已是人们生活中无法离去的工具,故信息化彻底改变了人们的生活方式。
数字图像处理也随之成为图像处理领域的首要之选。
目前,MATLAB由于计算功能强大既支持数值运算又支持矩阵运算且便于用户二次开发,简单易学灵活性强,在数字图像处理领域的研究中成为了使用较为广泛的应用软件之一。
MATLAB（矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是由美国The MathWorks 公司开发，用于数据分析、数据可视化、算法开发以及数值计算的交互式环境和高级计算语言[1]。
除了数据图像/绘制函数、矩阵运算等常用功能外，MATLAB还可以创建图形界面用户程序——GUI，以及面向对象编程和与其它语言（包括VC++、Java）混合编写的程序。
MAT LAB除了主要用于科学计算之外，其附加工具箱（Toolbox）也使它在不同的领域得到充分应用，例如金融建模和分析、信号处理与通讯、图像处理、控制系统设计与分析。
另外还有一个新的系统模型化图形输入与仿真工具软件包——Simulink，该软件实现了动态系统建模和仿真，使用户可以将更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言编程上。
其特点是[2-4]：
(1)简单易学:MATLAB语法规则与其他编程语言大同小异,但其自带函数较多,且功能比较完善,很多时候不用用户编写代码就能实现想实现的功能。
(2)代码短小高效:由于MATLAB将很多应用已经编写成函数,只要控件下面编写回调函数,通过鼠标的点击事件就能完成一次操作。
(3)计算功能非常强大:该软件具有强大的矩阵计算功能,利用一般的符号和函数就可以对矩阵进行加、减、乘、除运算以及转置和求逆等运算。
(4)强大的图形绘制和处理功能:科学计算要涉及到大量数据的处理,利用图形展示数据场的特征,能显著提高数据处理功能。
(5)可扩展性:用户可以自己编写M文件,,组成自己的工具箱。
2.算法--SIMULINK仿真建模
SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
它支持对线性、非线性系统；连续、离散以及混合系统模型进行仿真分析。
由于其功能强大，建模方便，作为一体化的建模与仿真环境越来越广泛地应用在各种仿真应用领域。
SIMULINK 中除了常用模块库可以用来仿真建模外，还根据不同的专业应用提供了专用模型集（BLOCKSET）或工具箱（TOOLBOX）。
利用这些模型集可以完成不同领域内的仿真建模需求。
与其它仿真软件包相比，SIMULINK 包含如下两个突出特点[5]：
1．拥有先进的仿真和分析技术提供了针对固定步长、变步长和刚性系统的 7 种积分算法；动态图形显示的交互式仿真；微调以确定稳态平衡点；线性化； 2．具备开放和可扩展体系结构使用用户自己的图标和界面，从 MATLAB、
FORTRAN 和 C 语言中建立框图和框图程序库；链接预先存在 FORTRAN 和 C 仿真程序以便保留有价值的程序；若用户购买了 SIMULINK 实时 WorkShop 硬件卡，则可根据用户模型生成 C 语言程序。
在 SIMULINK 提供的图形用户界面 GUI 上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。
它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。
从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、器件），又适于自下而上（Bottom-up）逆程设计。
从分析研究角度讲，SIMULINK 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。
3.程序
力-质量系统，要拉动一个箱子（拉力f=1N)，箱子质量为M(1kg)，箱子与地面存在摩擦力[(b=0.4N(/m/s)],其大小与车子的速度成正比。
其运动方程式为：
拉力作用时间为2s，建构的模型为：
4.可视化结果截图讨论
截图
讨论
由图可以看出，黄色线代表箱子速度，前2s时候有因有拉力存在，速度增加。
然而摩擦力一直存在，当拉力撤销之后，摩擦力会减小箱子速度，最后箱子速度变为0。
紫色线代表箱子前进的距离，前2s拉力存在时，箱子速度增大，前进速度在加快，当拉力撤销了，箱子速度就开始减小，前进速度也开始变慢。
最后，当箱子速度变为0的时候，箱子也停止了前进。
5.结论
通过学习MATLAB这门课程，我了解该软件的基本功能，也知道了该软件在我们生活中的重要地位。
初次基础MATLAB是在学习自动化控制理论的时候，那时候对它的印象就是跟C语言差不多都是要编程的，但是通过学习我发现MATLAB 要比C语言要好的多，方便的多。
而且用MATLAB来解决线性代数的问题非常方便。
MATLAB相对于其他的一些编程软件有许多的优点，它的语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富，运算符丰富。
MATLAB既具有结构化的控制语句，又有面向对象编程的特性。
语法上限制不严格，程序设计自由度大。
而起其程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号上的计算机和操作系统上运行。
虽然学习MATLAB的时间很短，但却让我了解到了它的功能和实用性的强大，
我相信学习好这门技术对我们日后会有很大的帮助，作为一名新时代的大学生，学好MTLAB是非常有用的，扩展就业方向，为我们将来就业打下良好的基础。
参考文献
[1] MATLAB 在大学物理实验仿真中的应用荆荣丽
[2] 曲伟娟,基于 MAT LAB 光学实验仿真[D],西安：西北工业大学，2004.03.01
[3] 潘哲峰等 , 仿真技术在普通物理教学中的应用 , 沈阳航空工业学院学报 ,2005,4:42-42,
[4] 代红权等,MATLAB 符号计算及其在大学物理中的应用, 荆门职业技术学院学报,2006.5:21-23
[5] 刘永文，基于通用平台的系统建模和半物理仿真及其在舰船动力装置中的应用[D]，上海交通大学，2002。