科学计算可视化

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。

2科学计算可视化的意义

早期，由于计算机软、硬件技术水平的限制，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。而近年来，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、CT、天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，人们仅仅是将数据收集和存放起来。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。

实现科学计算可视化技术的意义重大，具体来讲有以下几点:

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

总之，科学计算可视化技术的发展将使科学研究工具和环境进一步现代化，从而使科学研究的面貌发生根本性的变化，具有极为重要的意义。

3 科学计算可视化的过程

在科学研究领域，研究的主要目的是理解自然的本质。科学家要达到这个目的，要经过从观察自然现象到模拟自然想象并分析模拟结果的过程。在分析实验结果的过程中，可视化是一个十分重要的辅助手段。可视化的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；

可视化的上述四个步骤是一个周而复始的循环迭代的过程。由于研究人员并不知道原始数据集中那些部分对分析更重要，得靠实践探索，因此整个分析过程是一个反复求精的过程。

4 科学计算可视化研究的是什么

可视化的研究主要分为两大部分，可视化工具的研究和可视化应用的研究。科学计算可视化研究的重点是有关可视化参考模型的内涵，即可视化过程的组成内容，其中包括：

（1）数据预处理：可视化的数据来源十分丰富，数据格式也是多种多样的，这一步将各种各样的数据转换为可视化工具可以处理的标准格式。

（2）映射：映射就是运用各种各样的可视化方法对数据进行处理，提取出数据中包含的各种科学规律、现象等，将这些抽象的、甚至是不可见的规律和现象用一些可见的物体点、线、面等表示出来的。

（3）绘制：将映射的点、线、面等用各种方法绘制到屏幕上，在绘制中有些物体可能是透明的，有些物体可能被其他物体遮挡。

（4）显示：显示模块除了完成可视信息的显示，还要接受用户的反馈输入信息，其研究的重点是三维可视化人机交互技术。

5 科学计算可视化的应用

从可视化技术的诞生之日起，便受到了各行各业的欢迎。在过去的十年里，可视化的应用范围已从最初的科研领域走到了生产领域，到今天它几乎涉及到了所有能应用计算机的部门。在这里，我们将简要列举一些应用可视化技术的例子。

（1）医学

在医学上由核磁共振、CT扫描等设备产生的人体器官密度场，对于不同的组织，表现出不同的密度值。通过在多个方向多个剖面来表现病变区域，或者重建为具有不同细节程度的三维真实图像，使医生对病灶部位的大小、位置，不仅有定性的认识，而且有定量的认识，尤其是对大脑等复杂区域，数据场可视化所带来的效果尤其明显。借助虚拟现实的手段，医生可以对病变的部位进行确诊，制定出有效的手术方案，并在手术之前模拟手术。在临床上也可应用在放射诊断、制定放射治疗计划等。

（2）生物、分子学

在对蛋白质和DNA分子等复杂结构进行研究时，可以利用电镜、光镜等辅助设备对其剖片进行分析、采样获得剖片信息，利用这些剖片构成的体数据可以对其原形态进行定性和定量分析，因此可视化是研究分子结构必不可少的工具。

（3）航天工业

飞行器高速穿过大气层时周围气流的运动情况和飞行器表面的物理特性的变化，在现有的流场可视化技术下，可以非常直观的展现出来。尤其是对飞行器的不稳定现象、超音速流的研究，这是计算流体力学里的新课题，借助可视化技术，许多意想不到的困难都可以迎刃而解了。

（4）工业无损探伤

在工业无损探伤中，可以用超声波探测，在不破坏部件的情况下，不仅可以清楚地认识其内部结构，而且对发生变异的区域也可以准确地探出。显然，能够及时检查出有可能发生断裂等具有较大破坏性的隐患是有极大现实意义的。

（5）人类学和考古学

在考古过程中找到古人类化石的若干碎片，由此重构出古人类的骨架结构。传统的方法是按照物理模型，用粘土来拼凑而成。现在，利用基于几何建模的可视化系统，人们可以从化石碎片的数字化数据完整地恢复三维人体结构，因而向研究人员提供了既可以作基于计算机几何模型的定量研究，又可以实施物理上可塑的化石重现过程。

（6）地质勘探