科學計算可視化

科學計算可視化1什么是科學計算可視化科學計算可視化(簡稱可視化，英文是VisualizationinScientificComputing,簡稱ViSC)是計算機圖形學的一個重要研究方向，是圖形科學的新領(lǐng)域?！癡isualization"一詞，來自英文的“Visual”，原意是視覺的、形象的，中文譯成“圖示化”可能更為貼切。事實上，將任何抽象的事務(wù)、過程變成圖形圖像的表示都可以稱為可視化。與計算機有關(guān)的如可視化界面(Windows)，可視化編程(VisualC++)等。但作為學科術(shù)語，“可視化”一詞正式出現(xiàn)于1987年2月美國國家科學基金會(NationalScienceFoundation，簡稱NSF)召開的一個專題研討會上。研討會后發(fā)表的正式報告給出了科學計算可視化的定義、覆蓋的領(lǐng)域以及近期和長期研究的方向。這標志著“科學計算可視化”作為一個學科在國際范圍內(nèi)已經(jīng)成熟?？茖W計算可視化的基本含義是運用計算機圖形學或者一般圖形學的原理和方法，將科學與工程計算等產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形、圖象，以直觀的形式表示出來。它涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設(shè)計及圖形用戶界面等多個研究領(lǐng)域，已成為當前計算機圖形學研究的重要方向。2科學計算可視化的意義早期，由于計算機軟、硬件技術(shù)水平的限制，科學計算只能以批處理方式進行，而不能進行交互處理，對于大量的輸出數(shù)據(jù)，只能用人工方式處理，或者用繪圖儀輸出二維圖形。這種處理方式不僅效率低下，而且丟失了大量信息。而近年來，隨著計算機應用的普及和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，來自超級計算機、衛(wèi)星遙感、CT、天氣預報以及地震勘測等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)量越來越大，但由于沒有有效的處理和觀察理解手段，人們僅僅是將數(shù)據(jù)收集和存放起來。因此，科學計算可視化技術(shù)已經(jīng)成為科學研究中的必不可少的手段。實現(xiàn)科學計算可視化技術(shù)的意義重大，具體來講有以下幾點：大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使目前每日每時都在產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)得到有效的利用。實現(xiàn)人與人和人與機之間的圖象通訊，而不是目前的文字或數(shù)字通訊，從而使人們觀察到傳統(tǒng)方法難以觀察到的現(xiàn)象和規(guī)律。使科學家不僅被動地得到計算結(jié)果，而且知道在計算過程中發(fā)生了什么現(xiàn)象，并可改變參數(shù)，觀察其影響，對計算過程實現(xiàn)引導和控制。可提供在計算機輔助下的可視化技術(shù)手段，從而為在網(wǎng)絡(luò)分布環(huán)境下的計算機輔助協(xié)同設(shè)計打下了基礎(chǔ)?？傊?，科學計算可視化技術(shù)的發(fā)展將使科學研究工具和環(huán)境進一步現(xiàn)代化，從而使科學研究的面貌發(fā)生根本性的變化，具有極為重要的意義。3科學計算可視化的過程在科學研究領(lǐng)域，研究的主要目的是理解自然的本質(zhì)。科學家要達到這個目的，要經(jīng)過從觀察自然現(xiàn)象到模擬自然想象并分析模擬結(jié)果的過程。在分析實驗結(jié)果的過程中，可視化是一個十分重要的輔助手段?？梢暬倪^程可進一步細化為以下四個步驟：過濾：對原始數(shù)據(jù)進行預處理，可以轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)形式、濾掉噪聲、抽取感興趣的數(shù)據(jù)等；映射：將過濾得到的數(shù)據(jù)映射為幾何元素，常見的幾何元素有：點、線、面圖元、三維體圖兀和更高維的特征圖標等；繪制：幾何元素繪制，得到結(jié)果圖象；反饋：顯示圖象，并分析得到的可視結(jié)果；可視化的上述四個步驟是一個周而復始的循環(huán)迭代的過程。由于研究人員并不知道原始數(shù)據(jù)集中那些部分對分析更重要，得靠實踐探索，因此整個分析過程是一個反復求精的過程。4科學計算可視化研究的是什么可視化的研究主要分為兩大部分，可視化工具的研究和可視化應用的研究?？茖W計算可視化研究的重點是有關(guān)可視化參考模型的內(nèi)涵，即可視化過程的組成內(nèi)容，其中包括：數(shù)據(jù)預處理：可視化的數(shù)據(jù)來源十分豐富，數(shù)據(jù)格式也是多種多樣的，這一步將各種各樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化工具可以處理的標準格式。映射：映射就是運用各種各樣的可視化方法對數(shù)據(jù)進行處理，提取出數(shù)據(jù)中包含的各種科學規(guī)律、現(xiàn)象等，將這些抽象的、甚至是不可見的規(guī)律和現(xiàn)象用一些可見的物體點、線、面等表示出來的。繪制：將映射的點、線、面等用各種方法繪制到屏幕上，在繪制中有些物體可能是透明的，有些物體可能被其他物體遮擋。顯示：顯示模塊除了完成可視信息的顯示，還要接受用戶的反饋輸入信息，其研究的重點是三維可視化人機交互技術(shù)。5科學計算可視化的應用從可視化技術(shù)的誕生之日起，便受到了各行各業(yè)的歡迎。在過去的十年里，可視化的應用范圍已從最初的科研領(lǐng)域走到了生產(chǎn)領(lǐng)域，到今天它幾乎涉及到了所有能應用計算機的部門。在這里，我們將簡要列舉一些應用可視化技術(shù)的例子。（1） 醫(yī)學在醫(yī)學上由核磁共振、CT掃描等設(shè)備產(chǎn)生的人體器官密度場，對于不同的組織，表現(xiàn)出不同的密度值。通過在多個方向多個剖面來表現(xiàn)病變區(qū)域，或者重建為具有不同細節(jié)程度的三維真實圖像，使醫(yī)生對病灶部位的大小、位置，不僅有定性的認識，而且有定量的認識，尤其是對大腦等復雜區(qū)域，數(shù)據(jù)場可視化所帶來的效果尤其明顯。借助虛擬現(xiàn)實的手段，醫(yī)生可以對病變的部位進行確診，制定出有效的手術(shù)方案，并在手術(shù)之前模擬手術(shù)。在臨床上也可應用在放射診斷、制定放射治療計劃等。（2） 生物、分子學在對蛋白質(zhì)和DNA分子等復雜結(jié)構(gòu)進行研究時，可以利用電鏡、光鏡等輔助設(shè)備對其剖片進行分析、采樣獲得剖片信息，利用這些剖片構(gòu)成的體數(shù)據(jù)可以對其原形態(tài)進行定性和定量分析，因此可視化是研究分子結(jié)構(gòu)必不可少的工具。（3） 航天工業(yè)飛行器高速穿過大氣層時周圍氣流的運動情況和飛行器表面的物理特性的變化，在現(xiàn)有的流場可視化技術(shù)下，可以非常直觀的展現(xiàn)出來。尤其是對飛行器的不穩(wěn)定現(xiàn)象、超音速流的研究，這是計算流體力學里的新課題，借助可視化技術(shù)，許多意想不到的困難都可以迎刃而解了。（4） 工業(yè)無損探傷在工業(yè)無損探傷中，可以用超聲波探測，在不破壞部件的情況下，不僅可以清楚地認識其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且對發(fā)生變異的區(qū)域也可以準確地探出。顯然，能夠及時檢查出有可能發(fā)生斷裂等具有較大破壞性的隱患是有極大現(xiàn)實意義的。（5） 人類學和考古學在考古過程中找到古人類化石的若干碎片，由此重構(gòu)出古人類的骨架結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的方法是按照物理模型，用粘土來拼湊而成。現(xiàn)在，利用基于幾何建模的可視化系統(tǒng)，人們可以從化石碎片的數(shù)字化數(shù)據(jù)完整地恢復三維人體結(jié)構(gòu)，因而向研究人員提供了既可以作基于計算機幾何模型的定量研究，又可以實施物理上可塑的化石重現(xiàn)過程。（6）地質(zhì)勘探利用模擬人工地震的方法，可以獲得地質(zhì)巖層信息。通過數(shù)據(jù)特征的抽取和匹配，可以確定地下的礦藏資源。用可視化方法對模擬地震數(shù)據(jù)的解釋，可以大大地提高地質(zhì)勘探的效率和安全性。總之，科學計算可視化的發(fā)展，將使科學研究工具和環(huán)境進一步現(xiàn)代化，從而使科學研究的面貌發(fā)生根本性的變化，具有極為重要的意義?？茖W計算可視化的常用方法二維標量數(shù)據(jù)場是科學計算可視化處理的最簡單的一類數(shù)據(jù)場，二維標量數(shù)據(jù)場是在某一平面上的一些離散數(shù)據(jù)，可看成定義在某一平面上的一維標量函數(shù)F=F(x,y)。二維標量數(shù)據(jù)場可視化的方法主要有顏色映射法、等值線、立體圖法和層次分割法等，這些方法的原理都比較簡單。三維標量數(shù)據(jù)場與二維標量數(shù)據(jù)場不同，它是對三維空間中的采樣，表示了一個三維空間內(nèi)部的詳細信息，這類數(shù)據(jù)場最典型的醫(yī)學CT采樣數(shù)據(jù)，每個CT的照片實際上是一個二維數(shù)據(jù)場，照片的灰度表示了某一片物體的密度。將這些照片按一定的順序排列起來，就組成了一個三維數(shù)據(jù)場。三維標量數(shù)據(jù)場方法主要有面繪制法，體繪制法。矢量場同標量場一樣，也分為二維、三維等，但矢量場中每個采樣點的數(shù)據(jù)不是溫度、壓力、密度等標量，而是速度等向量。矢量數(shù)據(jù)場方法主要有直線法，流線法。大力推動我國可視化技術(shù)的發(fā)展我國科學計算可視化技術(shù)的研究開始于90年代初。由于數(shù)據(jù)可視化所處理的數(shù)據(jù)量十分龐大生成圖像的算法又比較復雜，過去常常需要使用巨型計算機和高檔圖形工作站等。因此數(shù)據(jù)可視化開始都在國家級研究中心、高水平的大學、大公司的研究開發(fā)中心進行研究和應用。近年來，隨著PC功能的提高、各種圖形顯卡以及可視化軟件的發(fā)展，可視化技術(shù)已擴展到科學研究、工程、軍事、醫(yī)學、經(jīng)濟等各個領(lǐng)域。隨著Internetr興起，信息可視化技術(shù)方興未艾。我國在80年代就開始進行科學計算可視化技術(shù)的研究和應用。至今，我國不論在算法方面，還是在油氣勘探、氣象、計算力學、醫(yī)學等領(lǐng)域的應用方面，都已取得了一大批可喜的成果。但從總體上來說，與國外先進水平還有相當?shù)牟罹啵?/p>