科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)計(jì)算可視化1什么是科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化(簡(jiǎn)稱(chēng)可視化，英文是VisualizationinScientificComputing,簡(jiǎn)稱(chēng)ViSC)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要研究方向，是圖形科學(xué)的新領(lǐng)域。“Visualization"一詞，來(lái)自英文的“Visual”，原意是視覺(jué)的、形象的，中文譯成“圖示化”可能更為貼切。事實(shí)上，將任何抽象的事務(wù)、過(guò)程變成圖形圖像的表示都可以稱(chēng)為可視化。與計(jì)算機(jī)有關(guān)的如可視化界面(Windows)，可視化編程(VisualC++)等。但作為學(xué)科術(shù)語(yǔ)，“可視化”一詞正式出現(xiàn)于1987年2月美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NationalScienceFoundation，簡(jiǎn)稱(chēng)NSF)召開(kāi)的一個(gè)專(zhuān)題研討會(huì)上。研討會(huì)后發(fā)表的正式報(bào)告給出了科學(xué)計(jì)算可視化的定義、覆蓋的領(lǐng)域以及近期和長(zhǎng)期研究的方向。這標(biāo)志著“科學(xué)計(jì)算可視化”作為一個(gè)學(xué)科在國(guó)際范圍內(nèi)已經(jīng)成熟?？茖W(xué)計(jì)算可視化的基本含義是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或者一般圖形學(xué)的原理和方法，將科學(xué)與工程計(jì)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(lái)。它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及圖形用戶界面等多個(gè)研究領(lǐng)域，已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的重要方向。2科學(xué)計(jì)算可視化的意義早期，由于計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)水平的限制，科學(xué)計(jì)算只能以批處理方式進(jìn)行，而不能進(jìn)行交互處理，對(duì)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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，來(lái)自超級(jí)計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星遙感、CT、天氣預(yù)報(bào)以及地震勘測(cè)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，但由于沒(méi)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(lái)。因此，科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)研究中的必不可少的手段。實(shí)現(xiàn)科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的意義重大，具體來(lái)講有以下幾點(diǎn)：大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使目前每日每時(shí)都在產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)得到有效的利用。實(shí)現(xiàn)人與人和人與機(jī)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(xué)家不僅被動(dòng)地得到計(jì)算結(jié)果，而且知道在計(jì)算過(guò)程中發(fā)生了什么現(xiàn)象，并可改變參數(shù)，觀察其影響，對(duì)計(jì)算過(guò)程實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)和控制。可提供在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助協(xié)同設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)?？傊?，科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的發(fā)展將使科學(xué)研究工具和環(huán)境進(jìn)一步現(xiàn)代化，從而使科學(xué)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(xué)計(jì)算可視化的過(guò)程在科學(xué)研究領(lǐng)域，研究的主要目的是理解自然的本質(zhì)?？茖W(xué)家要達(dá)到這個(gè)目的，要經(jīng)過(guò)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(guò)程。在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過(guò)程中，可視化是一個(gè)十分重要的輔助手段?？梢暬倪^(guò)程可進(jìn)一步細(xì)化為以下四個(gè)步驟：過(guò)濾：對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(guò)濾得到的數(shù)據(jù)映射為幾何元素，常見(jiàn)的幾何元素有：點(diǎn)、線、面圖元、三維體圖兀和更高維的特征圖標(biāo)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(gè)步驟是一個(gè)周而復(fù)始的循環(huán)迭代的過(guò)程。由于研究人員并不知道原始數(shù)據(jù)集中那些部分對(duì)分析更重要，得靠實(shí)踐探索，因此整個(gè)分析過(guò)程是一個(gè)反復(fù)求精的過(guò)程。4科學(xué)計(jì)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(yīng)用的研究?？茖W(xué)計(jì)算可視化研究的重點(diǎn)是有關(guān)可視化參考模型的內(nèi)涵，即可視化過(guò)程的組成內(nèi)容，其中包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理：可視化的數(shù)據(jù)來(lái)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(biāo)準(zhǔn)格式。映射：映射就是運(yùn)用各種各樣的可視化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出數(shù)據(jù)中包含的各種科學(xué)規(guī)律、現(xiàn)象等，將這些抽象的、甚至是不可見(jiàn)的規(guī)律和現(xiàn)象用一些可見(jiàn)的物體點(diǎn)、線、面等表示出來(lái)的。繪制：將映射的點(diǎn)、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(diǎn)是三維可視化人機(jī)交互技術(shù)。5科學(xué)計(jì)算可視化的應(yīng)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(guò)去的十年里，可視化的應(yīng)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(yīng)用計(jì)算機(jī)的部門(mén)。在這里，我們將簡(jiǎn)要列舉一些應(yīng)用可視化技術(shù)的例子。（1） 醫(yī)學(xué)在醫(yī)學(xué)上由核磁共振、CT掃描等設(shè)備產(chǎn)生的人體器官密度場(chǎng)，對(duì)于不同的組織，表現(xiàn)出不同的密度值。通過(guò)在多個(gè)方向多個(gè)剖面來(lái)表現(xiàn)病變區(qū)域，或者重建為具有不同細(xì)節(jié)程度的三維真實(shí)圖像，使醫(yī)生對(duì)病灶部位的大小、位置，不僅有定性的認(rèn)識(shí)，而且有定量的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)大腦等復(fù)雜區(qū)域，數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化所帶來(lái)的效果尤其明顯。借助虛擬現(xiàn)實(shí)的手段，醫(yī)生可以對(duì)病變的部位進(jìn)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(yīng)用在放射診斷、制定放射治療計(jì)劃等。（2） 生物、分子學(xué)在對(duì)蛋白質(zhì)和DNA分子等復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，可以利用電鏡、光鏡等輔助設(shè)備對(duì)其剖片進(jìn)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(duì)其原形態(tài)進(jìn)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(guò)大氣層時(shí)周?chē)鷼饬鞯倪\(yùn)動(dòng)情況和飛行器表面的物理特性的變化，在現(xiàn)有的流場(chǎng)可視化技術(shù)下，可以非常直觀的展現(xiàn)出來(lái)。尤其是對(duì)飛行器的不穩(wěn)定現(xiàn)象、超音速流的研究，這是計(jì)算流體力學(xué)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(wú)損探傷在工業(yè)無(wú)損探傷中，可以用超聲波探測(cè)，在不破壞部件的情況下，不僅可以清楚地認(rèn)識(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且對(duì)發(fā)生變異的區(qū)域也可以準(zhǔn)確地探出。顯然，能夠及時(shí)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(shí)意義的。（5） 人類(lèi)學(xué)和考古學(xué)在考古過(guò)程中找到古人類(lèi)化石的若干碎片，由此重構(gòu)出古人類(lèi)的骨架結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的方法是按照物理模型，用粘土來(lái)拼湊而成?，F(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(fù)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(jì)算機(jī)幾何模型的定量研究，又可以實(shí)施物理上可塑的化石重現(xiàn)過(guò)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(guò)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(duì)模擬地震數(shù)據(jù)的解釋?zhuān)梢源蟠蟮靥岣叩刭|(zhì)勘探的效率和安全性?？傊?，科學(xué)計(jì)算可視化的發(fā)展，將使科學(xué)研究工具和環(huán)境進(jìn)一步現(xiàn)代化，從而使科學(xué)研究的面貌發(fā)生根本性的變化，具有極為重要的意義。科學(xué)計(jì)算可視化的常用方法二維標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)是科學(xué)計(jì)算可視化處理的最簡(jiǎn)單的一類(lèi)數(shù)據(jù)場(chǎng)，二維標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)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(biāo)量函數(shù)F=F(x,y)。二維標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)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(jiǎn)單。三維標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)與二維標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)不同，它是對(duì)三維空間中的采樣，表示了一個(gè)三維空間內(nèi)部的詳細(xì)信息，這類(lèi)數(shù)據(jù)場(chǎng)最典型的醫(yī)學(xué)CT采樣數(shù)據(jù)，每個(gè)CT的照片實(shí)際上是一個(gè)二維數(shù)據(jù)場(chǎng)，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(lái)，就組成了一個(gè)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)。三維標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)方法主要有面繪制法，體繪制法。矢量場(chǎng)同標(biāo)量場(chǎng)一樣，也分為二維、三維等，但矢量場(chǎng)中每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)不是溫度、壓力、密度等標(biāo)量，而是速度等向量。矢量數(shù)據(jù)場(chǎng)方法主要有直線法，流線法。大力推動(dòng)我國(guó)可視化技術(shù)的發(fā)展我國(guó)科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的研究開(kāi)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(fù)雜，過(guò)去常常需要使用巨型計(jì)算機(jī)和高檔圖形工作站等。因此數(shù)據(jù)可視化開(kāi)始都在國(guó)家級(jí)研究中心、高水平的大學(xué)、大公司的研究開(kāi)發(fā)中心進(jìn)行研究和應(yīng)用。近年來(lái)，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(kuò)展到科學(xué)研究、工程、軍事、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著Internetr興起，信息可視化技術(shù)方興未艾。我國(guó)在80年代就開(kāi)始進(jìn)行科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的研究和應(yīng)用。至今，我國(guó)不論在算法方面，還是在油氣勘探、氣象、計(jì)算力學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用方面，都已取得了一大批可喜的成果。但從總體上來(lái)說(shuō)，與國(guó)外先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹啵?/p>