[科普中国]-科学计算可视化

科学计算可视化也称为可视化，其定义为：“可视化是一种计算方法，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。”1

简介科学可视化是将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图象显示在屏幕上的方法与技术。它综合运用计算机图形学、数字图象处理、计算机视觉、计算机辅助设计及人机交互技术等几个领域中的相关技术。2既可以从复杂的多维数据中产生图形，又可以理解送入计算机中的图象数据。近年来，这一技术的范围又有了扩展，它还包括工程计算数据的可视化及测量数据的可视化。

科学计算可视化的实现可以大大加快数据的处理过程，使每日每时都在产生的庞大数据得到有效的利用；可以在人与数据、人与人之间实现图象通信，而不是文字通信或数字通信；可以使科学家们了解到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。总之，可 使科学计算的 工具和环境进一步现代化。

具体介绍发展历史计算机用于科学计算已有40多年的历史。在20 世纪50年代和60年代，由于计算机的硬件、软件技术水平的限制，科学计算只能以批处理方式进行，大量输出数据的解释与理解所花费的时间往往是计算时间的十几倍甚至几十倍，这一阶段谈不上科学计算的可视化。70年代以后，虽然可以将科学计算的结果以二维图象表示，用绘图仪绘制出来，但仍然不能得到计算结果的直观、形象的整体概念，而且不能进行交互处理，只能被动地等待计算结果的输出。

近年来，随着科学技术的迅猛发展待处理的数据量越来越大，来自巨型计算机，地球卫星、宇宙飞船、计算机断层摄影(CT)扫描仪及地震勘测的数据与日俱增，原有的数据处理及显示手段远远不能满足要求。在这样的形势下，1987 年2月美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议，与会者有从事计算机图形学、图象处理及各种不同领域科学计算的专家，会议一致认为: 将图形和图象技术应用于科学计算，这是一个全新的技术领域， 会议将这一技术定名为科学计算可视化。

国内仅有少数单位在进行科学计算结果数据可视化技术的研究，少数拥有较强计算能力的计算中心正开始应用这一技术实现有关领域的可视化，如气象、计算流体力学、天文、生物化学等。在美国等发达国家的超级计算中心、国家实验室、著名大学里，则已在超级计算机、光纤网、高档工作站的环境中实现了计算流体力学、有限元分析、医学图象、天体物理等领域计算结果的实时跟踪处理及显示，并正在研究科学计算过程的交互控制技术。已有商品化的科学计算可视化软件提供给用户使用，如 AVS 等。3

研究内容科学计算可视化按其实现的功能 ，可以分为三个层次: ① 结果数据的后处理即对计算数据或测量数据进行脱机处理，然后用图象显示出来，这一层次的功能对计算能力的需求相对较低。②中间数据或结果数据的实时跟踪处理及显示。③中间数据或结果数据的实时跟踪处理、显示及交互控制这一层次的功能不仅能对数据进行实时跟踪显示，而且还可以交互式地修改原始数据、边界条件或其它参数，以使计算结果更为满意。为了实现这三个层次的功能，科学计算可视化的主要研究内容有:① 标量、矢量、张量场的显示；② 数值模拟和计算过程的交互控制和引导；③ 面向图形的程序设计环境；④ 高带宽网络及其协议；⑤ 用于图形和图象处理的向量和并行算法及特殊硬件结构。

应用领域科学计算可视化的应用领域十分广泛，几乎可以应用于自然科学及工程技术所包括的一切领域。

（1）医学

尽管计算机断层扫描及核磁共振图像已广泛应用于对疾病的诊断，但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像。医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，这给治疗带来了困难。科学计算可视化技术可以由一系列二维图像重构出三维形体，并在计算机上显示出来。在此基础上就可以实现矫形手术、放射治疗等的计算机模拟及手术规划。例如，髋关节发育不正常在儿童中并不少见，当作矫形手术时，需要对髋关节进行切割、移位、固定等操作。利用可视化技术可以首先在计算机上构造出髋关节的三维图像，然后对切割部位、切割形状、移位多少及固定方式等的多种方案在计算机上进行模拟，并从各个不同角度观察其效果，最后由医生选择出最佳实施方案，从而大大提高矫形手术的质量。

（2）地质勘探

寻找石油矿藏是包括我国在内的许多国家的一项长期的战略性任务。其主要方式是通过地质勘探了解大范围内的地质结构，发现可能的含油构造，并通过测井数据了解局部区域的地层结构，探明油藏位置及其分布，估计蕴藏量及勘探价值。由于地质数据及测井数据的数据量极其庞大，而且分布不均匀，因而无法根据纸面上的数据作出分析。利用可视化技术可以从大量的地质勘探数据或测井数据中构造出感兴趣的等值面、等值线，显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，从而使专业人员能对原始数据作出正确解释，得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。这不仅可以指导打井作业、减少无效井位、节约资金。而且必将大大提高寻找油藏的效率，具有重大的经济效益及社会效益。

（3）气象预报

气象预报的准确性依赖于对大量数据的计算和对计算结果的分析。一方面，科学计算可视化可将大量的数据转换为图像，在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、位涡、云层的位置及运动、暴雨区的位嚣及其强度、风力的大小及方向等，使预报人员能对未来的天气作出准确的分析和预测。另一方面，根据全球的气象监测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来，从而对全球的气象情况及其变化趋势进行研究和预测。

（4）分子模型构造

使用交互式图形生成技术来观察复杂的化学物质始于60年代。但是随着科技发展它已经是学术界和工业界研究分子结构及其相互问作用的工具。科学计算可视化技术的发展将使分子模型构造技术进一步发生变化。过去被认为是复杂而昂贵的方法，但是随着科技发展已经是一种分析和设计分子结构的有效工具。例如，与超级计算机相结合构造诸如蛋自质和DNA等高度复杂的分子结构，在遗传工程的药物设计中使用三维彩色立体显示来改进已有药物的分子结构或设计新的药物等。

（5）计算流体力学

飞机、汽车、船舶等的外形设计都必须考虑在气体、液体高速运动的环境中能否正常工作。过去的做法是：将所设计的飞机模型放在大型风洞里做流体动力学的物理模拟实验，然后根据实验结果修改设计。这种做法既浪费资金，又延长了设计周期。实现了在计算机上建立飞机的几何模型，并进行流体动力学的模拟计算．这就是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)。为了理解和分析流体流动的模拟计算结果，必须利用可视化技术在屏幕上将结果数据动态地显示出来。例如，用多种不同方法表示出每一点的流速和流向，表示出涡流、冲击波、剪切层、尾流及湍流等。

（6）有限元分析

有限元分析是5O年代提出的适用于计算机处理的一种数值计算方法，它主要用于结构分析，是计算机辅助设计技术的基础之一。有限元分析在飞机设计、水坝建造、机械产品设计、建筑结构应力分析中得到了广泛应用。从数学的观点来看，有限元分析将研究对象剖分为若干个子单元，并在此基础上求出偏微分方程的近似解。应用可视化技术可实现形体的网格剖分及有限元分析结果数据的图形显示。即所谓有限元分析的前后处理，并根据分析结果，实现网格剖分的优化．使计算结果更加可靠和精确。

科学计算可视化与数据可视化的区别被可视化的对象空间数据不同根据被可视化的对象是物理空间数据还是非物理空间数据来区分。一般来说，如果是物理空问场或工程建筑的空间结构数据，无论是可以看见的还是看不见的。其数据在物理空间上都有一个对应位置，如多块磁铁相互靠近时产生的复杂磁场。而数据可视化的数据一般来源于经济、商业、金融等领域，这些数据有具体大小，但它们不对应一个物理空间意义，即不存在一个物理空间场，在某种意义下的数值刚好是该数值。但为了发现其中的规律，数据可视化的方法就是将它们对应到2维或3维空问中，通过在空间场中对大量数据的展示，帮助人们管理、利用、认知这些数据及其规律。常见的股票走势k线圈就是典型的数据可视化例子。实际上，可以认为科学计算可视化的数据只是数据可视化处理数据的一部分而已，即数据可视化不仅包括科学计算数据的可视化，还包括工程数据和测量数据的可视化。4

应用范围的不同科学计算可视化的应用范围非常广泛，已从最初的科研领域走到了生产领域，它几乎涉及到了所有能应用计算机的部门。在这里，将简要列举一些应用的例子。在医学上由核磁共振、扫描等设备产生的人涔器官密度场，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。地质勘探利用模拟人工地震的方法，可以获得地质岩层信息。通过数据特征的抽取和匹配，可以确定地下的矿藏资源。用可视化方法对模拟地震数据的解释，可以大大地提高地质勘探的效率和安全性。

数据可视化的应用也十分广泛，几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信和商业等各种领域。下面举例说明数据可视化成功应用的领域。油气勘探利用数据可视化技术可以从大量的地质勘探数据或测井数据中，构造出感兴趣的等值面、等值线，并显示其范围及走向，用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，从而使专业人员能对原始数据作出正确解释，得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。这不仅可以指导打井作业，减少无效井位，节约资金，而且必将大大提高寻找油藏的效率，从而具有重大的经济效益及社会效益。4

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学