第1章科学计算可视化绪论.ppt

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1、科学计算可视化,任 课 教 师 : 张 二 华 办公室 : 综合实验楼816 联系电话:13072517737 邮箱:,南京理工大学计算机科学与技术学院 2013年9月,第1章 绪 论 科学计算可视化产生的背景,所谓可视化(Visualization)，牛津英语词典解释为“构成头脑情景的能力或过程，或不可直接察觉的某种东西的视觉”，意指将本来不可见的东西变成可见的图象的过程。可视化是一系列的转换，这种转换将原始数据变成可显示的图象，这种转换的目的在于将信息转换成可被人类感知系统所领悟的形式。 科学计算可视化是在20世纪80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域，进人20世纪80年代后，计算机

2、的软硬件技术不断发展，求解问题的规模不断扩大，复杂度不断提高。许多大型科学计算往往产生巨量的数据，这些数据只有经过分析和理解才能成为有用的信息。 尽管人们可以利用超级计算机及时处理海量数据，却无法用计算机来及时分析和理解这些数据。目前计算机在自动理解上还达不到人脑的智能，最终的分析和理解还得由人来完成，这是一件十分费时而又烦琐的工作，所花费的时间往往是计算时间的十几倍甚至几十倍。,可视化技术首先是科学研究本身的需要,科学计算的目的是洞察、发现数据中隐藏的现象和规律，而不仅仅是获取数据本身，由于缺乏对大量数据及时、有效的分析手段，许多宝贵的信息被浪费掉了，这严重阻碍了科学技术的发展。 摆脱这种困

3、境的最好办法就是用直观的图形输出来代替枯燥的数据输出，复杂的数据以图形的形式表现时是最容易理解的，借助人类强大的视觉及形象思维能力，对数据进行本质上的理解，看到用传统的方法不可见的现象或规律，这就是科学计算可视化。,可视化研究的必要性,1986年在ACM SIGGRAPH(Association for Computing Machinery) (Special Interest Group on Graphics )“图形、图像处理和工作站”讨论会上，提交给美国国家科学基金会(NSF，National Science Foundation)的报告中已认识到了这个问题。该报告指出，为帮助科学家

4、进行数据分析处理，以便发现和确认其中所隐含的物理现象，发现数据中的错误，需要研究先进的可视化技术。,可视化技术也是医学研究的需要,促进科学计算可视化发展的另一个重要动力是医学研究的需要。 1895年，伦琴发现了X射线，X射线透视设备使人们有了探测物体内部的手段,在医疗诊断和工业探伤上发挥了重要作用。然而，这种X光照片只是一种透视投影图像，它将三维信息压缩成二维信息。虽然从X光照片中，人们可以在一定程度上发现人体内部的骨骼形态、肿瘤位置、各器官（主要是肺）是否正常，也可以检测工件内部是否有气泡和裂痕，但其主要缺陷是没有三维深度信息，无法从X光照片中获取对象的立体信息。,由X射线透视仪到CT成像,

5、能否从多个不同角度的投影重构物体的三维信息？ 1968年，英国EMI公司的Hounsfield设计出计算机辅助大脑扫描器(Computer-assisted Brain Scanner )，可以产生清晰的图像,于1973年正式推出CT机，在医学和工业检测中获得了很好的应用，为此Hounsfield与其合作者Cormack于1979年分获诺贝尔物理学和医学奖。 尽管CT与X射线透视仪都能产生二维图像，但它们之间有着本质的不同，CT产生的是三维空间中某个断层(切片)上的图像，一组断层图像就构成了物体的三维信息；而X射线透视仪产生的是三维物体沿某个方向的投影图像，三维深度信息在透视成像过程中丢失了。

6、,由CT数据重建人体的三维结构,计算机辅助大脑扫描器奠定了现代断层摄影术(Tomography)的基础，它的出现带动了整个影像技术发生了全面的根本性的改变。 断层摄影术的出现为三维可视化技术的研究和发展奠定了重要的技术基础。 随着CT技术的应用，人们希望从一系列CT数据重建人体的三维结构。 从70年代中期到70年代末，由于技术水平的限制，切片之间的间距很大，早期的研究工作主要集中在轮廓线连接(Contour Connection, Contour Tracking)或称为由平面轮廓线重建形体(Shape from Planer Contours) 。,由平面轮廓线重建三维形体,1975年Kep

7、pel提出用三角片拟合物体表面的方法。 这类方法需要解决断层图像上的轮廓线的抽取、层与层之间轮廓线的对应和物体外表面的拟合等问题。 1979年，Herman和Liu提出了立方体方法(Cuberille)，用物体边界处体素的表面拼接起来去代表物体表面。 总的来说，这个时期，可视化的基本思想已经初步建立，但也有许多问题没有解决好，如图像分割、轮廓线连接中的对应、分叉以及显示图像质量低等问题。部分原因是影像技术还不成熟，更主要的原因是因为图像分割和轮廓对应的本质决定了它们都是不适定的(Ill-posed, Ill-defined)问题。,80年代可视化技术的进展,各种影像技术不断出现，如磁共振成像(

8、MRI: Magnetic Resonance Imaging)、超声(US: Ultrasonography)、正电子辐射断层摄影(PET: positron Emission Tomography)和单光子辐射断层摄影(SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography)等影像技术逐渐成熟，能够得到高分辨率、低躁声的三维图像，极大地促进了可视化技术的发展。 在这个时期，人们提出了大量算法，在明暗计算上，首先提出了以深度代表明暗的方法，随后又提出了深度梯度明暗计算方法，一定程度上提高了图像的明暗层次，但结果图象仍然比较粗糙、走样严重。1986年

9、，Hohne和Bernstein提出了一种灰度梯度明暗计算方法，它能够细腻地表现物体微小的结构。这种方法至今仍被广泛采用，因为它利用原始三维灰度图像的梯度估计表面法向量，因此当原始三维图像的分辨率足够高时能够产生高质量的显示图像。,最重要的进展：体绘制方法,在具体实现方法上，提出了以光线投射算法为代表的多种方法，按合成顺序可分为从前至后投影的方法和从后至前投影方法，也可以分为以物体空间为序的算法和以图象空间为序的算法。 在物体表面重建方面，Lorensen等人提出了一种非常有效的等值面构造方法移动立方体法，它在体素级上用三角片拟合等值面，回避了轮廓线拼接方法中不适定的轮廓线对应问题，可以稳定地

10、重建物体表面。 为了解决移动立方体法存在的二义性问题，提出了分解立方体法。它把体素分成物体内的、物体外的和表面上的体素，如果体素分辨率大于屏幕分辨率，那么把表面上的体素分解为八个子体素，重复上面分解过程直至达到显示分辨率为止。 在整个80年代的可视化研究中，最引人注目的就是体绘制方法。这种方法不需要构造物体表面，而直接对体数据进行显示，也称为直接体绘制。,科学计算可视化的正式提出,1987年，NSF在华盛顿召开了“科学计算可视化”首次专题讨论会，与会者是来自计算机图形学、图像处理以及不同领域的科学计算专家。会议认为“将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，并指出“科学家们不仅要分析由

11、计算机得出的数据，而且还要了解在计算过程中数据变化的情况，这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这一领域定名为“Visualization in Scientific Computing”,简称“Scientific Visualization”。 会后，Mccormick、 Defanti和Brown发表了第一篇科学计算可视化报告Visualization In Scientific Computing，标志着科学计算可视化这一新兴学科的正式诞生。 这次会议之后，美国、西欧、日本各著名大学、研究所、超级计算机中心以及各大公司纷纷进行科学计算可视化理论和方法的研究，可视化目前已逐

12、步走向成熟，并得到了越来越广泛的应用。,科学计算可视化的发展,1991年以来，美国电机电子工程师协会每年召开一次可视化学术会议，并出版论文集。1995年，美国IEEE刊物中又增加了一种新刊物“IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics”。 美国、德国的超级计算机中心、研究所及各大公司着手开发科学计算可视化的软件系统，如美国Stardent计算机公司推出的AVS系统，美国俄亥俄超级计算机中心开发的apE系统。 科学计算可视化作为一门新兴学科，已获得迅速发展，并开始走向应用，取得了显著效益。 科学可视化、多媒体与虚拟现实自20世

13、纪90年代起就成为计算机三维图像图形领域的研究热点。,科学计算可视化的含义,科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中或计算结果的数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。 实际上，随着技术的发展，科学计算可视化的含义已经大大扩展。它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，如有限元分析结果等，也包括测量数据的可视化，如医学CT数据及核磁共振（MRI）数据的可视化，三维地震数据的可视化、气象雷达数据的可视化等。,科学计算可视化的意义,科学计算可视化可以大大加快数据分析和处理的速度，提高工作效率，使人们可以在三维图形世界中用以

14、前不可想象的手段来获取信息，为加深理解、获取深层次信息提供了强有力的手段。,方程 的解的可视化结果,量子力学中某函数的可视化图像,科学计算可视化的意义,科学计算可视化可以使人们观察到传统的科学计算中发生了什么现象，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。 还可以使人们对计算过程实现引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件并观察其影响(交互视觉计算、及时视觉反馈，可驭视算)。 总之，科学计算的可视化将极大地提高科学计算的速度和质量，使科学研究工作的面貌发生根本性的变化。 由于科学计算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，许多抽象的原理和现象变得直观、容易理解，许多杂乱

15、而枯燥的数据变得生动而有规律。因而科学计算可视化的实现也将大大促进教育手段的现代化，有利于教育质量的提高。,科学计算可视化的意义,历史表明，人类的视觉在人类的科学发现中发挥过杰出的作用，关键技术的出现，就是重大科学发现的前奏，望远镜和显微镜在天文学和生物发展中的作用，就是明证，这些工具，放大和扩展了人类视觉的功能。应用可视化技术，可以对大量抽象的数据进行分析，人的创造性不仅取决于人的逻辑思维，而且取决于人的形象思维。海量数据只有通过可视化变成图形和图像，才能激发人的灵感，发挥形象思维的潜能，从杂乱无章的海量数据中，观察其中隐藏的规律，为科学发现、工程开发、医疗诊断和决策提供科学依据。,科学计算

16、可视化的应用领域,医学数据的可视化一直是可视化中最为活跃的研究领域之一。 科学计算可视化技术可以由一系列二维图像重构三维形体，使医学图像从二维走向三维，可以看到人体内部，准确地确定病变的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系，从而及时有效地诊断疾病。,科学计算可视化在医学上的应用,三维图像有利于直观地显示病变，帮助诊断并指导手术。在主动脉病变诊断和冠状动脉搭桥术后的血管显示方面，可望取代有创伤的常规血管造影。在此基础上可以实现矫形手术、放射治疗等的计算机模拟及手术规划。 髋关节发育不正常在儿童中并不少见，在作矫形手术时，需要对髋关节进行切割、移位、固定等操作。利用可视化技术

17、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。 在作脑部肿瘤放射治疗时，需要在颅骨上穿孔，将放射性同位素准确地安放在脑中病灶部位，既要使治疗效果最好，又要保证整个手术过程及同位素射线不伤及正常组织。由于人脑内部结构十分复杂，在不开颅情况下，医生无法观察到手术进行的实际情况，要达到上述要求是十分困难的。利用可视化技术，可以在重构出的人脑内部结构三维图像的基础上，对颅骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等剂量线等进行计算机模拟，设计并选择出

18、最佳方案。不仅如此，还可以在手术过程中对手术进行情况在屏幕上予以监视，使医生们做到“心中有数”，因而可大大提高手术的成功率。,由二维轮廓线重构三维形体,人脑三维数据可视化,人脑三维数据可视化,等值面拼接,三维医学数据可视化,The SOM-PNN classification,The ML classification,The PNN classification,The SOM classification,由树獭三维数据得到的可视化图像,医学CT数据可视化,可视化人体计划,长期以来，人类就有认识自身内部结构的愿望。一直到20世纪70年代计算机断层扫描(CT)和核磁共振(MRI)技术的出现，

19、才使得获取人体内部数据成为现实。 美国国家医学图书馆(NLM)于1989提出了“可视化人体计划(Visible Human Project，VHP)” ，利用成千上万个人体横断面数据重建人体的三维立体图像，为开展各类与人体相关的研究，尤其是医学研究提供形象而真实的模型。 1991年8月，美国NLM与Colorado大学健康科学中心(Health sciences center)签署协议，由Colorado大学医学院建立一个男人和一个女人的全部解剖结构的数据库。首先将人体标本从头到脚做了CT扫描和核磁共振扫描，再经过低温冰冻后，用工业铣床逐层铣切、逐层照相，输入计算机获取人体连续横断面图像，然后

20、进行人体结构的三维重建。,美国的可视化人体计划,Colorado大学医学院于1994年11月完成并向世界公布了世界上第一套人体结构数据集。所选用标本为中年男性，共有1878个横断面图像，相邻断面之间间隔1.0mm。每幅断面图像数字化扫描分辨率约为250万(2048 x1216)像素，总的数据量为13 GB。该套数据制作前，将人体标本截为四段，造成胸部、股部和小腿部有三段数据缺损，且有些器官经过切除，因而数据并不完整。 1995年11月，该研究小组又完成了1例女性标本的断面制作和图像数据采集，所选用标本为59岁的老年女性。该套数据集断面总数为5189幅，断面间距为0.33mm，总数据量达到43G

21、B。该套数据制作前，同样将人体标本截为四段，造成胸部、股部和小腿部有三段数据缺损，因而数据也不完整。,美国的可视化人体计划,美国可视人计划的实施在全世界引起了巨大反响。不少研究机构或大学利用VHP的连续断面数据，开发新的计算机人体模拟系统和实用产品。如华盛顿大学开发的数字解剖学家系统、哈佛大学开发的全脑图谱及外科手术规划系统、斯坦福大学开发的虚拟内窥镜系统、汉堡大学开发的Voxel-Man系统、美国伦斯利尔理工学院开发的核医学虚拟仿真系统等等。目前，韩国、日本、德国、澳大利业纷纷启动了可视人体计划。 韩国Ajou大学医学院和韩国科技信息研究所，实施了韩国可视人五年计划。在2001年3月，获得了

22、第1例韩国65岁的老年脑瘤患者的数据，连续横断面厚度为0.2mm，断面数字摄影为610万(3040 2 008)像素。,我国可视化人体的前期研究,国内多家单位(如香港中文大学、清华大学、中科院自动化所、计算所、软件所、首都医科大学等)已经利用美国的可视化人体数据集进行了前期的算法研究和软件研制。 香港中文大学已经成功地开发出一个仿真支气管内窥镜检查的互动虚拟环境，用户可以控制一个三维的虚拟内窥镜以对病人的支气管树状结构进行浏览和检查，还具有套可以从原始的肺部CT数据中，直接剥离出支气管并且确定在其中飞行浏览时中心路线的自动算法。他们利用SGI工作站的三维贴图功能开发出一个高性能的虚拟环境，这个

23、环境可以用来实现在一个虚拟工作台上对心脏核磁共振数据可视化，还开发出一套可对人体肺部CT数据实时可视和导航的体绘制技术。,我国的可视化人体计划,由于可视人体研究是借助计算机技术进一步认识人体自身，同时在医学、仿生学等多个领域具有广阔应用前景的重大课题，经医学和计算机领域专家提议，国家科技部和中国科学院有关部门批准，于2001年11月在北京召开了 “中国数字化虚拟人体的科技问题”的科学会议。 会议认为，中国必须要有自己的可视化人体，需要人体解剖学、计算机图形图像学和医学专家协作研究，在获得完整的人体薄层连续断面图像数据集的基础上进行综合研究，建成可视化人体和各种面向应用的虚拟人体模型，为与人体结

24、构有关的领域如现代临床医学、体育、航空航天、汽车撞击、核武器防护、战争创伤研究、仿生学、人体器官代用品的研制等提供基础。,我国的可视化人体数据采集,第三军医大学于2002年8月完成了中国首例数字化可视人体数据集的采集，使我国成为第三个拥有本国可视化人体数据集的国家。所选用标本为男性，35岁，身高1700mm，体重65kg，非器质性疾病死亡。连续横断面间隔：头部和颈部为0.5mm，其中颅底部为0.1mm，其他部位为1.0mm全身共计 2518个断面。数字摄影图象分辨率为6291 456(30722048)像素，整个数据集数据量为90.468GB。在获得数据集后，利用与清华大学联合研制的三维重建软

25、件进行了器官结构的图像分割和立体重建，并与香港中文大学签署了联合研究协议，通过合作研究，实现了人体结构可视化。 2003年2月，完成了第1例中国女性数字化可视人体数据集的采集和可视化研究。所选用标本为女性，22岁，身高1620mm，体重54kg，非器质性疾病死亡。连续横断面间隔：头部为0.25mm，具他部位为0.5mm，全身共计3640个断面。数字摄影图象分辨率为6291456(30722048)像素，整个数据集数据量为131.04GB。这是中国首套、国际上继美国之后的第二套未见器质性病变的女性数字化可视人体数据集。 2003年4月完成了第三例数字化可视人体的数据采集，所选用标本为男性，21岁

26、，身高1820mm，体重66Kg，非器质性疾病死亡。 在广州，第一军医大学也获得了“虚拟中国人2号”的数据集。,头部MR扫描图像(层厚1.5mm) 头部断面图像(层厚0.1mm) 首例中国数字化可视人体图像(男性),头部CT扫描图像(层厚1.0mm) 头部MR扫描图像(层厚1.5mm) 首例中国数字化可视人体图像(女性),头部断面图像(层厚0.25mm) 胸部断面图像(层厚0. 5mm) 首例中国数字化可视人体图像(女性),首例中国女性足底断面图像(层厚0. 5mm),首例中国可视化人体(男性),首例中国可视化人体(女性),首套中国数字化可视人体(男、女)数据集虚拟现实系统,利用可视人体数据重

27、建的心脏 利用可视人体数据重建的冠状动脉及其分支,首例中国数字化可视人体脊柱区颈段的三维重建 兰色：颈椎，绿色：椎间盘；红色：椎动脉；灰色：脊髓；黄色：颈神经,数字化肝脏及肝内管道三维重建（从前面观察） 兰色：肝静脉；红色：肝动脉；绿色：胆囊及胆管,数字化肝脏及肝内管道三维重建（从后面观察） 兰色：肝静脉；红色：肝动脉；绿色：胆囊及胆管,脚掌的可视化图象,脚掌的可视化图象,脚掌的可视化图象,气象预报,气象预报与人民的生产和生活密切相关 ，对灾害性天气的预报会大大减少人民生命财产的损失，精确的气象预报依赖于对大量数据计算及结果分析。卫星云图、气象雷达及其它一些气象探测的数据量是非常大的，通常需要

28、在超级计算机上进行处理和分析。 气象学家已开始使用可视化技术来分析和显示庞大的气象数据，一些主要参数，如风力、温度、运动轨迹、涡流强度、散度和云层的密度等都以不同的颜色进行显示。气象学家可以将某一时刻的等压面、等温面、云层位置及运动、暴雨区的位置及强度、风力大小及方向等在屏幕上显示出来，根据气象模型，把已获得的某时刻的气象数据为输入，对天气的发展变化进行模拟，能对未来天气进行分析和预测。 根据全球的气象监测数据和计算结果，将不同时期全球的气温、气压、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来，从而可对全球的气象情况及其变化趋势进行研究和预测。,三维气象数据可视化,美国国家海洋和大气局(NOAA)的

29、预报系统实验室开发了气象数据的三维可视化软件系统Display 3D(D3D)。利用该系统可以将气球、地面站、雷达、飞机和卫星等观测设备获取的大量数据进行显示和处理，并在此基础上及时跟踪和评估当地的重要气象情况，从而及时准确地作出天气预报。 通常情况下，气象工作者将二维的层状数据人为叠加来进行分析，而运用三维可视化，可让气象工作者从大量二维图像计算中解脱出来，让他们的精力集中于预报所需的实际数值。利用WFO-Advanced 和 D3D ，气象工作者可以在4小时内做出未来1218小时的中尺度(20200km)或区域预报。该软件中的动画模块可以生成图像序列、显示出动态图像。 我国军事气象部门也开

30、发了“军用数值天气预报系统”，能高速处理数千个气象台站气象观测数据，自动滚动制作10天以内逐日军用天气预报、军事气象要素预报和三维可视化信息。,美国国家海洋和大气局预报的北克拉罗多的天气数据的三维图像,左上图：水平风矢量在局域坐标系中的显示效果； 右上图：同一数据在球坐标系中的显示效果。 下图：全球温度垂直切片及5.5Km高度的水平风矢量,地震勘探,三维地震已经成为油气勘探的主要方法，从地震波信号中人们可以识别地下岩层的地质结构，从而预测油气田的位置。地下的岩石是成层分布的，层与层之间因岩石的物理性质不同而存在波阻抗差，当地震波传播到这些岩层分界面时会发生波的反射和透射。在地震勘探中，人们在地

31、表用炸药爆炸等方式激发人工地震波，当地震波向地下传播遇到波阻抗界面时，一部分能量产生反射，一部分能量产生透射，其中反射波向上传播被安放在地表的传感器接收，透射波则继续向下传播，当遇到另一个波阻抗界面时，又产生反射和透射，随着地震波的向下传播，人们就能接收到来自地下各个岩层的反射信号。其中在某一个与地面垂直的二维方向上，就组成地震剖面。,地震勘探原理示意图,三维地震数据体,在地震数据的采集过程中，在地表布置一系列垂直交叉的测线，在这些测线上每隔一定距离放置一个传感器，每隔一段时间对接收到的振动信号进行一次采样，这些数据经过数字信号处理后组成一个三维地震数据体，可表示为A = f (x, y, z

32、)，其中A为振幅，x,y,z为空间坐标，这是一个规则的三维标量场，其本质是地下各个反射界面的振幅场。,三维地震数据体,三维数据二维解释的局限性,以前由于没有合适的三维显示技术及设备，人们只好利用一系列二维地震剖面以及水平切片来显示三维数据，依据这些二维图像来推测、想象地下地层的三维形态和结构。对于庞大的三维数据体，即使将每一条剖面和水平切片都显示出来，一个地质体的完整形态也是分散在各个独立的二维图像中，无法直接看到地质体的空间形态。更何况在实际工作中不可能对每条剖面和切片都进行观察，常常只对部分剖面和水平切片进行解释，只利用了一小部分信息，大部分信息没得到利用，这是一种信息的巨大浪费。这种三维

33、数据二维解释的结果是很难了解地质体的三维细节，不可避免地漏失了大量的小油气田。多年以前人们就认识到了这个问题，并指出了三维数据三维解释的出路。,新疆塔里木盆地某地震剖面 ,从图中可以清楚地看出地下岩层的起伏形态,吉林油田的一条地震剖面,一个三维地震数据体的水平切片图，从中可以清楚地看出一个弯曲的古河道。,三维地震数据可视化的切片法,二十世纪九十年代以来，国外就开始了三维地震数据的可视化研究，早期的可视化方法大多采用切片法， 做出各种复杂的切片来洞察地质体的三维特征，这种切片式可视化方法本质上仍是一种三维数据二维解释的方法，没有摆脱二维解释的局限性。,多套数据体的立体解释,三维地震数据可视化的体

34、绘制方法,1999年Gerald D. Kidd将三维地震数据体中每一个数据采样点建立一个体素(最小单位立方体)模型，根据采样点的振幅给予不同的颜色和透明度，应用直接体绘制算法成功地得到了三维地震数据的可视化图像。,直接从地震数据中显示的沉积体系可视化图像,直接从原始地震数据中显示的断层可视化图像,直接从地震数据中显示出来的断裂体系可视化图象,雕刻的断裂体系,大庆油田某地区三维地震数据的可视化图象，直接显示断层的位置及延伸形态,大庆油田某地区三维地震数据的可视化图象 与上图相比观察方向有变化，直接显示断层的位置及延伸形态,大庆油田某地区三维地震数据的可视化图象， 直接显示界面的起伏及断层的形态

35、,多层界面的可视化图像,科学计算可视化在无损探伤中的应用,如何在不拆开、不破坏机械部件的情况下发现内部的损伤和缺陷，或者在不打开部件外壳的情况下就能显示部件的结构在工业上面临的一大需求。 借助工业CT或超声等设备可以获得部件内部的属性数据，利用三维可视化技术可以绘制出部件的内部图象，不仅可以显示部件的内部结构，还能发现部件的裂缝、气泡等损伤和缺陷。,工业探测上的应用,分子建模,使用交互式图形生成技术来观察复杂的化学物质从20世纪60年代就开始了，并已成为学术界和工业界研究分子结构及其相互作用的工具。科学计算可视化技术的发展使分子模型构造技术进一步发生变化。目前人们已能使用一些复杂工具来分析和设

36、计分子结构，如在超级机上构造复杂的蛋白质DNA模型，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。,DNA的三维分子模型,分子模型结构的多等值面图像,在虚拟现实系统下观察分子的立体模型,在虚拟现实系统下观察分子的立体模型,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，并且要使阻力最小。传统的作法是将所设计的飞机模型放在大型风洞里，进行流体动力学的物理模拟，根据实验结果，修改设计。这种作法既浪费资金，又延长了设计周期。 随着技术的进步，可以在计算机上建立飞机等的几何模型，并进行流体动力学的模拟计算，这就是计算流

37、体动力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）。通过求解流体流动的偏微分方程，得到流场中各种参数在每一时刻的数值，但数据量是十分庞大的。,流场数据的可视化,为了理解和分析流体流动的模拟计算结果，需要用可视化技术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，表现出涡流、冲击波、尾流及湍流等。在流场的可视化中，既要提高显示速度，又要逼真地显示流场的细微结构和各种参数的等值面，如何提高绘制速度实现流场的实时动态显示往往是首先需要关注的问题。 美国航空航天局阿姆斯研究中心(AMES)的航空航天数字模拟设备(NAF)，不仅将可视化技术用于CFD计算

38、，同时也用于从风洞试验获得的二维图像重构三维流场，并进行计算结果与试验结果的比较分析。特别是他们利用基于三维交互特性的虚拟现实技术,构筑了“虚拟风洞”，为分析各种非定常流动中的复杂结构，提供直观的研究环境。,美国航空航天局阿姆斯研究中心的虚拟风洞,用流线表示的矢量场可视化,用流线表示的矢量场可视化,用箭头表示的矢量场可视化,宇宙飞船模型在大气层中 飞行时，模型周围的流面,宇宙飞船模型在大气层中 飞行时，模型周围的流线,用LIC方法得到的含有矢量场方向信息的纹理图像,左图：用箭头表示的矢量场可视化图形 右图：用LIC方法得到的含有矢量场方向信息的纹理图像,使用纹理映射得到的矢量场可视化图形,有限

39、元分析数据的可视化,计算机辅助工程(CAE)包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助运行等多项内容。可视化技术有助于工程技术人员看到和了解过程中参数变化对整体的动态影响，从而达到缩短研制周期、节省工程费用的目的。 在工程设计中常采用计算力学的手段，有限元分析(FEA) ，将研究对象剖分为若干子单元，并在此基础上求出偏微分方程的近似解。主要用于结构分析，是计算机辅助设计技术的基础之一，并在飞机设计、水坝建造、机械产品设计、建筑结构应力分析中得到广泛应用。 在有限元分析中，需要应用可视化技术实现形体的网格剖分及有限元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

40、析结果实现网格剖分的优化，使得计算结果更加可靠和精确。计算的速度和准确度受网格划分的影响很大。,用椭圆表示应力和应变张量,在受力物体表面的裂纹传播中,用应变能密度表示的应力和应变张量图,信息可视化,科学计算可视化是指空间数据场的可视化，而信息可视化则是指非空间数据的可视化。 随着社会信息化的推进和网络应用的日益广泛，信息源越来越庞大，除了需求对海量数据进行存储、传输、检索及分类等外，更迫切需求了解数据之间的相互关系及发展趋势。在数据中隐藏着许多重要的信息，人们希望能够对其进行更高层次的分析，以便更好地利用这些数据。目前的数据库系统可以高效地实现数据的查询、统计等功能，但无法发现数据中存在的关系

41、和规则，无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。 人工智能的一个研究热点是机器学习，用数据库来存储数据，用机器学习的方法来分析和挖掘数据背后的知识，这两者的结合产生了“数据库中的知识发现（KDD：Knowledge Discovery in Databases）” 。实际上，KDD是一门交叉性学科，涉及到机器学习、模式识别、统计学、智能数据库、知识获取、数据可视化、高性能计算、专家系统等多个领域。KDD可以用在信息管理、过程控制、查询优化、科学研究、决策支持和数据自身维护等许多方面。,数据挖掘,KDD的核心技术是数据挖掘(Data Mining)。它是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的

42、数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。原始数据可以是结构化的，如关系数据库中的数据，也可以是半结构化的，如文本、图形、图像数据，甚至是分布在网络上的不同构型数据。数据挖掘的方法可以是数学的，也可以是非数学的；可以是演绎的，也可以是归纳的。通过数据挖掘可以发现多种类型的知识，包括反映同类事物共同性质的广义型知识；反映事物各方面特征的特征型知识；反映不同事物之间属性差别的差异型知识；反映一事物和其它事物之间依赖或关联的关联型知识；根据当前历史和当前数据推测未来数据的预测型知识；揭示事物偏离常规出现异常现象的偏离型知识。 为了发现这些不同类型的知识，要采用多种

43、发现知识的工具。为了使发现知识的过程和结果易于理解和在发现知识过程中进行人机交互，需要可视化方法。,信息可视化的应用,信息可视化在商务、金融和通信等领域，有着十分广阔的应用前景。 如在金融信息方面，可以将每个区域、每个时间段的股票收益特性进行可视化挖掘(Visual Mine)，显示各个分行的货币流通总量、总收入和消费总量。意大利中央银行就使用了意大利人工智能软件公司开发的软件，可以从异常现象中发现通过银行系统的非法活动。 此外，科学计算可视化技术还可应用于空间探测、天体物理、数学等领域。,我国可视化技术的发展,由于可视化要处理的数据量较大，算法复杂，计算量也较大，过去常常需要使用巨型计算机或

44、高档图形工作站等，因此可视化开始都在国家级研究中心、高水平的大学、大公司的研究开发中心进行研究和应用。近年来，随着PC功能的提高、各种图形卡以及可视化软件的发展, 可视化技术已扩展到科学研究、工程、军事、医学、经济等各个领域。 我国在80年代就开始进行可视化技术的研究和应用，开展科学计算可视化研究较早的单位主要有清华大学、浙江大学、国防科技大学、中科院计算所、中科院软件所、中科院自动化所等。目前已有一批成果投入实际应用。 目前的趋势：提高可视化计算的精度和速度，新算法不断涌现。大规模三维数据的实时可视化，包括并行可视化，基于硬件加速的可视化，此外，还有混合绘制、虚拟现实环境下的可视化等。,科学

45、计算可视化有关参考书,1.唐泽圣.三维数据场可视化，清华大学出版社.1999年12月 2.石教英、蔡文立.科学计算可视化算法与系统.科学出版社，1996年9月 3.蒋先刚. 三维数据场重构与显示工程软件设计.中国水利水电出版社. 2009年10月 4.田捷,薛健,戴亚康. 医学影像算法设计与平台构建. 清华大学出版社.2007年11月 5.吕维雪,段会龙. 三维医学图像可视化及其应用.浙江大学出版社2001年7月 6. 管伟光.体视化技术及其应用.电子工业出版社.1998年4月 7. 李晓梅.科学计算可视化导论.国防科技大学出版社.1996年6月 8. 李晓梅，黄朝晖，蔡勋等.并行与分布式可视化技术及应用.国防工业出版社.2001年4月 9.体可视化技术，机械工业出版社,