科學(xué)計算可視化及其應(yīng)用

王俊懿

（大連市育明高級中學(xué)，遼寧 大連 116000）

科學(xué)計算可視化及其應(yīng)用

王俊懿

（大連市育明高級中學(xué)，遼寧 大連 116000）

所謂的“科學(xué)計算可視化”，其目的就是更好地了解自然科學(xué)的本質(zhì)。為了達到這個目的，科學(xué)家們對科學(xué)數(shù)據(jù)和信息進行處理，把計算過程中的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為直觀圖像形式，通過物理現(xiàn)象或物理量來展示在研究人員面前，從而實現(xiàn)更好的模擬和計算處理工作。主要對科學(xué)計算可視化及其應(yīng)用進行了相關(guān)研究。

科學(xué)計算；可視化；地質(zhì)勘探；氣象預(yù)報

1 “科學(xué)計算可視化”的含義

科學(xué)計算可視化能夠使用計算機圖形學(xué)和圖像處理的技術(shù)，把科學(xué)計算中的數(shù)據(jù)信息通過圖形或圖像直觀、形象地展示出來，它是一種交互處理的方法和技術(shù)。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，科學(xué)計算可視化的含義變得越來越廣泛，科學(xué)計算的可視化還包括工程計算數(shù)據(jù)的可視化，其中，有限元分析是一種非常有效的方法，在科學(xué)計算的可視化處理過程中，測量數(shù)據(jù)的可視化也是其中一項重要內(nèi)容?？茖W(xué)計算可視化能夠?qū)D形生成技術(shù)、圖像處理技術(shù)和人機交互技術(shù)等技術(shù)有機結(jié)合起來，把多維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形。另外，還可以把分析和理解寫入計算機，從而實現(xiàn)圖形或圖像在電腦顯示屏上的直觀展示。

2 科學(xué)計算可視化的重要意義

科學(xué)計算可視化的意義是非常重大的，一方面，科學(xué)計算的可視化能夠使數(shù)據(jù)的處理速度加快，將大量的數(shù)據(jù)充分利用起來。在人與數(shù)據(jù)之間和人與人之間，圖像的通信能夠輕易實現(xiàn)。那么，我們就可以對傳統(tǒng)科學(xué)計算中的現(xiàn)象進行觀察，從而使科學(xué)計算過程變得更加簡單。另一方面，在計算的過程中，要注意做好引導(dǎo)和控制，在交互手段使用的過程中，可以通過這一手段來對計算條件進行改變，從而對其影響進行觀察。此外，科學(xué)計算可視化的實施，能夠使科學(xué)計算的速度加快、質(zhì)量提升，使科學(xué)計算工具更加先進，最終使科學(xué)研究工作發(fā)生徹底改變。

3 科學(xué)計算可視化的應(yīng)用領(lǐng)域

通過大量閱讀科學(xué)計算可視化的參考文獻可發(fā)現(xiàn)，科學(xué)計算可視化的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其在醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、氣象預(yù)報等科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常多。

3.1 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

在疾病診斷的過程中，核磁共振圖像和計算機掃描技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。然而，對于很多醫(yī)療設(shè)備而言，由于這些設(shè)備的限制，只能提供人體的二維圖像。對于醫(yī)生而言，如果僅僅借助二維圖像去判斷病人病患處的具體情況，這往往是非常困難的，會給治療帶來很多麻煩。在科學(xué)計算可視化的處理過程中，可以通過二維圖像得到三維形體，然后通過計算機輔助得到立體圖像。基于此，醫(yī)生就可以對病人的病變部位進行手術(shù)治療，在計算機模擬的輔助下，這種手術(shù)治療變得更加簡單。例如，在兒童中，關(guān)節(jié)發(fā)育不良是一種發(fā)病率比較高的疾病，在進行矯正手術(shù)的時候，往往容易出現(xiàn)一些錯誤。如果借助可視化技術(shù)，通過計算機構(gòu)造得到髖關(guān)節(jié)的三維圖像，就能夠?qū)η懈畈课缓托螤钸M行計算機模擬。在手術(shù)之前，可以通過多種方案的計算機模擬后，再實施最佳的手術(shù)方案。

3.2 在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

在我國，石油礦藏的尋找是一項長期戰(zhàn)略性任務(wù)。石油礦藏的尋找離不開地質(zhì)勘探技術(shù)。在尋找石油礦藏的過程中，借助地質(zhì)勘探，我們能夠更好地了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)，及時發(fā)現(xiàn)含油構(gòu)造，分析測井?dāng)?shù)據(jù)，了解地層結(jié)構(gòu)，明確油藏情況，從而對蘊藏量和勘探價值進行衡量。在地質(zhì)勘探過程中，可收集到大量的地質(zhì)數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的分布是不均勻的，因此我們很難通過紙和筆去分析。通過借助可視化技術(shù)，我們構(gòu)造出等值面和等值線，通過顯示它們的范圍和動向，使用不同的顏色來對參數(shù)和關(guān)系進行表示，從而幫助專業(yè)人士處理原始數(shù)據(jù)。通過這種技術(shù)的應(yīng)用，作業(yè)量會大大降低，并且也會節(jié)約資金，提高尋找油藏的效率，這對于我國石油經(jīng)濟效益的提升是大有裨益的。

3.3 在氣象預(yù)報中的應(yīng)用

在天氣預(yù)報中，氣象預(yù)報的準(zhǔn)確與否，與數(shù)據(jù)的計算和處理有極大的關(guān)系。通過科學(xué)計算的可視化，天氣預(yù)報工作人員能夠把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形圖像，通過在電腦屏幕上展示這些圖像，可以使等壓面、等溫面、位渦等展示出來，同時，暴雨區(qū)和風(fēng)力的大小、方向也可以得到展示。如此一來，預(yù)報人員能夠更加準(zhǔn)確地進行天氣預(yù)報。另外，在對氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果進行處理之后，全球的氣溫、氣壓和雨量分布都能夠通過圖像展示在天氣預(yù)報人員面前，方便預(yù)報人員對氣象情況進行預(yù)測。

3.4 在分子模型構(gòu)造中的應(yīng)用

通過交互式圖形生成技術(shù)對復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)進行觀察，這一項計算起源于20世紀(jì)60年代。當(dāng)前，該技術(shù)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界應(yīng)用非常廣泛。在科學(xué)計算可視化技術(shù)的輔助下，分子模型的構(gòu)造會得到改變。以往，廣大研究人員認(rèn)為該方法比較復(fù)雜，現(xiàn)在該方法已經(jīng)是分析和設(shè)計分子結(jié)構(gòu)非常重要的方法之一。比如，科學(xué)計算可視化技術(shù)在與計算機結(jié)合之后，可進行高度復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。

3.5 在計算流體力學(xué)中的應(yīng)用

在對飛機等物體進行外形設(shè)計時，必須要充分考慮氣體和液體高速運動環(huán)境的影響。以往，在對飛機外形進行設(shè)計的時候，一般是通過把飛機模型放置于風(fēng)洞中進行流體動力學(xué)模擬實驗，在實驗之后，再對設(shè)計進行更改。事實上，這種方法不僅浪費了大量資金，還使設(shè)計時間大大增加?，F(xiàn)在，可以通過在計算機上對飛機模型進行設(shè)計，通過流體動力學(xué)的模擬計算，得到計算結(jié)果。通過電腦屏幕將數(shù)據(jù)動態(tài)地展示在飛機設(shè)計人員面前。

3.6 在有限元分析中的應(yīng)用

有限元分析是20世紀(jì)50年代提出來的一種數(shù)值計算方法。有限元分析在結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用非常廣泛。這種方法是計算機輔助設(shè)計中的有力工具之一，在飛機設(shè)計和機械產(chǎn)品設(shè)計，乃至建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，都得到了廣泛應(yīng)用。從數(shù)學(xué)的角度來看，有限元分析能夠把研究對象分解成多個子單元。基于此，通過偏微分方程的求解得到結(jié)果。

4 結(jié)論

科學(xué)計算可視化技術(shù)是一種新興的技術(shù)，其得到了飛速發(fā)展。這種技術(shù)與虛擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)等都有緊密的聯(lián)系。怎樣對大量數(shù)據(jù)進行處理，這是人們需要面對的困難和挑戰(zhàn)。

［1］李曉梅，黃朝暉.科學(xué)計算可視化導(dǎo)論［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，1996．

［2］龍漢.淺論三維可視化技術(shù)應(yīng)用［J］.國防科技，2004（06）．

［3］劉勘，周曉崢，周洞汝.數(shù)據(jù)可視化的研究和發(fā)展［J］.計算機工程，2002（8）.

［4］楊峰.信息可視化系統(tǒng)框架與關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2006.

〔編輯：劉曉芳〕

TP301.4

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.146

2095－6835（2017）23－0146－02