科學計算可視化及其應用

王俊懿

（大連市育明高級中學，遼寧 大連 116000）

科學計算可視化及其應用

王俊懿

（大連市育明高級中學，遼寧 大連 116000）

所謂的“科學計算可視化”，其目的就是更好地了解自然科學的本質。為了達到這個目的，科學家們對科學數據和信息進行處理，把計算過程中的數字信息轉化為直觀圖像形式，通過物理現象或物理量來展示在研究人員面前，從而實現更好的模擬和計算處理工作。主要對科學計算可視化及其應用進行了相關研究。

科學計算；可視化；地質勘探；氣象預報

1 “科學計算可視化”的含義

科學計算可視化能夠使用計算機圖形學和圖像處理的技術，把科學計算中的數據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。在科學技術飛速發展的今天，科學計算可視化的含義變得越來越廣泛，科學計算的可視化還包括工程計算數據的可視化，其中，有限元分析是一種非常有效的方法，在科學計算的可視化處理過程中，測量數據的可視化也是其中一項重要內容。科學計算可視化能夠將圖形生成技術、圖像處理技術和人機交互技術等技術有機結合起來，把多維數據轉化為圖形。另外，還可以把分析和理解寫入計算機，從而實現圖形或圖像在電腦顯示屏上的直觀展示。

2 科學計算可視化的重要意義

科學計算可視化的意義是非常重大的，一方面，科學計算的可視化能夠使數據的處理速度加快，將大量的數據充分利用起來。在人與數據之間和人與人之間，圖像的通信能夠輕易實現。那么，我們就可以對傳統科學計算中的現象進行觀察，從而使科學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，科學計算可視化的實施，能夠使科學計算的速度加快、質量提升，使科學計算工具更加先進，最終使科學研究工作發生徹底改變。

3 科學計算可視化的應用領域

通過大量閱讀科學計算可視化的參考文獻可發現，科學計算可視化的應用領域非常廣泛，其在醫學、地質勘探、氣象預報等科學領域的應用非常多。

3.1 在醫學中的應用

在疾病診斷的過程中，核磁共振圖像和計算機掃描技術應用非常廣泛。然而，對于很多醫療設備而言，由于這些設備的限制，只能提供人體的二維圖像。對于醫生而言，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?；诖?，醫生就可以對病人的病變部位進行手術治療，在計算機模擬的輔助下，這種手術治療變得更加簡單。例如，在兒童中，關節發育不良是一種發病率比較高的疾病，在進行矯正手術的時候，往往容易出現一些錯誤。如果借助可視化技術，通過計算機構造得到髖關節的三維圖像，就能夠對切割部位和形狀進行計算機模擬。在手術之前，可以通過多種方案的計算機模擬后，再實施最佳的手術方案。

3.2 在地質勘探中的應用

在我國，石油礦藏的尋找是一項長期戰略性任務。石油礦藏的尋找離不開地質勘探技術。在尋找石油礦藏的過程中，借助地質勘探，我們能夠更好地了解地質結構，及時發現含油構造，分析測井數據，了解地層結構，明確油藏情況，從而對蘊藏量和勘探價值進行衡量。在地質勘探過程中，可收集到大量的地質數據和測井數據，這些數據的分布是不均勻的，因此我們很難通過紙和筆去分析。通過借助可視化技術，我們構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和關系進行表示，從而幫助專業人士處理原始數據。通過這種技術的應用，作業量會大大降低，并且也會節約資金，提高尋找油藏的效率，這對于我國石油經濟效益的提升是大有裨益的。

3.3 在氣象預報中的應用

在天氣預報中，氣象預報的準確與否，與數據的計算和處理有極大的關系。通過科學計算的可視化，天氣預報工作人員能夠把數據轉變為圖形圖像，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，暴雨區和風力的大小、方向也可以得到展示。如此一來，預報人員能夠更加準確地進行天氣預報。另外，在對氣象監測數據和計算結果進行處理之后，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報人員面前，方便預報人員對氣象情況進行預測。

3.4 在分子模型構造中的應用

通過交互式圖形生成技術對復雜的化學物質進行觀察，這一項計算起源于20世紀60年代。當前，該技術在學術界和工業界應用非常廣泛。在科學計算可視化技術的輔助下，分子模型的構造會得到改變。以往，廣大研究人員認為該方法比較復雜，現在該方法已經是分析和設計分子結構非常重要的方法之一。比如，科學計算可視化技術在與計算機結合之后，可進行高度復雜的分子結構的構造。

3.5 在計算流體力學中的應用

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

3.6 在有限元分析中的應用

有限元分析是20世紀50年代提出來的一種數值計算方法。有限元分析在結構分析中應用非常廣泛。這種方法是計算機輔助設計中的有力工具之一，在飛機設計和機械產品設計，乃至建筑結構應力分析中，都得到了廣泛應用。從數學的角度來看，有限元分析能夠把研究對象分解成多個子單元?；诖?，通過偏微分方程的求解得到結果。

4 結論

科學計算可視化技術是一種新興的技術，其得到了飛速發展。這種技術與虛擬技術和數字技術等都有緊密的聯系。怎樣對大量數據進行處理，這是人們需要面對的困難和挑戰。

［1］李曉梅，黃朝暉.科學計算可視化導論［M］.長沙：國防科技大學出版社，1996．

［2］龍漢.淺論三維可視化技術應用［J］.國防科技，2004（06）．

［3］劉勘，周曉崢，周洞汝.數據可視化的研究和發展［J］.計算機工程，2002（8）.

［4］楊峰.信息可視化系統框架與關鍵技術研究［D］.武漢：武漢大學，2006.

〔編輯：劉曉芳〕

TP301.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.146

2095－6835（2017）23－0146－02