計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中的可視化技術(shù)分析

摘 要：可視化是當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。本文對(duì)可視化的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展中的難點(diǎn)以及可視化技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析、綜合，并展望了可視化發(fā)展的前景。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)科學(xué) 可視化技術(shù) 應(yīng)用

可視化這一概念自1986年提出以來，在自然科學(xué)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，它是幫助自然科學(xué)研究者理解復(fù)雜現(xiàn)象和分析處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的重要工具。目前可視化研究成果廣泛被應(yīng)用在了航天技術(shù)、石油勘探、天氣預(yù)報(bào)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。隨著圖形、圖像等傳輸設(shè)備的性能日益提升，可視化已成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展不可或缺的必備條件。

一、可視化概念

可視化是將符號(hào)轉(zhuǎn)化成幾何形狀，使研究者能夠觀察到他們研究工作的一種計(jì)算技術(shù)，其改變了科學(xué)家原有的工作方式，提供給了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)事物的最新途徑，并且不斷帶給人們驚喜。

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可視化的基本途徑一般都包括三個(gè)方面：首先，將計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、組織、交換和壓縮；其次，將處理過的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何圖元的提取，并且對(duì)幾何圖元構(gòu)建可視模型；最后，將圖形繪制并顯示。

二、可視化發(fā)展的難點(diǎn)

在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)圖形的可視化，首先是要將需要可視化的系統(tǒng)組建模型，其次分析尋找描繪組建好的模型的最佳方案，最終呈現(xiàn)可視化效果。

但在現(xiàn)實(shí)中面臨的難點(diǎn)就是很難組建需要可視化對(duì)象的模型，例如很多抽象的概念就無法進(jìn)行物理模型的組建，在計(jì)算機(jī)中也無法對(duì)其進(jìn)行模擬。

三、可視化研究成果

1.流體可視化軟件

流體可視化軟件是在多個(gè)相聯(lián)系的模型下，在交互分布環(huán)境下研究暴風(fēng)雨的形成規(guī)律。這是美國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用中心研制出來的，其工作原理是將安裝在NCSA的超級(jí)計(jì)算機(jī)CRAY-YMP與VGX工作站之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，其中超級(jí)計(jì)算機(jī)CRAY-YMP復(fù)雜模型計(jì)算，而VGX則提供用戶可接入口，進(jìn)行二維圖形和三維圖形的顯示。

2.可視化技術(shù)在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)可視化研究成果已被廣泛應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)研究中，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)可視化。地球物理勘探過程中應(yīng)用到了可視化技術(shù)。美國(guó)SGI公司的油田開發(fā)、油藏?cái)?shù)值模擬、石油地質(zhì)等方面都引進(jìn)可視化技術(shù)，并遙遙領(lǐng)先于世界同行業(yè)中的其他競(jìng)爭(zhēng)者。

3.可視化技術(shù)在人體胚胎學(xué)中的應(yīng)用

這主要是依據(jù)美國(guó)衛(wèi)生和醫(yī)學(xué)博物館的胚胎數(shù)據(jù)進(jìn)行人類胚胎模型的重構(gòu)，并將結(jié)果以三維數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)，這是醫(yī)學(xué)史上的一大進(jìn)步，預(yù)示著人類可以遠(yuǎn)程訪問人類形態(tài)數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)其進(jìn)行分布式計(jì)算，將醫(yī)學(xué)研究推向一個(gè)新的高度。

4.可視化技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

近代在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的CT、MRI以及PET都是醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)。這些設(shè)備能夠掃描產(chǎn)生人體病灶進(jìn)行多個(gè)方位多個(gè)剖面的圖像，使得醫(yī)生能夠清晰地判斷病人病灶的大小、位置，幫助醫(yī)生準(zhǔn)確診斷病因。而且CT與傳統(tǒng)的膠片感光成像不同的是，能夠借助計(jì)算機(jī)直接對(duì)人體器官或者組織圖像進(jìn)行重構(gòu)，幫助醫(yī)學(xué)圖像實(shí)現(xiàn)二維向三維的邁進(jìn)，方便醫(yī)生直接從體外觀察病人病灶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

5.可視化技術(shù)在數(shù)字博物館的應(yīng)用

數(shù)字博物館就是依靠虛擬技術(shù)對(duì)藏品進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)三維可視化，在真實(shí)反應(yīng)事物數(shù)據(jù)的同時(shí)，達(dá)到傳遞信息的目的。數(shù)字博物館為不同區(qū)域院校師生提供了學(xué)習(xí)平臺(tái)，并且有利于全國(guó)各地的學(xué)者之間的信息互換以及信息資源共享。

6.還原修復(fù)可視化技術(shù)

這主要應(yīng)用于考古工作中，例如對(duì)于已經(jīng)破壞的古建筑場(chǎng)景以及出土的破損文物，可以通過虛擬修復(fù)進(jìn)行還原。這一過程需要將可視化技術(shù)與數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別等技術(shù)綜合應(yīng)用。

四、小結(jié)

目前，國(guó)際上可視化研究的權(quán)威機(jī)構(gòu)就是美國(guó)的國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心（NCSA）。早在19世紀(jì)80年代美國(guó)就進(jìn)行了大量的可視化技術(shù)研究，取得了可喜的研究成果，并且致力于將可視化技術(shù)推向更高的發(fā)展階段。隨著我國(guó)加快國(guó)際交流的腳步，國(guó)內(nèi)的清華、北大以及中科院軟件所等單位也相繼進(jìn)行可視化技術(shù)的研究。但目前，可視化發(fā)展程度較低，更高階段的可視化研究尚處于探索階段，因此，不斷完善更新計(jì)算機(jī)硬件設(shè)施是促進(jìn)可視化技術(shù)快速發(fā)展的保證。

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（作者單位：河南省開封市技師學(xué)院）