電磁場的三維可視化技術研究及實現分析

南京郵電大學電子科學與工程學院 徐 玭

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電磁場的三維可視化技術研究及實現分析

南京郵電大學電子科學與工程學院 徐 玭

【摘要】隨著社會的不斷發展，在相關領域中，電磁環境越來越復雜。為了更好的應對這一情況，可采用電磁場的三維可視化技術，利用組織結構明確的動畫、紋理、顏色、形狀等視覺信號，對錯綜復雜的海量數據進行轉化。在系統動態過程模擬展示、復雜物理系統等方面，例如氣象、地質勘探、醫學成像、流體力學計算等，可以對該技術進行應用，具有較為良好的應用效果。

【關鍵詞】電磁場；三維可視化技術；研究及實現

0　前言

在電磁環境三維可視化技術中，基于三維立體空間電磁環境數據場中的點數據，通過對三維可視化技術的應用，對電磁場分布、地理環境等進行全面的展示，通過三維可視化的方式對其進行再現，從而將充足的依據提供給相應的工作。作為一種發現和理解知識的良好工具，在電磁環境中，可視化技術將會發展為最為關鍵的核心性技術和表現手段。

1　科學計算可視化技術

早在上世紀八十年代的時候，就提出了科學計算可視化的概念和研究。隨著醫學掃描、地球物理測量、射電天文望遠鏡、宇宙飛船、地球衛星、超級計算機的發展和應用，產生了更大的數據?？茖W家期望能夠對這些數據進行應用、研究、分析，但是無奈數據量太過龐大，因此科學家只能進行存儲和收集信息，難以對如此海量的信息進行解釋，因而造成了信息的大量浪費。而在未來的發展中，科學數據量還將會成倍的增長[1]。此外，對于一些原始數據，如果通過圖像的方式出現，也必須進行處理，才能夠進行應用?？茖W計算可視化指的是在科學計算當中，通過對計算機圖像處理技術、圖形學技術的應用，采用圖像、圖形的方式對計算過程和計算結果進行轉化，并且在屏幕中進行顯示和交互處理。

在科學計算可視化技術中，對計算機輔助幾何設計、計算機視覺、數字圖象處理、計算機圖形學等技術都有著十分密切的聯系。在科學計算可視化中，對大量的實驗數據和計算數值進行轉換，使人們可以通過圖像的方式進行觀察和理解。在生成的圖像當中，能夠囊括大量的抽象數據，并且進行有機的組合，更加生動的展示其內容和聯系，從而讓人們對這些數據的內容和意義進行更為有效的了解。在科學計算可視化技術當中，主要包含了很多內容，在圖像和圖形參數中，對數學數據或數據集進行映射，在圖像和圖形顯示算法和數據結構明確的基礎上，對海洋環境、地球等專業領域中的科學可視化問題進行研究。

2　三維場景實時渲染技術

在電磁場三維可視化技術中，為了對具有真實感的三維虛擬場景進行生成，需要進行大量的計算，因此在生成和顯示三維圖形的過程中，實時性是最為重要的要求之一[2]。三維實時場景中的實時性表現為實時計算和動態繪制運動物體的姿態和位置，在更新畫面時產生的閃爍程度應足夠平滑，最低也要達到10幀以上，才能夠達到人眼不會察覺的程度。對于場景中控制三維模型的方向和位置等人產生的交互動作，生成的圖形應當對相應的場景和環境進行迅速產生，延遲時間必須控制在最高0.25秒以內。由此可見，在三維場景的實時渲染當中，生成圖形的速度發揮著重要的作用。其中，圖形處理軟硬件的體系結構，以及硬件加速器的圖形處理能力，圖形生成加速技術等，都會對生成圖形的速度產生影響。

另外，圖形生成所需真實感程度、虛擬場景復雜程度、應用因素等，也會對其產生影響。目前，專用圖形處理器、高速高效CUP等，極大的提升了圖形工作站的性能，不過，仍然難以很好的實現實時仿真。與實時仿真環境規模相比，在生成圖形的速度方面，存在著較大的不足。對此，可以對軟件進行優化和改善，將高效的算法和思想應用其中，對數據組織、數據結構等進行優化，從而實現圖形實時仿真效果的提升。利用可見性裁剪技術，能夠3D場景中，對可見部分進行確定，從而實現對復雜場景的交互式幀速率繪制。如果有不同位置、相同形狀的物體存在于三維復雜模型當中，可以運用實例技術進行處理，在內存中將相同的物體實例進行存放，通過縮放、旋轉、平移等操作，實現相同物體的不同位置[3]。

3　三維空間數據場可視化

在科學計算可視化技術當中，三維數據場可視化具有十分重要的意義，在科學計算當中，對于不可見、抽象、大量的三維空間數據場數據，更加深入的進行分析，并且采用圖像處理技術、計算機圖形學技術等，對計算機中的三維空間數字信息進行轉變，使其形成圖形或圖像信息的形式，或是隨著空間和時間發生變化的物理量、物理現象等，因而更具直觀性和明確性。通過這種方式，專業人員能夠對模擬和計算的過程進行觀察，在模擬當中，對相應的視覺交互方式進行提供和計算。在科學計算可視化中，其數據主要是對有限空間的離散采樣，在每個采樣點當中，包括一種或多種不同的采樣值，對該點的物理屬性值進行代表。其中的數據可通過試驗設備進行獲取，也可通過科學計算對三維數據場進行獲取。

在三維空間數據場當中，需要對張量、矢量、標量等進行可視化處理。其中張量是根據坐標對矢量進行轉換得到的[4]。矢量指的是對坐標系進行應用的方向、數字等性質表征量。標量則是指能夠脫離坐標系的數字性質表征量。可視化技術當中，決定性的因素包括數據表示幾何圖元維數、數據類型。在可視化技術當中，數據都是存在于空間某一區域或時間某一時刻中的物理模型離散采樣，在采樣點進行數據定義?；诓煌膽?，采樣點之間存在的連接關系也不相同，形成的網格也具有不同形式。不論是何種類型的可視化，基本的流程都是數據生成、數據與處理、映射、繪制、顯示。

4　結論

在當前的社會當中，隨著科技的不斷發展，電磁場的復雜程度越來越高，數據量也越來越大。為了更好的對電磁場進行研究和控制，可采用三維可視化技術，利用立體、直觀、形象的圖形或圖像，對抽象、難懂的電磁場信息或數據進行轉換，從而能夠更好的對這些信息和數據進行分析、整理和應用。

參考文獻

[1]穆蘭,任磊,吳迎年,劉登坤,沈月偉,張霖.空間電磁環境可視化系統的研究與應用[J].系統仿真學報,2011(4):724-728+734.

[2]徐衛亞,孟永東,田斌,談小龍,劉大文.復雜巖質高邊坡三維地質建模及虛擬現實可視化[J].巖石力學與工程學報,2010(12):2385-2397.

[3]孟永東,蔡征龍,徐衛亞,田斌,周建軍.邊坡工程中監測數據場三維云圖實時動態可視化方法[J].巖石力學與工程學報,2012(S2):3482-3490.

[4]安愛民,張愛華,張浩琛,王慧中,馬晶.同軸電纜的電磁特性可視化模擬與仿真實現[J].電工技術學報,2013(S2):167-171.