科学计算可视化及其应用

王俊懿

（大连市育明高级中学，辽宁 大连 116000）

科学计算可视化及其应用

王俊懿

（大连市育明高级中学，辽宁 大连 116000）

所谓的“科学计算可视化”，其目的就是更好地了解自然科学的本质。为了达到这个目的，科学家们对科学数据和信息进行处理，把计算过程中的数字信息转化为直观图像形式，通过物理现象或物理量来展示在研究人员面前，从而实现更好的模拟和计算处理工作。主要对科学计算可视化及其应用进行了相关研究。

科学计算；可视化；地质勘探；气象预报

1 “科学计算可视化”的含义

科学计算可视化能够使用计算机图形学和图像处理的技术，把科学计算中的数据信息通过图形或图像直观、形象地展示出来，它是一种交互处理的方法和技术。在科学技术飞速发展的今天，科学计算可视化的含义变得越来越广泛，科学计算的可视化还包括工程计算数据的可视化，其中，有限元分析是一种非常有效的方法，在科学计算的可视化处理过程中，测量数据的可视化也是其中一项重要内容。科学计算可视化能够将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术等技术有机结合起来，把多维数据转化为图形。另外，还可以把分析和理解写入计算机，从而实现图形或图像在电脑显示屏上的直观展示。

2 科学计算可视化的重要意义

科学计算可视化的意义是非常重大的，一方面，科学计算的可视化能够使数据的处理速度加快，将大量的数据充分利用起来。在人与数据之间和人与人之间，图像的通信能够轻易实现。那么，我们就可以对传统科学计算中的现象进行观察，从而使科学计算过程变得更加简单。另一方面，在计算的过程中，要注意做好引导和控制，在交互手段使用的过程中，可以通过这一手段来对计算条件进行改变，从而对其影响进行观察。此外，科学计算可视化的实施，能够使科学计算的速度加快、质量提升，使科学计算工具更加先进，最终使科学研究工作发生彻底改变。

3 科学计算可视化的应用领域

通过大量阅读科学计算可视化的参考文献可发现，科学计算可视化的应用领域非常广泛，其在医学、地质勘探、气象预报等科学领域的应用非常多。

3.1 在医学中的应用

在疾病诊断的过程中，核磁共振图像和计算机扫描技术应用非常广泛。然而，对于很多医疗设备而言，由于这些设备的限制，只能提供人体的二维图像。对于医生而言，如果仅仅借助二维图像去判断病人病患处的具体情况，这往往是非常困难的，会给治疗带来很多麻烦。在科学计算可视化的处理过程中，可以通过二维图像得到三维形体，然后通过计算机辅助得到立体图像。基于此，医生就可以对病人的病变部位进行手术治疗，在计算机模拟的辅助下，这种手术治疗变得更加简单。例如，在儿童中，关节发育不良是一种发病率比较高的疾病，在进行矫正手术的时候，往往容易出现一些错误。如果借助可视化技术，通过计算机构造得到髋关节的三维图像，就能够对切割部位和形状进行计算机模拟。在手术之前，可以通过多种方案的计算机模拟后，再实施最佳的手术方案。

3.2 在地质勘探中的应用

在我国，石油矿藏的寻找是一项长期战略性任务。石油矿藏的寻找离不开地质勘探技术。在寻找石油矿藏的过程中，借助地质勘探，我们能够更好地了解地质结构，及时发现含油构造，分析测井数据，了解地层结构，明确油藏情况，从而对蕴藏量和勘探价值进行衡量。在地质勘探过程中，可收集到大量的地质数据和测井数据，这些数据的分布是不均匀的，因此我们很难通过纸和笔去分析。通过借助可视化技术，我们构造出等值面和等值线，通过显示它们的范围和动向，使用不同的颜色来对参数和关系进行表示，从而帮助专业人士处理原始数据。通过这种技术的应用，作业量会大大降低，并且也会节约资金，提高寻找油藏的效率，这对于我国石油经济效益的提升是大有裨益的。

3.3 在气象预报中的应用

在天气预报中，气象预报的准确与否，与数据的计算和处理有极大的关系。通过科学计算的可视化，天气预报工作人员能够把数据转变为图形图像，通过在电脑屏幕上展示这些图像，可以使等压面、等温面、位涡等展示出来，同时，暴雨区和风力的大小、方向也可以得到展示。如此一来，预报人员能够更加准确地进行天气预报。另外，在对气象监测数据和计算结果进行处理之后，全球的气温、气压和雨量分布都能够通过图像展示在天气预报人员面前，方便预报人员对气象情况进行预测。

3.4 在分子模型构造中的应用

通过交互式图形生成技术对复杂的化学物质进行观察，这一项计算起源于20世纪60年代。当前，该技术在学术界和工业界应用非常广泛。在科学计算可视化技术的辅助下，分子模型的构造会得到改变。以往，广大研究人员认为该方法比较复杂，现在该方法已经是分析和设计分子结构非常重要的方法之一。比如，科学计算可视化技术在与计算机结合之后，可进行高度复杂的分子结构的构造。

3.5 在计算流体力学中的应用

在对飞机等物体进行外形设计时，必须要充分考虑气体和液体高速运动环境的影响。以往，在对飞机外形进行设计的时候，一般是通过把飞机模型放置于风洞中进行流体动力学模拟实验，在实验之后，再对设计进行更改。事实上，这种方法不仅浪费了大量资金，还使设计时间大大增加。现在，可以通过在计算机上对飞机模型进行设计，通过流体动力学的模拟计算，得到计算结果。通过电脑屏幕将数据动态地展示在飞机设计人员面前。

3.6 在有限元分析中的应用

有限元分析是20世纪50年代提出来的一种数值计算方法。有限元分析在结构分析中应用非常广泛。这种方法是计算机辅助设计中的有力工具之一，在飞机设计和机械产品设计，乃至建筑结构应力分析中，都得到了广泛应用。从数学的角度来看，有限元分析能够把研究对象分解成多个子单元。基于此，通过偏微分方程的求解得到结果。

4 结论

科学计算可视化技术是一种新兴的技术，其得到了飞速发展。这种技术与虚拟技术和数字技术等都有紧密的联系。怎样对大量数据进行处理，这是人们需要面对的困难和挑战。

［1］李晓梅，黄朝晖.科学计算可视化导论［M］.长沙：国防科技大学出版社，1996．

［2］龙汉.浅论三维可视化技术应用［J］.国防科技，2004（06）．

［3］刘勘，周晓峥，周洞汝.数据可视化的研究和发展［J］.计算机工程，2002（8）.

［4］杨峰.信息可视化系统框架与关键技术研究［D］.武汉：武汉大学，2006.

〔编辑：刘晓芳〕

TP301.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.146

2095－6835（2017）23－0146－02