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应／用／基／础／研／究／园／地
科学计算可视化 (Visualization in Scientific Computing．简
稚为 ViSC)是目前计算机学科的一个重要研究方向，作为一
个科学术语它是在 1987年由 B．H McComliek等^根据美国
国家基金套召开的 “科学计算可视}艺研讨套”的内容撰写的
一 份报告中正式提出的。科学计算可视化是一门将计算机田
形学与图像处理和计算机视觉综合应用于计算机科 学的科
学。短短几年，科学计算可视化已发展成为计算机学科中一
个十分热门的研究领域，而科学计算可视化技术的成功应用
又更进一步推动 了学科本身的发展和应用的迅速普庭
斟学_f署露魂 观意
科学计算可视化的彤成是 当代科学技术飞速发展 的结
果。我们现在正处于一个信息爆炸的时代，科学数据的大量
产生与缺乏有效解释这些数据手段的矛盾 日益尖锐 ，因此出
现了一方面不断产生新的数据 ，另一方面囡无法厦时解释和
利用这些数据而只能把大量的数据存储起来，造成信 息的浪
费。科 学计算可视化首先是为 了高效地处理科学数据和解释
科学数据而提 出并形成的。它特大量枯燥的数据以图形囤淳
这种直观的方式显示出来，使观察者可 准确地发现隐藏在
大量数据背后的规律 ，从而帮助^们更好地理解和分折这些
数据。
稚动科学计算可视化这一新的研究方向发展的因素，除
了基于科学研究与计算的本身固素之外．另一个非常重要的
因素就是为 了提高so．业界的竞争能力。美国从 1992年就开
始实施为期 5年的下一代超级计算机的国末计划——高-_生
能计算与通信 (High Performance Compudng and Communica—
tion，筒称为 HI c)计划，投资29亿美元来研制每秒连行万
忆袭的超级计算机。一旦万忆丧超级计算机投入运行将解决
目前一 乐列无法解释的难题，如大气涡流、海洋环流、半导体
模型等。而这种超级计算机的投入使用也必将造成数据量的
膨胀．使我们面对更多的无法厦时处理和解释的海量数据，
造成花费高昂代价得到数据的浪费。而科学计算可视化将计
算机图形学、图像处理和计算机视觉综合应用于对海量数据
的理解和传递．从而可以充分利用获得的数据。因此科学计
算可视化已成为从事大规模科学计算的科学家手中极为有
效的工 具。
罄l学-t簧曩程 恩
可视化其实已经存在很长时间了，比如函数图表就是一
种比较原始的可视化形式．它是许枯燥的数据以图形这种比
较直观的形式袁现出来，使^们可以快速准确地把握住纷繁
芜杂的数据背后所隐藏的规律。而我们通常所讲的可视化则
往往是指三维数据的可视化，它是 7O年代中期伴随着影像
技术的产生和发展而发展起来的。
7O年代由于受当时计算机断层摄影技术 (Computerized
Tomography)发展水平的臆制，切片的问距比较大，因此早期
的研究重点救在轮廓连接上．即要解决断层 图像上的轮廓抽
4 《安徽科技~2ooo年第6期
、， 科 TP； ／ < 1P I
取、层之间的轮席对应和物体外表面的拟和等同通。莪有代
表性的是 Keppel在 1975年提出的用三角片拟和物体袁面的
方法。
鲫 年代由于各种影像技 术不断出现，如磁共振成像
(MRI：Magnetic Reaotlanee Imaging)、超声 (US：Ultrasonogra—
phy)、正电子辐射断层摄影 (PFT Po~ilron Emi~ion Tomogra-
phy)、单光子辐射断层摄影 (SPECT：Single Ph~on Emimion
Computed Tomogmphy)等，能够产生高分辩率低噪声的三堆图
像，因而整个 8O年代是可视化技术迅速是展的时代。在这个
，
，
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学 算
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时期人们提出了大量算法，井尝试用硬件来实现一些费时的
处理过程。较有代表性的是 Lorensen等人于 1987提出的一
种经 典的等值 面构造方 法——移动立 方体 法 {Marching
Cubes) 在整个80年代可视化的研究中，最引人注目的是基
于体素的显示方法。日为它直接对数据进行显示，所以被称
为直接体视或直接体绘制。这种方法由于不通过构造中间曲
面来拟和物体表面，目而避免了在分剖的过程中造成的三维
数据场中的细节信息的丢失，使结果具有较高的保真度。
进凡 90年代以来．可视化的研究更加趋于多样化。一方
面开始对高维的、无结构的、不规则或者向量型体数据的可
视化问题进行研究，另一方面开始设计三堆可观化井行算
法，井利用并行计算机强大的计算处理能力来解决三雄可视
化算_法速度慢的问题 ，同时专用的可视化硬件系统也在紧张
的研制过程 中。
斟学计奢可褪 髓 觅
如夸．科学计算可视化的应用范围越来越广，从置学到
显微摄彰学、物理学、化学、地质学、工业捡剥、计算流体力
学、有限元分析等学科和领域中，可视化都起到了非常重要
的作用。可观化技术适用于几乎所有近代科学和工程技术领
域．能帮助研究人员理解计算与栾验所获得的大量数据，并
能通过人一机交互手段速到控制计算过程，改进计算蛄果的
目的。
1 可视化在 医学中的应用
可视化技术已被广泛地应用于诊断医学、整形与假肢外
科中的手术规划与辐射治疗规划等。在医疗诊断中，医生通
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常是通过观察一组病人的二维断层 图球 (如 cT)来诊 断病人
的病情。但是要准确地确定病变体的大小、空间位置、几何彤
状以及与罔 围生物组织之间的关系，但但靠医生凭借经验
“在其犬脑中进行重建”是非常困难的，而且容易引起谩诊。
可观化枝术通过将计算机图形学、图像处理和计算机视觉的
知识结告在一起，井充分利用飞速发展的计算机软、硬件资
源柬完成对人体器官、软组担和病主体的三维重建和三堆显
示．辅助医生对病人的病崎进行准确的分折和诊断，极大地
提高了医疗诊断的准确性和科学性。可视化不仅提高了医疗
诊断的水平．而且还在手术规剐与模拟、解剖学教育和医学
研究中发挥着重要的作用。通过在手术前进行手术规划和手
术过程模拟．枫犬地提高了手术的可靠性和安生性。
2．可视化在分子构模技 术 中的应 用
旱在 1964年人们就开始利用史互式计算机 图形学方法
束研究复杂化学物质，如建立蛋白质的 DNA模型 目前，应
用交互式计算机图形学采研 究分子构模技术已发展成为一
个被立的研究分支——分子图形学。分子图形学提供的分子
构模枝术应具有综告、分析和通信这三种功能。其中交互式
三堆田形显示是一关键技术，它使科学家能够控制他们所掌
握的数据和存取有关信息。利用可视化技术可以实现对复杂
化学物质的三维蛄构进行史互显示，帮助科学家对复杂物质
的分子模型进行显示和分析。可视化技术在发展十分迅速的
遗传工程和蛋 白质工程领域，在新药设计或对已知药做改型
设计方面的应用已经主得越来越普厦。
3．可观化在显微摄影学中的应用
80年代 电子显微镜的发明，标志着显微撮彰技术的一个
飞跃发展．并且极大地促进了生物
医学的发展。借助于电子显擞镜．
使我们可以对微观世界有更进一
步地了解和认识，从而使我们对生
物的本质有更为精确地把握。而现
代 的教 光扫描共 燕显擞镜 (LSCM：
Laser一$CalR Co rffaeal Microscope)
则又把显微摄影枝术稚到一个新
的高峰 ．如 Bio—Rad、Zeiss、Saras一
【r0等 套司椎 出的 LsCM 能达到
0 2微 米的扫描 分辨率，而扫描 的
幂度则能控制在 0．5微 米左右。虽
然 LsCM也可以作 为一种体数据
获取设备，但是还没有哪一种设备
能够具有像 Lc,CM这样 高的采样
精度．因此必须将可视化 系统嵌入
到 LscM 中击方能不失其精度。将
可视化技术应用于显糍撮彰领域．
使人类具有 了观察三维微观世界
的能力。
《安徽科技)2o0o年第 6期 5
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