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科学计算可视化现状及发展趋势 ¨
西4t,工业大 CAD~／CAM 研熹 安7"1弋00 ＼ (西 工业大学 研究中心西安 )
摘 要 This paper~urveys seven main issues and related key technique8 in ViSC around its
achievements．problems and future c~irections．It points out that theoretical model；8 ViSC s{oun·
dation．while mode[irLg and tender~ng method its kernel{perceptability，its aim；pa rallelismt its
need I hardware．its tool；and standardization，its tendency．The author thinks that volume su—
Miz~tion，supported by volume"modeling and volume rendering，is current ViSC s trend
关键词 Visualization in Scientific Computing(Vi,~C)．Model，Modeling，Rendering．Pereeptabil-
ity，Parallelism ，Hardware．Standardization
随着计算技 术的飞速发展 以及超级计算机、医
学扫描系统、地质勘测仪器的广堙应用 ，』、们面临着
分折解释由这些设备产生的大规模敷据集的艰 巨任
务。为此 ，美目科学基金会(NSF)于 1986年专门召
开了一敬研讨会．会上提出了科学计算可视化(Vi—
suallzatlon in ScientiSt Computing，简称 ViSC)I第
二年形成了正式的 VISC报告口J，一门崭新的交叉学
科涎生了。
该报告认为，可视化是一种计算方法，它把数字
符号转换成几何图像，使科学家能够观察其摸越和
计算过程，并进行交互控料．科学计算可视化提供了
一 种发现不可见信息的方法，丰 富了科学发现的过
程，给予人们深捌而意想不到 的洞察力，使科学家们
的研兜方式发生了根车变化·可视化包括图像理解
与图像台 成，它既是解释输入到计算机的 围象数据
的手段．又是 由复杂多维数据集产生图象的工具 。可
视化由以下学科支持 计算机图形学、图象处理、计
算机视世 、计算机辅助设计、信号处理 、用户界面
可视化的 目的在于 视觉方法为已有的科学研
究领域提供钎的科学灵髂，收到事半功倍的娥果。
目前 ，ViSC技术已在计算流体 力学(CFD)、医
学、地球物理 学、气象学 、分子结构 学等许多领域内
得到了广泛的应用 。以下 分七个方面讨论抖学计算
可视化取得的进展及其发展方向。
一
、理论模型
为了慨括可视化过程．对其棱心部分进行抽象，
需要给出准确 完整、台理的可视化理论模型。众多
的可视化应用系统采用。可视化澎水域(Visualiza—
tion pipeline) 口 作为理论 模型 ，如图 1所示．
堕 _{堡坠壅卜一1墼塑卜‘惶 一 喳
f l
囤1 。可视化流水线 模型
该模型将整个可视化过程划分为摸拟 两处理 、
映射．培制、懈释五个步骤，数据经由这一灌水线做
次被处理 加工 ．直至成为能够为抖学家所理 解的视
觉信息。其中，模拟部分是对物理现实的数学摸拟，
它将 自然现象 的变化通 过复杂的多维 数据反映 出
来；预 处理 和映射 两部分 通常台井 在一起 ，是整个
流水线 的关键，大悼积的计算数据经过这个步骤 ，
梭映射成有一定含义的几何数据，即 ，用一定的几何
空间关系表示计算数据集；蝗制酃分通过形状、颜
色、明一膏处理 动画等手段，将隐藏在太体积计算数
据集中的有用信息呈现给科学家们。
“可视化流水线 摸型适宜分布操作和并行处
理。系统设计人员可以很方便地将 流水绒 上的每
一 个处理步骤分配给一个指定的机器或灶理器；同
)国家自然科学基金资助 。童劲松 博士生 ，主簧研究方向为 CAGD 专家采统和手}学计算可槐化。蕞青 教授，博士生导
师 ．主要砑究方向为 CAGD 专家 采坑和CAD／CAM。
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时 ，由于“流水线 不是命令驱动 ，每十步骤不 由命令
控制．而是数据驱动的，处于输^数据 、层次边 界及
其它局部条件控制之下 ．因此可通过数据集的划分
要现基于时闻的牛亍亍苒法 著名的 AVS、apE等可视
化应用软件都采用 _，过一摸型
然而． 可视化漉水线 模型还很不完 善。首先，
该模型过于笼统 ．无法详尽地描述现有可规化系统 ；
其嘏，灵活性较 差 ，一旦“流水线 中的数据发 生变
化．则“流水线 即行中断 ，达时必须返 回到柳姑状态
重新宕动。这种 流水线 形式的敷据处理方法严重
影啊了交互效率，特别是大体积数据集的交互处理，
从而不利于用户对 可视化过程的跟踪和驾驭 。另外．
现 苜的 可视化 _赢水线 都是专用的，一种 流水线
只处理某一个应用领域中的数据 ，缺乏通用性 。
针对现在不断涌现的可视化砬用领域、种类 繁
多的数据类别以及用户与可执化 乐}竞交互过程中千
娈 厅化的技据集 ．具有推理机制且 能自动判断、丹类
和处理 各领域数据集以达到最佳视觉效果的智能型
可视化模型 ，是今后模型理论发展的方向，
还有不少学者提 出，随着今后可视他系统 的发
疑．需要对可视化慎型进行细化，霞对整个可视化过
程中的每个关键步骤 及用户 、设备等外薜条件 ．建
立蚀立于应用的抽象模型，如数据模型、用户模型、
设备模型、时『可模型等 。
= 造型方法
造型是科学计算可视化的重要课题之一。现在
的可视化系统或是求用传统的曲面造 型方法．然后
进行表面明暗处理 或是将三维扫描仪器获取的规
髯0三罐图像数据，直接采用体元绘制方法加以显示I
而对 于 基于 体元 (Voxe1)的 造型 方 法—— 体 造 型
(Volume modeling)研究甚少。
体造型方法是一种以体元为单位，表示三堆物
体．场景及茸内部结掏的造型方洼，有时称体元化
(Voxelizatio~}问题 ．遗一方法迄今有许多问题霹}待
解决．新 ：离散体元曲造型和修改、特征的 表示 ，离散
体元与曲面的统一．等等。
近年来出现的多分辨事造 型(Muhlresolut[on
Modeling)方法 ，为体造型开拓了一条新连径 ．Mu—
rak 采 用信号处理 中的正交子渡 变换 (Orthogonal
waveJe!m nsf。rm)，对体元数据进{亍滤波 ．得到了物
体的层次多分辨率形式的子波表示 。文 [4]中，Mura一
· 2 -
ki将一系列 n5片MR(壤磁共振)图像进行子渡变
换重陶 ，得到 不 同分辨率 的 MRI表示函数及 图
像
多分辨造型法，由于可恨据需要对 局部敏据 台
弃或保 留，因此有利 于显示操作中的 Zoom，几何处
理韧值求解 数据压缩以及层次表示 如何表示散乱
数据并推广到多维 茁卡 尔坐标 同格 ，是这一 方法需
要解 的难点。
三、绘制方法
在科学计算 可观化遣一领域内，目前没有哪个
方 向的发展象体元绘制 (Volume rendering)的发展
那样引人注目的了。
在许多科学应用领域，存在着大量呈三维空间
分布的三蛙数据阵——体数据(Volume data)，如医
学中 CT、MR筹三维扫描 系统产生的 由一系列层断
面图像组成的三维体数据，计算机摸拟应力或流场
产生的有限元体数据集等。以往嫠制进些数据的做
法皆基于 曲面绘制 (Surface rendering)，常有两种 ；
层断面绘制㈨和等值 曲面鲶制 卜 ．遗两种方法都无
法清楚完整地显示整个体的内部情况
自 ReevesI-”引入光越子系统 以来，Sabel|a Ll”的
自发光粒子慎型和 KrOgerL 的修正传{蠡理 论摸塑
均直接将标量体数据场映射于一个密度场，通过模
拟虚拟光粒子穿过请密度场时的发光特性反映数据
场的内部结掏 光粒子与场数据值以及一些事先指
定的特征(等值面等 )发生作用，通过光强度 l的变
化将内部信息显示于屏幕上
根据Krdger的修正传蝓理论模型
( - )I( ，；)=一d (；)I(；，；)+q( )
r
▲ (；)j d；Jp(；， —；)l(；， ) (1)
其中；I ，；)是光强度函数，；，；分另 是坐标向
量和光传播方向向量} (；)：d．(；)+ (；)是与密度
相关的消光系数， 分别为吸收系数和散射系数}
q( )是体内部光 源(点 ．面或俸型)jp( ， 一；)是 散
射姐位函数(光由1f向；方向散射)．这一修正方程
的解可由弗雷值譬拇第二积分方程绪出．若忽略其
散射项井取其一阶近 似，则得到 目前广 为采用的迭
代型体元缭制方程 ；
I(sJ- 8)=(1一口 )[1(s)上q(s) s] (2)
其中，蔽光度 一l—e-e, “。。
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这与 Sabella在文[10]中的 DE模型是一致的。
体元绘制具有很多优点：不依赖于观点I对场景
和物体的复杂度不敏感．因而 易于表示 大体 积的采
样数据或模拟数据 ；可以清楚地显示 内部结构 。对某
些 热点 信息作强化处理；适于 CSO表示或层次多
分辨率表示}易于实现并行算法。有科学家甚至认
为 ．正如光栅图形在七十年代曾代替了矢 量图形
一 样．基于体元绘制 的体 图形学 (V01um graphics)
将代替现在的三维曲面图形方法。
四、感知性
可视化不仅仅是慎拟计算 ．也不仅 仅是图形 显
示 ，它在本质上是一十 将大 量无序的信息转换 戚可
梭人啮感知的信息的复杂过程 因此．如何将孕含在
大量数据中的有用信息以用户易于接受和感知的形
式 宽分地展现出来，即可视化系统的感知性 ，是这个
系统成艘的关键 。
人对外部世界 的反映丹两种 ；感觉和知觉 前者
是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性
的反映，如视觉 、听觉、触觉等；后者是人脑对直接作
甩于感觉器官的客观事物和主观状况的整体反映，
往往与人的知识 、经验．特点和兴趣有关 知觉是盛
觉的耀化，感觉是知觉的一部分 ，心理学 上通常将这
二者台在一起，统称感知觉。
现在一些 可视化 系统的感知性很 差，不能满足
用户的可视化要求．其 原因就在于对用 户昕处 应用
领域内的专业知识了解不够，对用户的感知鼋考虑
不当 ，从而使可视化 系统提供的信 息无法正确地 梭
用户感知与理解。
围绕以上问题 ，人 们正在进行 以下两方面的探
索{
1．在心理学 ，生理学和解剖学的基础上 ，对人的
感知世诗行系统研究，建立可靠的感知觉模型，同时
结台虚拟现实t多媒体等技术，开发具有有效感知性
的可执化用户界面。这方面成功的例子有 Bryson和
Levit的虚拟风洞 ．采用头戴型立体液晶显示器以
及数据手套 ，给 人一种置身干三维漉场的错觉
2．可视化系统的自动生戚及可视化系统的开发
环境和工具 。其中．与学科无关的可视化开发环境是
前 期 目 标 ．AVS(Application Visualization Sy 一
tem )【I 和 ape (animation production
Envlronment)n 为用户提供了一个初步 的可视化开
发环 境，用户可按不同要求把 系统模块与应用模块
连接 毽米，以适应不同的应用环境。Pa Lmer开发了一
种基于 C的解释型语言 Polbq‘I ，用 以描述 分子结
掏可视化系统中的数据类型 控制结构、运算符以及
内部 函数 等 。Beshers和 Feiner的 AatoVisua|系
统 ．基于规则建立了一个 n个视图舶虚拟 环境以
分析多变量函数的特征 ，用户 只需 定义可视化任务
(给出欲分析 的函数)，而不必考虑如何实现 等具体
阿题 。这些系统距离“能髂利用感知慌以及应用领域
的 专家知识 ，自动进行 可视 化系统的开发 这一 日
标 ．还相距甚远。
五、并行性
在 ViSC系统中，由于经常需要对大体积数据集
进行实时计算．恪改与显示 ．固此要求系统具有并行
性。最近的研究多集中于支持绘制的体系结 构和并
奸算 法 。
体系结掏在这方面的进展主要在以下方面：
1．对于图形工作站 ，根据图形生成特点，改进图
形子系统的设计结构 ，采用更多的并行处理 }
2．根据某些并行算法的特点，结台已有的并行
结楫 ，制成专门的 目的处理机 }
3．研制通用 的及可用于 图形处理的通用处理
机 。
图形并行算法的研究主要集中干
1．多边形绘制 有关 多边形的扫描转换 ，区域填
充．明暗处理等方面已提出不少并行算法{
2、光线跟踪 。绘制高质量图形比较成功的全局
光照模型是光线跟踪 ，其固有 特征使之既有可能又
有必要采用并行处理 以提高技率 ；
3．体元绘制。针对规则体数据集以及特定的处
理饥，已出现了许多耗赞较少的特定算法．但对干散
乱数据的并行处理 尚有符解决。
六、硬件设备
正如图形工作站上现有的专为曲面绘制开发的
图形加速器以及其它特制硬件一样，人。丁正在开发
针对体元绘制的图形加速器和专用硬件．以提高工
作站的可视化水平，但至今未有正式的产品出现。
在显示器件方面，投入大量精力和财力开发的
直接体显帚设备 (DVDD) ．是一种完全不 同于现
有二维光栅显示器的真三堆显示器，目前 已有计算
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机全息圈、变焦镜 及缚克萨斯公司 的 OmnWiew
等几种。尽管 DVDD尚处于实验室阶段 ，需要进一
步提高分辨辜、增加显示色彩井降低或奉，怛有朝一
日这些设备实现 商品化聒 ．它 I仃舍彻底政变我 们
观察图形聍方式。
七、标准化
ViSC是一门新兴学科 ．许多方面 尚不成熟，特
别是在标准化方面，尚有许多工怍蔓做 ；
1．专用术语的标准化。只有统一 了科学计算可
视比领域中的专业 名称和术语．给出准确的定义 研
究 员之间的相互交流才能成为可能。另外精确的
定艾也有利于可视化樽型、算法和敷据的统一表示。
2．测试标准化．科学界需要一十统一的j蔓I试标
准 ．以分析比较不同的可视化算法和系统的效率．这
里有一十感知觉的寝量 口¨]题。由于可规化算法和系
统的效 翠是和 _凡的感知觉息息孵关 的，如何度量感
知觉这 一心理学上的问题 ．既是 建立{翼I试 标准的基
础．也是其难点所在。 。
其它还有数据标准 设备标准等等 ，也需要加以
统一 。
八 结 论
科学计算可视化是一门方 未艾的学科，其中
理论模型是可视化系统 的基础，造型方法及绘制方
法是可规化秉统 的棱，fi,。感知性是可视化系统实现
的目标．并行性是可视化幕统的需要，硬件设备是其
实现的手段 。而标准化则是可视化发展的必然趋势。
当今，科学 计算可视化的主漉是以体造型和体
元绘制为基础的体可视化。ViSC正朝着这一方向迅
猛发展．国外在这一领域已取得了长足的进步，而国
内才刚刚起步．我们应立足于现有条件 从理论攥
型、造型段绘制方 法、井行算法等基础理论与算法的
研 究着手 ，避 硬 就 软 ．发挥优势 ，力争 在科学计
算可视化领域中占据一定位置 。
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