科学计算可视化的研究现状和发展趋势
，
／
—
型 堡垒亟∥茅及愚刘令勋
华中理I大学交通学院特机研究室 湖北 ·武汉(43"0074)
fJ’摘 要 科学计算可视化(vISc)作为80年代后期在计算机图形学的基础二发
展起来的一种全新的计算风格，日益受到人们的重视，并在航空航天、船舶、建筑等许
多领域得到越来越广泛的应用。本文阐述了VlSC的发展历程，首先指出了VISC的研
究现状以及迄今为止所取得一些重要成果；当今可视化研 究的主要方向
。重点介绍 1
' 当前可视技术的热门研究的体绘制技术；最后预测了V|SC的发展趋势以及将来应该
重视 自々研究方向。
关键词 芷芏!±墨!垫些，连堡苎 数据流，!垫苎堡，并行绘制
TODAY AND ToMoRROW OF V~ UALIZATION IN SCIENTIFIC COM PUTING
TangFullang-ZhangXlangroing-Map．1lyaandLluLlnBxun
m耐帅4bfTraffwH黼如 gUawers崎 ．H西甑-wu硫M 430074
Ab~traclVlsual；zationinScientificComputing(VISC)，Relayingontheprominentcacjlat_mgpowerof
compu【叭 “d based oncomputergraphics-be0．41mc-an芒w styleofcaculating m thelatterof80Isand Poeple
valueitday by daytThis article discussing the oDurse VISC has Bone
． Firstly，itpoints out"s∞ rehing
prospectsnowadayaridsomeimportantachlvementsinthislivid upto now
． Secondly．ittellsyouthemaim
dir。ctionspo cplearenow exploring-es~ mlly volumerending—hotpointolthisday
． Finally，italsodicu∞
themaindirectionVISC willdevelopandsomeIieldsweshouldpay attentiOnto
．
Keyworda VISC,Volumerendering-Dataflow，Visualprogram ming
，Parallel
l 引言
近年来。随着科学技术的迅猛发展，科学计算所
涉及的领域越来越宽，对象也越来越复杂，计算量变
得越来越大，待处理的数据量越来越多，来自超级计
算机、地震勘测、航天航空、cT扫描、核酷共振的数据
与日俱增，以致科学家们惊呼。我们所能做的只是将
这些敷据收集井存放起来”，人们面临着分析和解释
大规模数据的艰巨任务，客观上人们不得不去寻求一
种帮助处理数据的手段．
1986午，美国科学基金会(NsF)专门召开了一次
研讨会，会上提出了科学计算可视化(Visualizationin
SCientificComl~fing-VISC)，第二年美国 McC,orrock等
向美国国家科学基盒会提交了。科学计算可视化研究
报告”以后，美国国家科学基金会正式把科学计算可
视化列为重点资助项 目．科学计算可视化一经提出，
很快就在计算机图形学的基础上发展成为一门新兴
的学科方向．它融合了计算机图形技术．工作站技术．
计算机辅助设计与交互技术、阿络技术．视频技术。
短短几年时间，科学计算可视化已经被成功的运用到
天体研究、地震预测、气象分析、航空航天、船舶、建筑
等许多领域。科学计算可视化计算结果的分析过程
中所带来的直观性、准确性等部结科学家们带来了很
大方便，科学计算可视他的快速发展引发了科学计算
的计算风格的一次革命．
2 科学计算可视化研究现状和热点
科学计算可视化分为三十方面 ．对应三种处理方
式，即跟踪(Ty~cking)、事后处理(P璐tproc皇咖g)、驾驭
(Steering)，事后处理把计算与计算结果的分析分戚
两十阶段进行，两者之间不能进行交互处理，跟踪是
针对实时显示的计算结果-判斯计算过程的正确与否
以确定是否继续进行计算‘驾驭过程使科学家能对计
算过程加以实时控制．修改或增减某些变量和参数，
以保证计算过程的正确进行。目前 由于软硬件性能
还达不到跟踪与驾驭的使用要求，大量的计算过程还
维普资讯
处于事后处理阶段．当今科学计算可视化的研究对
象也主要集中在三维数据场的可视化，来源于医学、
气象场、温度场、力场、有限元分析、流体力学中的许
多三维体数据，它们可表示为分布于体空间的单值函
数 V=t(x，Y，z)，当V为标量时则为标量场，著 V为
矢量则为矢量场 。体数据场包含的信息量非常丰富，
数据量也非常多，经过可视处理，借助数字图像技术，
可直观的反映出数据场内部信息的分布规律以及变
化过程．科学家们能很快的找到问题之所在．
由于科学可视化计算脱胎于计算机图形学，而且
图形学也发展得非常成熟，涌现出了一大批优着的算
法和软件．传统的可视化技术正是沿袭了图形中曲
线曲面能有效的表现复杂对象，通过从数据场中提取
曲线信息和曲面边界，重新构造数据场．比较有代表
性的是 Marchln8Cubes方法．等值面等曲面信息的提
取和重构成为早期可视化研究的主要方向，但这种方
法在数据场重扮过程中大量整体信息被丢失，造成对
整体信息的理解出现偏差．
第二十方面是膏lI面显示技术，这主要得利于医学
领域中对 CT扫描信息的处理 ，如何利用最新的软硬
件资源，把大量的二维信息通过某些更有效的算法，
将信息重构、叠加成能真正准确显示人体的三维物质
场分布，做到生成图像始反映出细小的物质差别，为
医疗诊断提供准确的判断依据，是剖面显示技术研究
人员所必须解决的重大问题。
科学计算可视化技术发展的一个突破性进展便
是体绘制(VolumeRendering)技术的出现。对基于体
绘制算法的可视技术的研究是当前可视技术的研究
热 点。这些算法大都用离散方法加以实现，如
L．Westover提 出的 以物 空间为 序的 体绘制 法 的
M．Levoy提出的以像空间为序的体绘制算法。从上面
的叙述中我们不难发现．基于传统图形学的可视技术
对于三维数据场建模形成三维形体后．将三维形体投
影到二维平面上，通过形体的深度信息，产生立体感，
但是这种图形只是表示了三维形体空同表面的效果，
没有揭示三维数据场的内部的变化规律，虽然可以通
过其它软件技术，如切片技术、剖面技术等来观察数
据场的内部的变化规律，但其反映的信息量却比较有
限。悻绘制技术正是为了克服这种局限性而发展起
来的新一代可视化技术，这种技术的特点是对三维数
据的总体显示，对它的不同屡次、材料、特性的各个组
成部分，在一幅图像中整体表现出来，得到的是三维
体数据的全局图像．它同传统的可视技术的主要区
别在于t它不通过几何造型等其它的中同转换手段，
也就是说，它的处理对象不再是曲线、曲面等几何元，
而是直接对一十三维标量场或者矢量场进行操作。
它的基率原理是从数据场出发，将体空间的每一体元
都看成是船够接受或者发出光线的粒子，每个粒子都
分配一光强及一定的透明度，沿着视线观察方向将这
些粒子投影到二维图像平面上，计算每个粒子对整体
所作的贡献，累加起来就可以得到一幅透明的投影图
形 。
体绘制数学处理过程是这样：设三维数据场 f
(x，y．z)在空间网格上作规则分布．首先根据每一点
的场值的大小．分别求取不透明值与颜色值与场值的
映射函数，得到每一空域场值点不透明值 A和颜色
值(R，G，B)，再根据各场值点的光照模型及其梯度，
计算出各点的光照强度和各体元对各像素的贡献，然
后将投射到图像平面中同一像素点的各数据的半透
明彩色叠加起来．
在具体的处理过程中，体绘制算法分成两大类 ：
光线追踪法(Ray--Trackln~)和投影成像法(P|ojec【一
Tmag地 )．前者从视点向各个像素追踪光线穿越数据
域，通过合成每条光线上所有体素的影响 ，求取各十
像素的色彩．后者则是先将所有体素的影响投影到
成像面上，然后依体素影响在各十像素上的造加顺
序，用某种合成方法 ，形成各十像素的颜色。两种方
法有个共同之处在于；每十像素的色彩都是沿着体素
的髟响在此像素上的造加顺序，用合成算子递推造加
合成。
目前，尽管进行体绘制研究的人很多 ，也取碍了
不步成果，但是体绘制技术还存在不步问题；
· 体绘制强调对整体信．鼠的显示和理解，由于软
硬件技术的限制，体绘制技术的这十优点正好也带来
了某种程度上的不足。由于体绘制强调一次性处理
全部数据单元，涉及到的数据量庞大，导致计算量较
大·显示速度较幔，对于基于时间序列的三维动态数
据场的动态显示更是显得无能为力，另一方面，由于
映射函数的处理过程中，映射区域的分割不能太小．
否则计算量也会迅速增加。因此对局部信．鼠不能进
行更细化的处理，导致局部细节不好理解，生成的可
视图比较模期，要理解一幅图像常需从不同的角度、
不同的视距，以产生不同的视角和大小的可视图来综
合分析才行．
· 体绘制的方法的实质可概括为三维数据场的
重新采样(Resamplin8)和对采样结果的图像合成(Ⅱr卜
agecomposition)两个主要过程．由于要对空域中每个
体元(voxel)至少访问一次，才能完成采样过程，因此
对于大小是 N‘的数据场，这类算法的复杂度将不会
低于 O(N。)，对可视化的实时性要求越来越高的情况
下，成为限制体绘制向更探领域发展的重大障碍之
3 可视化软件的开发现况
＆1 可视软件的基本组成模块和结构层次
尽管可视化技术由产生到现在还不到十年的时
间，但软件工作者和工程技术^员针对不屈研究领域
、的不屙用途开发出了许多可视化软件．也确实解决某
些数据场的可视化问题。可视化戟件平台的研 究沟
通了可视化理论与应用，为科学计算可视化的具体应
用提供了有力的支持．国外在 gO年代初 已陆续推出
了一些较为成功的可视化软件系统。如后处理型的
Ohia州立大学开发 的 paE，Wavefrent．PV—Wave． -
GAS和 RIP，跟踪型的如 StellarCopute公 司研制 的
AVS．驾驭型的如Jz等，还有SGI公司开发的商品化
软件 IRISExplorer．另外一些常见的有限元软件的可
视化后处理功能也非常强，象 AdmaSuperSAP．1deas
维普资讯
计算机应 用 1997l
等．不过．大多数的软件都是运行在大型工作站上，
5鲁了一些分析绘图软件包．如科学计算工具箱，
GRAFTOOL。CORELDRAW 等之外，微机版的可视化
软件还不多见，而且这些软件各有 自己的用途，一般
来说，系统价格比较昂贵，轼件扩充及二状开发相当
困难．国内可视化软件的开发工作还副起步．不过也
取得了一些可喜的成绩，象华中理工大学CAD中心
开发的有限元可视化系统FEvs(F j Element v豇u．
alizatian System)．西北工业大学 CAD／CAM研究中心
开 发 的 VIFEMRE(V~uullzation of F|nJ~e Elemen~
Method Results)，浙江大学CAX~CO国家重点实验室
开发的 GIVE(General Interactive Visualization Eniron-
meat)等，这些鞍件通用性及变互能力不强．而且大都
是基于传统可视技术开发成功的，如何尽快的开发出
比较通用的能够运行在高性能微机以及工作站上的
并且能够真正反映可视技术发展水平的可视化软件，
是我们当前软件工作者和工程人员的一项重要课题。
3．2 可视软件的数据流程和软件功能模块结构
可视化模型设计中较多的采用数据浇模型．一十
应用程序是由多十功能独立的模块通过数据流通道
互联构成 ，每十模块带有若干输^端 口和输出端口，
模块的功能是将其输入端口的数据进行变换后形成
数据流送给与之相连的其它模块，数据沆模型通过各
模块之间的进程通讯来完成相应的功鼹，数据沆通过
通信管道来传输，而不采用模块同的直接数据传送．
田此。比起传统的控制流，数据流的思想特别适合于
并行和模块级编程以及驾驭计算等高级控制机制，田
此现有的可视化千台都选用数据流模型作为系统的
体系结构．可视化数据流的基奉模型见图 1。其中原
始数据来自一些分析计算软件。
圈 l
通过分析一些比较有代表性的可视化软件的功
能和综台用户反馈的功能需求，可视化软件应该具有
以下基本功能，基本功能模块见图2：虚线表示基于
传统可视技术的处理流程．
国一同
j剧
囝 2
下面介绍了各模块的基本功能。
预处理摸块解决可视化软件与不同计算软件输
出数据的接tl转挟．由于不同的计算分析软件的输出
数据的格式或多或少存在一定的差异，可视戟件要能
处理各种数据源的数据 ，必须能正确识别每种格式井
进行相应的格式转换．
数据过滤模块负责完成从三维场数据 中提取当
前感兴趣的数据集，为以后的几何造型提供数据准
备．或由基本的数据推导出新的数据。如梯度、插值
等．便于后壤处理过程中更清晰的显示局部场．
西面绘制功能是从数据过滤层或由预处理模块
直接送来的数据(体绘制中采取这种模式)中抽取基
本几何元信息。
图象处理模块集中了图形变换的一些基本功能，
如平移变换，比倒变换，图形稍隐，平滑肄噪等处理。
显示模块解决图象屏幕显示问题，显示图形包括
等值线、等值面．云图#还应能正确显示随意改变视点
视距后的图像以及空域中任意点的数值查询。
4 科学计算可视化的发展趋势
科学计算可视化技术经过近几年的飞速发展．在
软硬件和处理算法上都取得了长足的进步，但作为一
订全新的学科，很多方面有持提高和完善．
· 科学可视化的算法和数据结构仍然是一个重
要的研究方向·对于计算密集的可视化过程，算法和
数据结构上的一点小小的改进和提高 ，也能显著的加
快可视图象的显示速度．
· 由于提供高效超级计算环境的网络技术有了
很大的发展，科学计算可视化和高速网络的结台为超
级计算提供一十有效的分析计算环境，如何发展一些
有效的并行算法 ·在分布式环境下实现并行体绘制可
视计算。也是研究人员应该关注的问题．
· 正如早期的图形硬件技术用来加快图形处理
的速度一样．我们应该研制出针对可视技术的一些图
形加速设备，专门用于体绘制的真三维显示器或者说
直接体显示设备(DDVD)．这是可视硬件设计人员应
尽快解决的问题 ．
5 结束语
可视技术的全部包括三大部分：程序设计可视辅
助·可视界面和可视化．本文简要舟绍了当前可视技
术研究热点的科学计算可视化的发展状况，指出了可
视化研究取得的主要成绩和存在的不足之处，并指明
了可视化技术的发展趋势．也是本人在可视化领域的
初步探索的结晶。
参考文献
[1]崔惶之·集 惶 ．现代有跟元软件方法 ．北京 ：国防工
业出版社，1995
[2]林 岔，聿 赖 ．工程应用可视化系坑的开发 ．计算机
工程与设计，I996．(2)
[3]唐泽圣 ．科学计算可视化于三维空何数据塌显示 ．计
算机学报．1993
[4]蔡 勘。黄柳晖·享晓棒．高速珂培环境中的科学计算
化 ．计算机科学 ．1996，“)
[5]泉盛嚼．章 华．划慎权．分布式计算环境中的并行傩
培削算法 ．软件学报 l996．(91
维普资讯
