2006年 6月
第 22卷 第 3期
思茅师范高等专科学校学报
Journal of Simao Teachers’Collei
Jun．2006
Vo1．22 No．3
科学计算可视化技术的研究进展
李燕梅
(Il盘沧教育学院信息科学与技术系，云南 临沧 677000)
【摘 要】 科学计算可视化作为20世纪80年代后期在计算机图形学的基础上发展起来
的一种全新的计算风格，日益受到人们的重视。本文介绍了可视化提 出的背景及其特点，重点
介绍了当前可视技术的热门研究——面向网格的可视化技术，最后介绍了它的发展趋势以及
将来的研究方向。
【关键词】 科学计算可视化；并行／分布式计算；网格计算
【中图分类号】TP301 【文献标识码】A 【文章编号】1008—8059(2006)03—0038—03
1 引言
科学计算可视化是当前计算机学科的一个重
要研究方向，这一科学术语正式出现于 1987年 2
月美国国家科学基金会召开的一个研讨会上。研
讨会发表的总报告给出了科学计算可视化的定
义、覆盖的领域以及近期与长期的研究方向。从
此美国国家科学基金会的几个学部开始支持可视
化的研究项目。稍后，欧洲也开始支持科学计算
可视化的研究计划。从 1990年起，美国 IEEE计
算机学会开始举办一年一度的可视化国际学术会
议，这标志着“科学计算可视化”作为一个学科已
经成熟，它的应用遍及所有应用计算机从事计算
的科学与工程学科，并且获得了巨大效益。_l J
2 科学计算可视化的特点
科学计算可视化意指运用计算机图形学技术
和图像处理技术，将通过科学计算或者数据采集
获得的数据(如有限元分析数据，医学数据)转换
为图像的过程。_1 2[2 J可视化将人无法直接观察的
数据转变为人可以接受的视觉信息，如果离开了
可视化，很多数据将由于无法被理解而变得毫无
意义，这一技术正成为科学发现和工程设计以及
决策的强有力的工具。
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科学计算可视化可由三种处理方式来实现，
即事后处理、跟踪和驾驭。事后处理就是把计算
与计算结果的可视化分成两个阶段进行，二者之
间不发生相互作用，效率较低。跟踪处理要求实
时地显示计算过程中产生的结果，以便使研究人
员了解当前的计算情况，当发现错误或认为没有
必要继续往下计算时，可停止当前计算开始一个
新的计算。驾驭处理不仅能使研究人员实时地观
察到当前计算状态，而且能对计算进行实时干
预。[3][ ]
科学计算可视化的形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。另一方面因无法及时解释和利用
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
将大量枯燥的数据以图形图像这种直观的方式显
示出来，使观察者可以准确地发现隐藏在大量数
据背后的规律，从而帮助人们更好地理解和分析
这些数据 。
【收稿日期】2006—04—25
【作者简介】李燕梅 (197o__)，女，云南鹤庆人．-临沧教育学院信息科学与技术系讲师，主要从事计算机专业教学科研工作。
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李燕梅：科学计算可视化技术的研究进展
3 面 向网格的可视化研究
科学计算可视化作为一种计算和数据密集型
应用，往往需要较高的硬件配置，并常常利用并行
技术进行加速。90年代中后期以来，计算机硬件
和网络技术获得长足发展，图形硬件性能急速提
升，分布式可视化的分布范围逐步扩大。 J
受制于计算机硬件和网络性能，早期的并行／
分布式计算平台主要为高端并行机，随着计算机
网络的发展，并行可视化的理想平台逐渐从高端
并行机和工作站，拓展到集群和普通联网计算机，
其中 Pc集群由于其高性价比逐渐成为并行计算
和并行可视化的首选平台。在科学计算分布范围
不断拓展，计算规模不断扩大的背景条件下，可以
预见，随着互联网的进一步普及和阿络带宽的进
一 步提高，科学计算和网络应用将更趋分布化，其
获取资源和提供服务的范围将拓展到整个互联
网，网格计算 J就是在这种大背景下兴起的。
网格计算由20世纪 80年代的超级计算问题
衍生而来，其目的是利用分布在网络上的存储和
计算资源，通过对它们的动态组合为解决超级计
算问题提供支持。网格是一个思想，是一种技术，
也是一类中间件。作为一种仍在不断完善和发展
的技术，广义上可以认为网格是一种面向互联网
的分布式计算技术和中间件。与传统并行／分布
式科学计算存在的分布范围小、异构适应性差、缺
乏互操作性等缺点相比，网格计算提供了一种面
向互联网的，跨越各种异构平台的，整合各种资源
的统一的计算模式。 J
3．1面向网格可视化的主要研究内容
面向网格的可视化，其字面含义是受网格支
持的可视化，或网格驱动的可视化，指的是利用网
格的功能，为并行／分布式可视化提供基础性支
撑。图 1为面向网格的可视化说明示意图。
套
用户
彻 汇
：：=． 工作站
图 1．面向网格的可视化示意图
网格支持互联网范围的可视化应用，它对于
可视化应用的意义有以下几个方面。 J
第一，随着科学计算和医学等应用的发展，可
视化数据集的存储量和计算量不断增大。很明
显，如此大规模数据的存储和可视化在单机上很
难完成，必须考虑使用更大范围内的计算和存储
资源。如今并行／分布式可视化的硬件平台随着
Pc硬件性能的提高和网络带宽的逐步增加，有不
断分散化的发展趋势，这种趋势的存在和发展使
得可视化需要使用更广范围内的联网计算机。联
网计算机将为可视化提供更多的存储、计算和绘
制资源选择。但是与传统的并行机和集群相比，
联网计算机数量众多，资源动态变化 ，且具有异构
的软硬件体系结构，传统的基于静态资源的并行／
分布式可视化方法很难适用于这样的动态异构环
境。而网格为管理大量的动态异构资源提供了支
撑技术，在网格所提供技术的基础上，可以实现自
治和动态的资源管理。因而可以利用更广范围内
的资源，增强人们理解和使用科学数据的认知能
力，扩充海量数据处理的能力，延伸人类科学活动
的范围。
第二，可视化应用的高资源需求性必然限制
其可访问性，近年来，虽然 Pc处理器和图形硬件
的性能在以惊人的速度成长，但是仍然难以处理
较大型数据的绘制，因此，长期以来，大数据量的
可视化应用只能运行在高端并行计算机和 Pc集
群上，往往需要远程使用。随着互联网的普段，远
程可视化的空间进一步扩大了。与基于web的远
程可视化相比，网格提供了一个更为统一的资源
共享和使用平台，在这个平台上协调各种资源提
供远程可视化服务存在很多新的挑战，因为需要
处理数据、计算和显示等多种类型的分步。
第三，作为一种分布式可视化应用，面向网格
的可视化应用应当支持多用户多任务，多个不同
用户应该可以同时使用系统而互不干扰，同时每
个用户又可以提交多个任务，这是面向网格可视
化应用的应有之意。另外，面向网格的可视化还
应该为多用户间的协同提供支持。协同也是网格
的一项重要特征。网格提供虚拟组织支持，这种
虚拟组织的概念除表现为资源的虚拟化外，更突
出表现为多个用户之间的协作。
第四，科学计算和可视化都是网格的主要应
用对象。可视化通常是科学计算的后续处理步
骤，为了更好地对科学计算结果进行可视化和驾
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国
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驭，需要在可视化流程和科学计算过程之间进行
协调和集成。通过这种集成可以更好地获得反馈
并进行控制，提高资源的利用效率，方便问题求解
环境的构建。 ‘
3．2面向网格的可视化的研究现状与发展方
向
由于可视化对于科学计算的重要作用，面向网
格的可视化已经成为一个新的研究方 向。IEEE
Computer Graphics&Applications杂志为此在 2003
年3月报出了网格可视化专集。美国，欧洲等在面
向网格的可视化领域进行了较多研究，这些研究的
侧重点有所不同，有些利用网格完成并行体绘制，
有些是为现有可视化软件添加网格支持，有些侧重
于大规模数据集的传输，有些则致力于面向网格的
可视化中间件和体系结构。[7][。]
在面向网格的可视化领域，国内也正进行着
有益的探索，浙江大学 CAD&CG国家重点实验室
实现了一个面向网格基于 Java的交互式远程并
行可视化体系结构和系统 Gvis，Gvis由网格支撑
层、可视化层和网格门户层组成，支持对可视化资
源的动态管理、自治组织，支持对可视化任务的自
主管理和调度，对大规模体数据的并行绘制和远
程使用，是一个较为全面的面向网格的可视化系
统。
可视化作为资源计算密集型应用和科学计算
的重要后续处理步骤，在网格研究中占有重要地
位。但作为一全新的研究领域，很多方面有待进
一 步的深入和完善。L7]
一 是并行可视化在规模上的继续扩张
网格可以集中网络资源为大型科学计算任务
服务，而大规模数据的可视化恰恰需要这种计算
和数据处理能力。使用更多的计算资源，处理更
大的数据是面向网格可视化的重要研究方向。今
天，数据存储已经进入 T字节和 P字节时代，而使
用几千个 CPU的计算任务也已经很常见。计算
量和数据量的增大将对系统的可扩展性，容错性，
分布式数据的处理等多方面提出更高的要求，系
统架构可能会因此发生较大变化，这些需要面向
具体的应用进行深入研究。
二是面向网格的协同可视化
协同可视化在协作科研、远程医疗、远程教
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学、远程设计等领域有着重要作用。网格为协同
可视化提供了资源管理和虚拟组织支持，目前面
向网格的协同可视化还少有研究 ，是一个值得关
注的研究点。网格将为协同可视化提供更好的任
务处理和用户协作支持。
三是面向网格的科学计算与可视化的集成
科学计算是网格研究的原动力，目前也仍然
是网格应用的主要对象。可视化由于与科学计算
的紧密关系，与网格计算有着非常密切的联系。
但是通常情况下，可视化过程是科学计算的后续
处理步骤，科学计算过程与可视化过程之间是割
裂的。如何在科学计算过程和可视化过程之间实
现更紧密的集成，通过可视化实现对科学计算过
程的操控，对于特定领域的科学计算任务有着重
要意义 。
科学计算与可视化紧密相连，一方面因为科
学计算的结果需要通过可视化转变为直观的视觉
信号，另一方面数据的可视化计算本身也是科学
计算的一种，也需要巨大的计算量。正因为如此，
并行／分布式可视化是并行／分布式计算的一类重
要应用，从 1一WAY到网格都将可视化和虚拟环
境作为一种重要应用。可视化与科学计算之间互
相推动，互相促进，随着科学计算逐渐向网格计算
方向发展，可视化也必然会适应这种变化，从传统
的并行可视化走向支持网格、利用网格、服务网格
的面向网格的可视化。
[参考文献]
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[责任编辑：赵延惠]
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