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1 什么是科学计算可视化科学计算可视化(简称可视化，英文是Visualization in Scientific Computing，简称ViSC)是计算机图形学的一个重要研究方向，是图形科学的新领域。
“Visualization”一词, 来自英文的“Visual”, 原意是视觉的、形象的，中文译成“图示化”可能更为贴切。
事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。
与计算机有关的如可视化界面（Windows），可视化编程（Visual C++）等。
但作为学科术语，“可视化”一词正式出现于1987年2月美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF ）召开的一个专题研讨会上。
研讨会后发表的正式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期研究的方向。
这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。
科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图象，以直观的形式表示出来。
它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。
研究表明，人类获得的关于外在世界的信息80%以上是通过视觉通道获得的。
经过漫长的进化，人类视觉信息处理具有高速、大容量、并行工作的特点。
常言所说“百闻不如一见”，“一图胜过千言”，就是这个意思。
这些特点早已为祖先们所认识和应用。
古长城上的烽火台，显示了先民的智慧，可以将重要的信息迅速大范围传递。
作为千百年来文明载体的“图书”，“图”是在“书”前的！“河图洛书”的传说，显示出“图”在我们文明的发端及以后的发展中所起的作用。
今天，设计图是借助纸张的媒介表达创意，工程图是现代工业生产的依据。
可视化依然继续着借助形象化方法表达人类意图的传统。
我们将看到，可视化技术产生的图是一种全新的形式。
计算科学中的数据可视化技术研究与应用在当今数字化的时代，数据正以前所未有的速度增长。
如何从海量的数据中快速有效地获取有价值的信息，成为了摆在人们面前的一个重要挑战。
数据可视化技术作为一种将数据转换为直观图形的手段，为解决这一问题提供了有力的支持。
它不仅能够帮助我们更好地理解数据，还能发现数据中隐藏的模式和关系，为决策提供依据。
数据可视化技术的基本原理是将数据通过各种图形元素，如点、线、面、颜色、形状等进行表达。
这些图形元素按照一定的规则和算法进行组合，形成具有特定意义的图表，如柱状图、折线图、饼图、散点图等。
通过对这些图表的观察和分析，我们可以直观地了解数据的分布、趋势、比例等特征。
数据可视化技术的发展历程可以追溯到很早以前。
在古代，人们就已经开始使用地图、图表等方式来展示数据。
随着计算机技术的发展，数据可视化技术得到了极大的提升。
从最初的简单二维图表，到如今的三维、动态、交互式可视化，技术的不断进步为我们提供了更加丰富和强大的工具。
在计算科学中，数据可视化技术有着广泛的应用。
在科学计算领域，科学家们常常需要处理大量的实验数据和模拟结果。
通过数据可视化，他们可以直观地观察数据的变化趋势，验证理论模型的正确性，发现新的现象和规律。
例如，在气象学中，通过将气象数据以地图和热力图的形式进行可视化，可以清晰地看到气温、气压、风速等气象要素的分布和变化情况，为天气预报提供重要的参考。
在数据分析领域，数据可视化是探索和理解数据的重要手段。
当面对复杂的数据集时，单纯依靠数据表格和统计数字往往难以洞察其中的规律。
而通过可视化工具将数据以图形的方式呈现出来，可以让数据分析师更快速地发现数据中的异常值、聚类模式和相关性。
例如，在市场营销中，通过将销售数据以柱状图和折线图的形式进行可视化，可以直观地了解不同产品在不同时间段的销售情况，为制定营销策略提供依据。
在机器学习和人工智能领域，数据可视化也发挥着重要的作用。
在训练模型之前，通过对数据进行可视化，可以帮助我们了解数据的特征和分布，选择合适的模型和算法。
计算机科学中的可视化技术计算机科学在不断发展和进步中，一项重要的技术就是可视化技术。
可视化技术是指将抽象的数据变成直观、图形化的形式，使人们可以通过观察这些图像来分析和理解数据。
它包括图表、虚拟现实、动画和图像处理等技术。
本文将重点介绍计算机科学中的可视化技术。
一、图表图表是一种将数据可视化的方法。
它们以图形的形式展示数据，使数据更加易于理解和分析。
常见的图表类型包括折线图、柱状图、饼图、雷达图和散点图等。
这些图表可以显示各种数据类型，包括数字、字母和符号等，以及它们之间的关系。
在计算机科学中，图表技术被广泛应用于数据可视化和数据分析。
例如，金融领域用图表来显示股票价格和交易量，医学领域用图表来显示治疗效果和疾病预后等。
图表技术不仅可以帮助人们更好地理解数据，还可以为决策者提供可靠的数据支持。
二、虚拟现实技术虚拟现实技术是一种可以模拟现实情景的技术。
通过使用计算机生成的环境和设备，用户可以在虚拟现实环境中进行交互。
虚拟现实技术可以提供更真实的、具有沉浸感的用户体验，这是传统媒体无法比拟的。
在计算机科学中，虚拟现实技术被广泛应用于游戏、仿真和培训等领域。
例如，医学领域可以使用虚拟现实技术来模拟手术和疗法，从而提高临床技能；游戏行业可以使用虚拟现实技术来创建更真实的游戏世界；航空航天等领域可以使用虚拟现实技术来模拟飞行和航海。
三、动画技术动画是一种通过连续变化的图像来创造动态效果的技术。
它可以通过计算机生成或手工绘制，用于视频制作、电影制作、游戏等领域。
计算机科学中的动画技术主要集中在计算机生成动画的方面，实现动画效果所需的计算量很大，需要动用高性能计算机来处理。
在计算机科学中，动画技术被广泛应用于虚拟现实、视频制作和游戏等领域。
例如，视频游戏行业使用动画技术来创建游戏角色和世界，从而提高游戏的沉浸感；电影工业可以使用动画技术来制作特效和艺术效果，从而创造独特的影片风格。
四、图像处理技术图像处理技术是指将数字图像纠正、增强和改善的技术。
6．地理信息的可视化6．1基本概念可视化(Visualization)是指在人脑中形成对某物（某人）的图像，是一个心理处理过程，促使对事物的观察力及建立概念等。
科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析。
把地学数据转换成可视的图形这一工作对地学专家而言并不新鲜。
测绘学家的地形图测绘编制，地理学家、地质学家使用的图解，地图学家专题、综合制图等，都是用图形(地图)来表达对地理世界现象与规律的认识和理解。
科学计算可视化与上述经典常规工作的最大区别是科学计算可视化是基于计算机开发的工具、技术和系统，而过去地学中的可视表达和分析是手工或机助的(计算机辅助制图)，并把纸质材料作为地图信息存储传输的媒介。
科学计算可视化，自从80年代末提出以后，得到了迅速的发展并成为一个新兴的学科，其理论和技术对地学信息可视表达、分析的研究与实践产生了很大的影响。
国际地图学会(ICA)在1995年成立了一个新的可视化委员会，并在1996年6月与计算机器图形协会(ACM SIGGRAPH)合作，开始一个名为“Carto-Project”的研究项目，其目的是探索计算机图形学的技术与方法如何更有效地应用在地图学与空间数据分析方面，促进科学计算可视化与地图可视化的连接和交流。
地学专家对可视化在地学中的地位和作用，已进行了比较深入的讨论，从不同的角度提出了与可视化密切相关的地图可视化、地理可视化、GIS可视化、探析地图学(Exploratory Cartography)、地学多维图解、虚拟地理环境等概念，但有不同的理解，对其相互关系的认识也不明确。
地理信息系统的多维可视化是指采用2.5维、三维和四维等地图表现形式来反映地理客体的多维特征，其中2.5维形式是图面上有隐藏部位的鸟瞰式地图表现形式，又称“假三维”，例如表示矿床的面层，可用显示为同分异状的等值线或不规则三角网中的小块平面来表示，而面上的高程值都不是一个独立的变量，在任一给定的位置仅能用一个高程值表示一个面。
基于 Ensight 的科学计算结果可视化薛伟伟;程长征【摘要】FORTRAN 和 C 等高级语言使用广泛，但计算结果多为数值文本。
通过编写数据接口，将 FORTRAN 边界元法程序的数值计算结果转换成 Ensight 输入文件，得出计算结果的场图像。
这种方法具备视觉效果好、开发工作量低、对硬件图形库有较好支持等特点。
同时，利用 Ensight 的功能，可进行数值观察、添加等值线等操作。
%FORTRAN and C programs are extensively used as numerical calculation tools by researchers in various fields,and the numerical results are usually output in the text format.A field image can be obtained using Ensight via establishing the data interface of the Ensight software,and converting text results of a FORTRAN boundary element method example into a Ensight input file.The advantages of this technique are good visual effect,low development effort,better graphics library for hardware sup-port and so on.In addition,observing the data and adding the equivalent line can be further accom-plished in Ensight.【期刊名称】《合肥学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(026)001【总页数】5页(P41-45)【关键词】Ensight;FORTRAN;可视化;科学计算【作者】薛伟伟;程长征【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009;合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TP314目前，计算机数值模拟逐渐成为解决工程和科学问题的主要手段。
科学可视化科学可视化（英语：scientific visualization或scientific visualisation）是科学之中的一个跨学科研究与应用领域，主要关注的是三维现象的可视化，如建筑学、气象学、医学或生物学方面的各种系统。
重点在于对体、面以及光源等等的逼真渲染，或许甚至还包括某种动态（时间）成分。
科学可视化侧重于利用计算机图形学来创建视觉图像，从而帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果。
概述美国计算机科学家布鲁斯·麦考梅克在其1987年关于科学可视化的定义之中，首次阐述了科学可视化的目标和范围：“利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式。
此类数字型表现形式或数据集可能会是液体流型（fluid flow）或分子动力学（molecular dynamics）之类计算机模拟的输出，或者经验数据（如利用地理学、气象学或天体物理学设备所获得的记录）。
就医学数据（CT、MRI、PET等），常常听说的一条术语就是“医学可视化（medical visualization）。
科学可视化本身并不是最终目的，而是许多科学技术工作的一个构成要素。
这些工作之中通常会包括对于科学技术数据和模型的解释、操作与处理。
科学工作者对数据加以可视化，旨在寻找其中的种种模式、特点、关系以及异常情况；换句话说，也就是为了帮助理解。
因此，应当把可视化看作是任务驱动型，而不是数据驱动型。
历史科学的可视化与科学本身一样历史悠久。
传说，阿基米德被害时正在沙子上绘制几何图形。
就像其中包含等值线（isolines）的地磁图（magnetic charts）以及表示海上主要风向的箭头图那样，天象图（astronomical charts）也产生于中世纪。
很久以前，人们就已经理解了视知觉在理解数据方面的作用。
作为一个利用计算机手段的学科，科学可视化领域如今依然还属于新事物。
科学计算可视化
1 什么是科学计算可视化
科学计算可视化(简称可视化，英文是Visualization in Scientific Computing，简称ViSC)是计算机图形学的一个重要研究方向，是图形科学的新领域。
“Visualization”一词, 来自英文的“Visual”, 原意是视觉的、形象的，中文译成“图示化”可能更为贴切。
事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。
与计算机有关的如可视化界面（Windows），可视化编程（Visual C++）等。
但作为学科术语，“可视化”一词正式出现于1987年2月美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF ）召开的一个专题研讨会上。
研讨会后发表的正式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期研究的方向。
这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。
科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图象，以直观的形式表示出来。
它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。
2科学计算可视化的意义
早期，由于计算机软、硬件技术水平的限制，科学计算只能以批处理方式进行，而不能进行交互处理，对于大量的输出数据，只能用人工方式处理，或者用绘图仪输出二维图形。
这种处理方式不仅效率低下，而且丢失了大量信息。
而近年来，随着计算机应用的普及和科学技术的迅速发展，来自超级计算机、卫星遥感、CT、天气预报以及地震勘测等领域的数据量越来越大，但由于没有有效的处理和观察理解手段，人们仅仅是将数据收集和存放起来。
因此，科学计算可视化技术已经成为科学研究中的必不可少的手段。
实现科学计算可视化技术的意义重大，具体来讲有以下几点:
（1）大大加快数据的处理速度，使目前每日每时都在产生的庞大数据得到有效的利用。
（2）实现人与人和人与机之间的图象通讯，而不是目前的文字或数字通讯，从而使人们观察到传统方法难以观察到的现象和规律。
（3）使科学家不仅被动地得到计算结果，而且知道在计算过程中发生了什么现象，并可改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。
（4）可提供在计算机辅助下的可视化技术手段，从而为在网络分布环境下的计算机辅助协同设计打下了基础。
总之，科学计算可视化技术的发展将使科学研究工具和环境进一步现代化，从而使科学研究的面貌发生根本性的变化，具有极为重要的意义。
3 科学计算可视化的过程
在科学研究领域，研究的主要目的是理解自然的本质。
科学家要达到这个目的，要经过从观察自然现象到模拟自然想象并分析模拟结果的过程。
在分析实验结果的过程中，可视化是一个十分重要的辅助手段。
可视化的过程可进一步细化为以下四个步骤：
（1）过滤：对原始数据进行预处理，可以转换数据形式、滤掉噪声、抽取感兴趣的数据等；
（2）映射：将过滤得到的数据映射为几何元素，常见的几何元素有：点、线、面图元、三维体图元和更高维的特征图标等；
（3）绘制：几何元素绘制，得到结果图象；
（4）反馈：显示图象，并分析得到的可视结果；
可视化的上述四个步骤是一个周而复始的循环迭代的过程。
由于研究人员并不知道原始数据集中那些部分对分析更重要，得靠实践探索，因此整个分析过程是一个反复求精的过程。
4 科学计算可视化研究的是什么
可视化的研究主要分为两大部分，可视化工具的研究和可视化应用的研究。
科学计算可视化研究的重点是有关可视化参考模型的内涵，即可视化过程的组成内容，其中包括：
（1）数据预处理：可视化的数据来源十分丰富，数据格式也是多种多样的，这一步将各种各样的数据转换为可视化工具可以处理的标准格式。
（2）映射：映射就是运用各种各样的可视化方法对数据进行处理，提取出数据中包含的各种科学规律、现象等，将这些抽象的、甚至是不可见的规律和现象用一些可见的物体点、线、面等表示出来的。
（3）绘制：将映射的点、线、面等用各种方法绘制到屏幕上，在绘制中有些物体可能是透明的，有些物体可能被其他物体遮挡。
（4）显示：显示模块除了完成可视信息的显示，还要接受用户的反馈输入信息，其研究的重点是三维可视化人机交互技术。
5 科学计算可视化的应用
从可视化技术的诞生之日起，便受到了各行各业的欢迎。
在过去的十年里，可视化的应用范围已从最初的科研领域走到了生产领域，到今天它几乎涉及到了所有能应用计算机的部门。
在这里，我们将简要列举一些应用可视化技术的例子。
（1）医学
在医学上由核磁共振、CT扫描等设备产生的人体器官密度场，对于不同的组织，表现出不同的密度值。
通过在多个方向多个剖面来表现病变区域，或者重建为具有不同细节程度的三维真实图像，使医生对病灶部位的大小、位置，不仅有定性的认识，而且有定量的认识，尤其是对大脑等复杂区域，数据场可视化所带来的效果尤其明显。
借助虚拟现实的手段，医生可以对病变的部位进行确诊，制定出有效的手术方案，并在手术之前模拟手术。
在临床上也可应用在放射诊断、制定放射治疗计划等。
（2）生物、分子学
在对蛋白质和DNA分子等复杂结构进行研究时，可以利用电镜、光镜等辅助设备对其剖片进行分析、采样获得剖片信息，利用这些剖片构成的体数据可以对其原形态进行定性和定量分析，因此可视化是研究分子结构必不可少的工具。
（3）航天工业
飞行器高速穿过大气层时周围气流的运动情况和飞行器表面的物理特性的变化，在现有的流场可视化技术下，可以非常直观的展现出来。
尤其是对飞行器的不稳定现象、超音速流的研究，这是计算流体力学里的新课题，借助可视化技术，许多意想不到的困难都可以迎刃而解了。
（4）工业无损探伤
在工业无损探伤中，可以用超声波探测，在不破坏部件的情况下，不仅可以清楚地认识其内部结构，而且对发生变异的区域也可以准确地探出。
显然，能够及时检查出有可能发生断裂等具有较大破坏性的隐患是有极大现实意义的。
（5）人类学和考古学
在考古过程中找到古人类化石的若干碎片，由此重构出古人类的骨架结构。
传统的方法是按照物理模型，用粘土来拼凑而成。
现在，利用基于几何建模的可视化系统，人们可以从化石碎片的数字化数据完整地恢复三维人体结构，因而向研究人员提供了既可以作基于计算机几何模型的定量研究，又可以实施物理上可塑的化石重现过程。
（6）地质勘探
利用模拟人工地震的方法，可以获得地质岩层信息。
通过数据特征的抽取和匹配，可以确定地下的矿藏资源。
用可视化方法对模拟地震数据的解释，可以大大地提高地质勘探的效率和安全性。
总之，科学计算可视化的发展，将使科学研究工具和环境进一步现代化，从而使科学研究的面貌发生根本性的变化，具有极为重要的意义。
科学计算可视化的常用方法
二维标量数据场是科学计算可视化处理的最简单的一类数据场，二维标量数据场是在某一平面上的一些离散数据，可看成定义在某一平面上的一维标量函数F=F(x,y)。
二维标量数据场可视化的方法主要有颜色映射法、等值线、立体图法和层次分割法等，这些方法的原理都比较简单。
三维标量数据场与二维标量数据场不同，它是对三维空间中的采样，表示了一个三维空间内部的详细信息，这类数据场最典型的医学CT采样数据，每个CT的照片实际上是一个二维数据场，照片的灰度表示了某一片物体的密度。
将这些照片按一定的顺序排列起来，就组成了一个三维数据场。
三维标量数据场方法主要有面绘制法，体绘制法。
矢量场同标量场一样，也分为二维、三维等，但矢量场中每个采样点的数据不是温度、压力、密度等标量，而是速度等向量。
矢量数据场方法主要有直线法，流线法。
大力推动我国可视化技术的发展
我国科学计算可视化技术的研究开始于90年代初。
由于数据可视化所处理的数据量十分庞大,生成图像的算法又比较复杂,过去常常需要使用巨型计算机和高档图形工作站等。
因此,数据可视化开始都在国家级研究中心、高水平的大学、大公司的研究开发中心进行研究和应用。
近年来，随着PC功能的提高、各种图形显卡以及可视化软件的发展, 可视化技术已扩展到科学研究、工程、军事、医学、经济等各个领域。
随着Internetr 兴起，信息可视化技术方兴未艾。
我国在80年代就开始进行科学计算可视化技术的研究和应用。
至今，我国不论在算法方面，还是在油气勘探、气象、计算力学、医学等领域的应用方面，都已取得了一大批可喜的成果。
但从总体上来说，与国外先进水平还有相当的差距，特别是在商业软件方面，还是空白。
因此，组织力量开发可视化商业软件，并通过市场竞争，促使其逐步成熟，已成为当务之急。
结束语
科学计算可视化作为一项新兴技术正在蓬勃发展。
它与虚拟现实技术、计算机动画技术、虚拟人体、数字地球，甚至与人类基因组计划等诱人的前沿学科领域有着密切的联系。
如何有效处理和解释包含大量信息的海量数据将是今后相当一段时间内，人类面临的巨大挑战。
