计算机仿真(第7章-科学计算可视化)

COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY第7章科学计算可视化7.1科学计算的目的、意义与应用领域1．科学计算的目的、意义•目的：洞察，而不仅是获取数据。•通过科学计算来启发和促进人们对自然规律的更深度认识。从而发现新规律，建立新学科，并应用于生产实践。•科学研究方法：实验方法、理论方法、科学计算•以往，科学研究方法是采用实验方法和理论方法。计算机的诞生为技术革命带来新的方法，即科学计算。本资料由-校园大学生创业网-提供在线代理提供部分资料减肥药排行榜提供部分资料COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY意义①模拟客观物理世界的过程。作为实验的代替或补充，检验理论，模型进行预测，模拟在实际中无法重复或实验的自然现象或社会现象。②发现新规律③科学定量化，利用数值实验对多个模型进行模拟与筛选。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY意义•科学计算作为一门工具性、方法性、边缘性的新学科，已经确立和得到发展。•实验、理论、计算已成为科学研究方法上不可缺少的三个重要手段。•科学计算在各种科学与工程领域中逐步形成了计算性学科分支，如：计算流体力学、计算物理、计算力学、计算化学、计算地震学等。•在核技术、气象、石油勘探、航空航天、密码破译中，计算是必不可少的重要工具。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2．科学计算的主要应用领域•核武器的研究与设计：核爆炸过程的细节、图像、数据。•飞行器：数值风洞实验。•大气科学：大气模拟、气象预报。•石油资源勘探：人工地震法，对人工地震法的反射信号处理。•资源调度、交通管理、生态环境：建立数学模型，实行动态分析、预测统筹和规划。•基础理论研究。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY3．科学计算可视化是科学计算中不可缺少的一个组成部分•科学计算主要部分：①很高的数值计算要求，是数值计算密集型计算机应用领域②计算过程中产生大量的数字信息•研究人员分析这些巨大的数据非常费时、费力，甚至不可能。因此必须借助科学计算可视化，即用直观的图形输出代替数字输出。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY7.2科学计算可视化的概念和作用1.科学计算可视化的概念•科学计算可视化(VisualizationinScientificComputing,ViSC)是发达国家80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。•1987年2月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议，与会者认为：将图形图像技术应用于科学计算是一个全新的领域。并指出：科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在科学计算过程中数据的变化情况。而这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术。•会议将这个涉及多学科的领域定名为科学计算可视化。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY概念•科学计算可视化：是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转化为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY主要功能•科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术结合在一起。•其主要功能是：①从复杂的多维数据中产生图形。②分析和理解存入计算机的图像数据。•它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术的多个领域。•科学计算可视化是对计算及数据进行搜索，及获得对数据的理解与洞察。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY科学计算可视化的覆盖学科符号与结构数据程序/数据交互设备图像与信号数据摄像机传感器扫描仪显示器图像理解（计算机视觉）（键盘、鼠标、数字化仪）图像信号（计算机图形学）交换（科学与符号计算）变换（图像处理学）COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY学科分类•ViSC处理数据分两类：•图像处理与信号数据－图像数据•符号与结构数据－抽象数据图像与信号数据符号与结构数据图像处理学计算机图形学图像与信号数据符号与数据结构数据计算机视觉科学与符号计算学科源数据结果数据COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.科学计算可视化的作用（1）提供可视化工具。为各大应用领域提供分析工具和手段，以便分析和显示大体积的、随时间变化的多维数据，并可快速而轻易地提取有意义的特征和结果。（2）控制计算过程。为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段，使研究人员能够跟踪和交互驾驭他们的模拟和计算，提高计算效率和质量。（3）洞察数据间的关系。利用工作站的良好性能、大容量存储空间、强大的图形设施，将图形和计算紧密结合，支持那些把视觉洞察力作为问题求解能力的应用领域。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.科学计算可视化的作用（4）动态模拟。利用工作站提供的强大计算能力，结合高速三维图形流水线（将处理的数据实时地变换为图形图像），进行实时动态模拟，并通过视觉对模型的性能或合法性进行有效分析，使在建模、模拟和动画等应用领域取得显著效益。（5）为数据提供表现方法，进一步研究数学模型和模拟方法，使之更加接近现实，为科学家增加获得新知识和新理解的可能性。（6）设计和模拟同时进行。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY7.3科学计算可视化的历史背景与发展概论•1986.10美国国家科学基金会召开“图形、图像处理与工作战”小型讨论会，确定ViSC为新研究领域。•1987.2召开“ViSC”研讨会，发表一篇论文，这篇论文标志ViSC的诞生。•80年代中期，随着超级计算机的应用和发展，科学计算可视化的需求越来越强烈。同时，图形图像技术的成熟发展，也为可视化的发展奠定了基础。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY7.4实现科学计算可视化的软、硬件要求1.硬件要求(1)高性能图形工作站(2)高传输速率的网络(3)大容量的外存储器(4)图形拷贝设备（静态画面，动态画面）COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.软件要求•（1）以图形显示物理量。用适当的图形表示方式显示数据场中各类物理量的分布情况，包括标量场、矢量场和张量场的图形显示。可视化图形与传统图形的区别在于它的主要表现在内的物理特性，而不是强调外观的真实感。•（2）提供三维数据场的体绘制能力。实现三维数据场的整体显示，通过控制透明性观察到数据场的内部结构。•（3）提供对数据场按任意角度进行切片的功能。可把复杂的三维问题简化为一系列二维平面来研究，减少分析的难度。•（4）实现动态显示。一方面能连续显示三维数据场任意方向上的所有切片，以反映整个数据场的结构，另一方面能连续显示数据场整体或部分随时间变化的情况。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.软件要求•（5）多维数据的可视化技术。•（6）数据场和物体外形的合成技术。•（7）科学数据的模型、结构与格式，科学数据的管理与操纵。•（8）交互式数据可视化分析。如交互改变观察点的位置和方向，观察数据场的各个部分。交互改变颜色与其索引之间的关系，突出感兴趣部分的物理特征，对画面进行局部放大，对感兴趣的部分进行仔细分析，多幅画面的叠加和比较等。•（9）实现驾驭式计算可视化。•（10）系统的可扩充性和友好的人机界面。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY7.5科学计算可视化实现的基础7.5.1硬件基础１．可视化硬件平台•ViSC是科学计算与图形图像技术的结合。•可视化工具：包括硬件平台、可视化软件两大类。•可视化硬件平台包括：（1）计算机：超级计算机是大型科学计算和数据处理的理想平台，图形工作站是图形图像处理的理想平台。（2）外设。•ViSC的硬件平台模式主要有三种：集中处理模式、分布式处理模式、后置式处理模式COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY集中处理模式超级计算机计算图形终端或工作站图形工作站高速通道或网络（计算与可视化在一台机器上）COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY分布式处理模式超级计算机图形工作站图形工作站图形工作站网络数据操纵与可视化映射图形绘制网络图形工作站图形工作站图形工作站图形工作站COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY后置式处理模式•特殊的分布式处理，科学计算与可视化之间无交互。•超级计算机产生数据存入磁盘，然后拷贝到图形工作站进行可视化分析，耽误一定时间。超级计算机磁盘图形工作站COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY２．图形输入设备•输入设备应能使用户与其数据图示进行交互，甚至来直接从数据源来处理数据。•鼠标：光电式和机械式两种。用于二维交互，也可模拟三维输入（二维序列）。•数据手套：利用各种传感器技术，解释手在三维空间的位置和方向。•空间球：外表类似于跟踪球，但它不移动，而只是感应所加的力。空间球具有感应转矩，适合表示旋转。同时也可表示平移。用户移动，而空间球不动。因此物体移动不受限制（数据手套受限）。•输入设备还有数字照相机、数字化仪、开关板、三维定位器等。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY３．图形输出设备•彩色硬拷贝：打印机、图形硬拷贝机•头盔显示器：输入一对立体视图。使用户观察到图像（虚拟世界）。用户通过眼镜以三维立体画面的形式观察虚拟现实，头向某一方向移动引起图像向另一方向移动而达到补偿.•头盔显示器和数据手套是未来可视化系统的重要组成部分。•视频输出设备：使用视频录像机。•光栅扫描图形显示器：最常用的输出设备，一般分辩率为1280*1024,刷新率≧60帧/秒。每一象素用24位二进制表示。型号（厂家）分辩率视场角重量（kg）大致价格Etephone2(VPL)CyberfaceⅡ(LEEPSystems)HMD-131(VR.Inc.)LCD360×240LCD479×23490°水平60°垂直140°水平50°对角2．411．5＄11,000＄8,000＄70,000几种头盔显示器对比CRT-mono1280×1024(30Hz)640×480(60Hz)COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY7.5.2图形软件•图形软件只是提供对可视化系统的支持