9.2.1 科学可视化应用
科学计算可视化的应用领域十分广泛,几乎可以应用于自然科学及工程技术所包含的一切领域。
(1)医学
尽管计算机断层扫描及核磁共振图像已广泛应用于疾病的诊断,但是,这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像。医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状,“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系,这给治疗带来了困难。科学计算可视化技术可以由一系列二维图像重构出三维形体,并在计算机上显示出来。在此基础上就可以实现矫形手术、放射治疗等的计算机模拟及手术规划。例如,髋关节发育不正常在儿童中并不少见,当作矫形手术时,需要对髋关节进行切割、移位、固定等操作。利用可视化技术可以首先在计算机上构造出髋关节的三维图像,然后对切割部位、切割形状、移位多少及固定方式等的多种方案在计算机上进行模拟,并从各个不同角度观察其效果,最后由医生选择出最佳实施方案,从而大大提高矫形手术的质量。
(2)地质勘探
寻找石油矿藏是包括我国在内的许多国家的一项长期的战略性任务。其主要方式是通过地质勘探了解大范围内的地质结构,发现可能的含油构造,并通过测井数据了解局部区域的地层结构,探明油藏位置及其分布,估计蕴藏量及勘探价值。由于地质数据及测井数据的数据量极其庞大,而且分布不均匀,因而无法根据纸面上的数据进行分析。利用可视化技术可以从大量的地质勘探数据或测井数据中构造出感兴趣的等值面、等值线,显示其范围及走向,并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系,从而使专业人员能对原始数据做出正确解释,得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。这不仅可以指导打井作业、减少无效井位,节约资金,而且可以大大提高寻找油藏的效率,具有重大的经济效益及社会效益。
(3)气象预报
气象预报的准确性依赖于对大量数据的计算和对计算结果的分析。一方面,科学计算可视化可将大量的数据转换为图像,在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、位涡、云层的位置及运动、暴雨区的位嚣及其强度、风力的大小及方向等,使预报人员能对未来的天气作出准确的分析和预测。另一方面,根据全球的气象监测数据和计算结果,可将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来,从而对全球的气象情况及其变化趋势进行研究和预测。(https://www.daowen.com)
(4)分子模型构造
使用交互式图形生成技术来观察复杂的化学物质始于20世纪60年代。目前,它已经是学术界和工业界研究分子结构及其相互间作用的工具。科学计算可视化技术的发展将使分子模型构造技术进一步发生变化。过去被认为是复杂而昂贵的方法,现在已经是一种分析和设计分子结构的有效工具。例如,与超级计算机相结合构造诸如蛋白质和DNA等高度复杂的分子结构,在遗传工程的药物设计中使用三维彩色立体显示来改进已有药物的分子结构或设计新的药物等。
(5)计算流体力学
飞机、汽车、船舶等的外形设计都必须考虑在气体、液体高速运动的环境中能否正常工作。过去的做法是:将所设计的飞机模型放在大型风洞里做流体动力学的物理模拟实验,然后根据实验结果修改设计。这种做法既浪费资金,又延长了设计周期。目前已实现了在计算机上建立飞机的几何模型,并进行流体动力学的模拟计算。这就是计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)。为了理解和分析流体流动的模拟计算结果,必须利用可视化技术在屏幕上将结果数据动态地显示出来。例如,用多种不同方法表示出每一点的流速和流向,表示出涡流、冲击波、剪切层、尾流及湍流等。
(6)有限元分析
有限元分析是20世纪50年代提出的适用于计算机处理的一种数值计算方法,它主要用于结构分析,是计算机辅助设计技术的基础之一。有限元分析在飞机设计、水坝建造、机械产品设计、建筑结构应力分析中得到了广泛应用。从数学的观点来看,有限元分析将研究对象剖分为若干个子单元,并在此基础上求出偏微分方程的近似解。应用可视化技术可实现形体的网格剖分及有限元分析结果数据的图形显示,即所谓有限元分析的前后处理,并根据分析结果,实现网格剖分的优化,使计算结果更加可靠和精确。
常见的用于科学可视化的工具有很多,如Tableau、Raw、Infogram、Visualize.ly、iCharts、chart.js、Gephi等,下面简要介绍Tableau。
