计算机仿真(第7章 科学计算可视化).ppt

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。 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。 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。 2．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。 3．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。 7.2 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( Visualization in Scientific Computing ,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。 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。 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有哪些信誉好的足球投注网站，及获得对数据的理解与洞察。 科学计算可视化的覆盖学科 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 2. 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。 2. 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。 7.3 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。 7.4 实现科学计算可视化的软、硬件要求 硬件要求　 (1)高性能图形工作站 (2)高传输速率的网