科學(xué)計(jì)算可視化也稱為可視化，其定義為：“可視化是一種計(jì)算方法，它將符號(hào)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的幾何圖形，便于研究人員觀察其模擬和計(jì)算過(guò)程?？梢暬藞D像綜合，這就是說(shuō)，可視化是用來(lái)解釋輸入到計(jì)算機(jī)中的圖像數(shù)據(jù)，并從復(fù)雜的多維數(shù)據(jù)中生成圖像的一種工具?！?

　　也就是說(shuō)，科學(xué)計(jì)算可視化實(shí)現(xiàn)把計(jì)算中所涉及的和所產(chǎn)生的數(shù)字信息轉(zhuǎn)變成直觀的、以圖像或圖形信息表示的、隨時(shí)間和空間變化的物理現(xiàn)象或物理量呈現(xiàn)在研究者面前，使他們能夠觀察到模擬和計(jì)算，即看到傳統(tǒng)意義上不可見(jiàn)的事物或現(xiàn)象；同時(shí)還提供與模擬和計(jì)算的視覺(jué)交互手段。通常，科學(xué)計(jì)算可視化也稱為科學(xué)可視化(scientific visualization)或簡(jiǎn)稱(visualization)。由此可知，科學(xué)計(jì)算可視化的目的就是依靠人類強(qiáng)大的視覺(jué)能力，促進(jìn)對(duì)所考察數(shù)據(jù)更深一層的理解，培養(yǎng)出對(duì)新的潛在過(guò)程的洞察力。正如RichardHamming早期所指出的：“The purpose of computing is insight，not numbers．(科學(xué)計(jì)算的目的是匯聚洞察，而不僅是獲得數(shù)值)”。^[1]

　　(1)被可視化的對(duì)象空間數(shù)據(jù)不同

　　根據(jù)被可視化的對(duì)象是物理空間數(shù)據(jù)還是非物理空間數(shù)據(jù)來(lái)區(qū)分。一般來(lái)說(shuō)，如果是物理空問(wèn)場(chǎng)或工程建筑的空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，無(wú)論是可以看見(jiàn)的還是看不見(jiàn)的。其數(shù)據(jù)在物理空間上都有一個(gè)對(duì)應(yīng)位置，如多塊磁鐵相互靠近時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜磁場(chǎng)。而數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)一般來(lái)源于經(jīng)濟(jì)、商業(yè)、金融等領(lǐng)域，這些數(shù)據(jù)有具體大小，但它們不對(duì)應(yīng)一個(gè)物理空間意義，即不存在一個(gè)物理空間場(chǎng)，在某種意義下的數(shù)值剛好是該數(shù)值。但為了發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，數(shù)據(jù)可視化的方法就是將它們對(duì)應(yīng)到2維或3維空問(wèn)中，通過(guò)在空間場(chǎng)中對(duì)大量數(shù)據(jù)的展示，幫助人們管理、利用、認(rèn)知這些數(shù)據(jù)及其規(guī)律。常見(jiàn)的股票走勢(shì)k線圈就是典型的數(shù)據(jù)可視化例子。實(shí)際上，可以認(rèn)為科學(xué)計(jì)算可視化的數(shù)據(jù)只是數(shù)據(jù)可視化處理數(shù)據(jù)的一部分而已，即數(shù)據(jù)可視化不僅包括科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化，還包括工程數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。

　　(2)應(yīng)用范圍的不同

　　科學(xué)計(jì)算可視化的應(yīng)用范圍非常廣泛，已從最初的科研領(lǐng)域走到了生產(chǎn)領(lǐng)域，到今天它幾乎涉及到了所有能應(yīng)用計(jì)算機(jī)的部門。在這里，將簡(jiǎn)要列舉一些應(yīng)用的例子。在醫(yī)學(xué)上由核磁共振、掃描等設(shè)備產(chǎn)生的人涔器官密度場(chǎng)，對(duì)于不同的組織，表現(xiàn)出不同的密度值。通過(guò)在多個(gè)方向、多個(gè)剖面來(lái)表現(xiàn)病變區(qū)域，或者重建為具有不同細(xì)節(jié)程度的三維真實(shí)圖像，使醫(yī)生對(duì)病灶部位的大小、位置，不僅有定性的認(rèn)識(shí)，而且有定量的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)大腦等復(fù)雜區(qū)域，數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化所帶來(lái)的效果尤其明顯。借助虛擬現(xiàn)實(shí)的手段，醫(yī)生可以對(duì)病變的部位進(jìn)行確診，制定出有效的手術(shù)方案，并在手術(shù)之前模擬手術(shù)。在臨床上也可應(yīng)用在放射診斷、制定放射治療計(jì)劃等。地質(zhì)勘探利用模擬人工地震的方法，可以獲得地質(zhì)巖層信息。通過(guò)數(shù)據(jù)特征的抽取和匹配，可以確定地下的礦藏資源。用可視化方法對(duì)模擬地震數(shù)據(jù)的解釋，可以大大地提高地質(zhì)勘探的效率和安全性。

　　數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用也十分廣泛，幾乎可以應(yīng)用于自然科學(xué)、工程技術(shù)、金融、通信和商業(yè)等各種領(lǐng)域。下面舉例說(shuō)明數(shù)據(jù)可視化成功應(yīng)用的領(lǐng)域。油氣勘探利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以從大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)或測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中，構(gòu)造出感興趣的等值面、等值線，并顯示其范圍及走向，用不同顏色顯示出多種參數(shù)及其相互關(guān)系，從而使專業(yè)人員能對(duì)原始數(shù)據(jù)作出正確解釋，得到礦藏是否存在、礦藏位置及儲(chǔ)量大小等重要信息。這不僅可以指導(dǎo)打井作業(yè)，減少無(wú)效井位，節(jié)約資金，而且必將大大提高尋找油藏的效率，從而具有重大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

　　科學(xué)計(jì)算可視化的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎可以應(yīng)用于自然科學(xué)及工程技術(shù)所包括的一切領(lǐng)域。

　　1．醫(yī)學(xué)

　　盡管計(jì)算機(jī)斷層掃描及核磁共振圖像已廣泛應(yīng)用于對(duì)疾病的診斷，但是，這些醫(yī)療儀器只能提供人體內(nèi)部的二維圖像。醫(yī)生們只能憑經(jīng)驗(yàn)由多幅二維圖像去估計(jì)病灶的大小及形狀，“構(gòu)思”病灶與其周圍組織的三維幾何關(guān)系，這給治療帶來(lái)了困難。科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)可以由一系列二維圖像重構(gòu)出三維形體，并在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)。在此基礎(chǔ)上就可以實(shí)現(xiàn)矯形手術(shù)、放射治療等的計(jì)算機(jī)模擬及手術(shù)規(guī)劃。例如，髖關(guān)節(jié)發(fā)育不正常在兒童中并不少見(jiàn)，當(dāng)作矯形手術(shù)時(shí)，需要對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行切割、移位、固定等操作。利用可視化技術(shù)可以首先在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造出髖關(guān)節(jié)的三維圖像，然后對(duì)切割部位、切割形狀、移位多少及固定方式等的多種方案在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬，并從各個(gè)不同角度觀察其效果，最后由醫(yī)生選擇出最佳實(shí)施方案，從而大大提高矯形手術(shù)的質(zhì)量。

　　2．地質(zhì)勘探

　　尋找石油礦藏是包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家的一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略性任務(wù)。其主要方式是通過(guò)地質(zhì)勘探了解大范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)可能的含油構(gòu)造，并通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)了解局部區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)，探明油藏位置及其分布，估計(jì)蘊(yùn)藏量及勘探價(jià)值。由于地質(zhì)數(shù)據(jù)及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量極其龐大，而且分布不均勻，因而無(wú)法根據(jù)紙面上的數(shù)據(jù)作出分析。利用可視化技術(shù)可以從大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)或測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中構(gòu)造出感興趣的等值面、等值線，顯示其范圍及走向，并用不同顏色顯示出多種參數(shù)及其相互關(guān)系，從而使專業(yè)人員能對(duì)原始數(shù)據(jù)作出正確解釋，得到礦藏是否存在、礦藏位置及儲(chǔ)量大小等重要信息。這不僅可以指導(dǎo)打井作業(yè)、減少無(wú)效井位、節(jié)約資金。而且必將大大提高尋找油藏的效率，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

　　3．氣象預(yù)報(bào)

　　氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性依賴于對(duì)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析。一方面，科學(xué)計(jì)算可視化可將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出某一時(shí)刻的等壓面、等溫面、位渦、云層的位置及運(yùn)動(dòng)、暴雨區(qū)的位囂及其強(qiáng)度、風(fēng)力的大小及方向等，使預(yù)報(bào)人員能對(duì)未來(lái)的天氣作出準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)。另一方面，根據(jù)全球的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，可將不同時(shí)期全球的氣溫分布、氣壓分布、雨量分布及風(fēng)力風(fēng)向等以圖像形式表示出來(lái)，從而對(duì)全球的氣象情況及其變化趨勢(shì)進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)。

　　4．分子模型構(gòu)造

　　使用交互式圖形生成技術(shù)來(lái)觀察復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)始于60年代。目前，它已經(jīng)是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究分子結(jié)構(gòu)及其相互問(wèn)作用的工具?？茖W(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的發(fā)展將使分子模型構(gòu)造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)生變化。過(guò)去被認(rèn)為是復(fù)雜而昂貴的方法，現(xiàn)在已經(jīng)是一種分析和設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)的有效工具。例如，與超級(jí)計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)造諸如蛋自質(zhì)和DNA等高度復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，在遺傳工程的藥物設(shè)計(jì)中使用三維彩色立體顯示來(lái)改進(jìn)已有藥物的分子結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)新的藥物等。

　　5．計(jì)算流體力學(xué)

　　飛機(jī)、汽車、船舶等的外形設(shè)計(jì)都必須考慮在氣體、液體高速運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中能否正常工作。過(guò)去的做法是：將所設(shè)計(jì)的飛機(jī)模型放在大型風(fēng)洞里做流體動(dòng)力學(xué)的物理模擬實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修改設(shè)計(jì)。這種做法既浪費(fèi)資金，又延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。目前已實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上建立飛機(jī)的幾何模型，并進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的模擬計(jì)算．這就是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)。為了理解和分析流體流動(dòng)的模擬計(jì)算結(jié)果，必須利用可視化技術(shù)在屏幕上將結(jié)果數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。例如，用多種不同方法表示出每一點(diǎn)的流速和流向，表示出渦流、沖擊波、剪切層、尾流及湍流等。

　　6．有限元分析

　　有限元分析是5O年代提出的適用于計(jì)算機(jī)處理的一種數(shù)值計(jì)算方法，它主要用于結(jié)構(gòu)分析，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)之一。有限元分析在飛機(jī)設(shè)計(jì)、水壩建造、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中得到了廣泛應(yīng)用。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，有限元分析將研究對(duì)象剖分為若干個(gè)子單元，并在此基礎(chǔ)上求出偏微分方程的近似解。應(yīng)用可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)形體的網(wǎng)格剖分及有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)的圖形顯示。即所謂有限元分析的前后處理，并根據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格剖分的優(yōu)化．使計(jì)算結(jié)果更加可靠和精確。