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1． 引言 1

1.1 科学计算的目的、意义与应用领域 1

1.1.1 科学计算的目的、意义 1

1.1.2 科学计算的主要应用领域 2

1.1.3 科学计算可视化是科学计算中不可缺少的一个组成部分 4

1.2 科学计算可视化的概念与作用 5

1.2.1 科学计算可视化的概念 5

1.2.2 科学计算可视化的作用 5

1.3 科学计算可视化的历史背景与发展概况 6

1.3.1 历史背景 6

1.3.2 发展概况 8

1.4 实现科学计算可视化的软、硬件要求 9

1.4.1 硬件要求 9

1.5.1 硬件基础 11

1.5 科学计算可视化实现的基础 11

1.4.2 软件要求 11

1.5.2 图形软件 14

1.5.3 用户界面开发工具 16

1.5.4 数据库系统 16

1.5.5 科学数据格式 18

2． 可视化参考模型与系统框架 20

2.1 引言 20

2.2 高级模型 20

2.2.1 创造性思维模型 20

2.2.2 科学研究模型 21

2.3 数值模拟与可视化过程模型 21

2.3.1 数值模拟模型 21

2.3.2 可视化过程模型 22

2.4.2 模块化模型 23

2.4 框架模型与模块化模型 23

2.4.1 框架模型 23

2.5 可视化系统的功能 27

2.5.1 模块库 27

2.5.2 数据输入与输出 27

2.5.3 数据精度与误差 27

2.5.4 度量信息表示 28

2.5.5 分布式处理 28

2.5.6 后处理、跟踪与驾驭式可视化 28

2.6 可视化系统的性能 29

2.6.1 响应时间 29

2.6.2 人机界面 29

2.7.2 数据管理与操纵技术 30

2.7.1 可视化映射技术 30

2.7 可视化系统中的主要技术 30

2.6.4 成本与效益比 30

2.6.3 适用性 30

2.7.3 人机界面技术 31

2.7.4 系统实现技术 31

3． 可视化技术组成与分类 32

3.1 引言 32

3.2 可视化技术组成 33

3.2.1 建立一个经验模型 33

3.2.2 映射成抽象的可视化对象 33

3.2.3 可视化对象的实现 33

3.3 可视化技术分类 34

3.3.1 分类方法 34

3.3.2 实例说明 35

3.4.2 二维散布点图 36

3.4 点数据场技术 36

3.4.1 一维散布点图 36

3.4.3 三维散布点图 37

3.4.4 高维散布点图 37

3.5 标量场技术 37

3.5.1 一维域上的标量场 37

3.5.2 二维域上的标量场 38

3.5.3 三维域上的标量场 41

3.6 矢量场与张量场技术 42

3.6.1 二维矢量场 43

3.6.2 三维矢量场 43

3.6.3 张量场技术 44

3.7 图像处理技术 44

3.7.1 图像增强 44

3.7.3 图像变换 45

3.7.2 特征提取与分割 45

3.8 动画技术 46

3.8.1 动画 46

3.8.2 视频 47

3.9 人机交互技术 47

3.9.1 改变绘制方法 48

3.9.2 改变可视化技术 48

3.9.3 改变参数 48

3.9.4 改变相关数据 48

3.9.5 选择目标 49

3.9.6 标注图像 49

3.10 三维显示技术 49

3.10.1 前后关系 49

3.10.4 运动 50

3.10.2 透视、光照与浓淡 50

3.10.3 立体视图 50

4． 体数据可视化技术 52

4.1 引言 52

4.2 体数据介绍 52

4.2.1 体数据的来源 52

4.2.2 体数据场的类型 53

4.2.3 体数据的表达方式及数据结构 53

4.3 体数据可视化的方法 55

4.3.1 体可视化一般步骤 55

4.3.2 体可视化基本方法 56

4.4 体数据的分类 58

4.5 体数据的遍历 60

4.6.2 浓淡处理 61

4.6.1 观察方式 61

4.6 观察和浓淡处理 61

4.7 体可视化算法介绍 63

4.7.1 ContourConnecting算法 63

4.7.2 OpaqueCube算法 64

4.7.3 MarchingCubes算法 64

4.7.4 图像空间序RayCasting算法 66

5． 可视化中的数据管理与操纵 70

5.1 引言 70

5.2 数据源与数据分类 70

5.2.1 数据源 70

5.2.2 外部数据与内部数据 71

5.2.3 原始数据与导出数据 71

5.2.4 基本元素与逻辑集合 71

5.2.6 记录数据 72

5.2.5 几何数据与属性数据 72

5.2.7 关系数据 73

5.3 数据管理 73

5.3.1 数据描述与操纵语言 74

5.3.2 数据存档 75

5.4 数据格式 75

5.4.1 通用数据格式 76

5.4.2 专用数据格式 77

5.4.3 图形与图像数据格式 78

5.4.4 数据格式转换工具 80

5.4.5 标准化数据格式 80

5.5.2 过滤 81

5.5.3 平滑 81

5.5.1 数据规范化 81

5.5 数据变换 81

5.5.4 网格重新划分 82

5.5.5 坐标变换 82

5.5.6 线性变换 82

5.5.7 几何变换 82

5.5.8 数据分割 82

5.5.9 特征检测、增强和提取 82

5.5.10 颜色表操纵与特征映射 83

5.6 数据压缩 83

5.6.1 数据完整性 83

5.6.2 压缩技术 83

5.6.3 数据压缩标准 84

6． 可视化中的人机界面问题 86

6.1 引言 86

6.2.2 关于感知 87

6.2 可视化人机界面中涉及人的问题 87

6.2.1 关于认知 87

6.2.3 人文因素 89

6.2.4 关于组织 89

6.3 可视化人机界面中涉及系统的问题 90

6.3.1 关于适应性 90

6.3.2 关于模型 90

6.3.3 关于设备 90

6.3.4 关于对话管理 91

6.4 可视化人机界面设计中的困难 91

6.4.1 要求符合预期用户的行为习惯和应用需要 92

6.4.2 要求易学易用 92

6.4.3 涉及多种学科 92

6.4.4 界面设计有章难循 93

6.5.1 迭代式设计难 94

6.5.2 程序结构复杂 94

6.4.5 要求迭代式设计 94

6.5 可视化人机界面实现中的困难 94

6.5.3 实现多处理环境难 95

6.5.4 强健性要求高 95

6.5.5 测试难 95

6.5.6 现有语言支持不力 95

6.5.7 现有工具使用难 96

6.5.8 软件模块化困难 96

7． 可视程序设计语言与环境 98

7.1 引言 98

7.2 可视语言原理 99

7.2.1 归约图符 99

7.2.2 图符系统的形式说明 100

7.2.3 图符操纵者 101

7.2.4 作为图符系统的用户界面说明 103

7.2.5 可视语言编译器 104

7.3 可视界面设计原理 106

7.3.1 可视交互式范例 106

7.3.2 可视界面设计过程 110

7.4 可视程序设计环境原理 111

7.4.1 可视程序设计环境的定义 111

7.4.2 可视程序设计环境中的有关问题 112

7.5 数据流与可视程序设计原理 113

7.5.1 数据流程序设计语言 113

7.5.2 可视程序设计环境中的数据流机制 114

7.5.3 可视程序设计语言 115

7.5.4 可视程序设计语言的优势 116

7.6 可视程序设计系统实例分析 117

8.2 可视化软件分类 121

8.2.1 图形库和图形包 121

8． 可视化软件系统分类与实例 121

8.1 引言 121

8.2.2 Turnkey可视化系统 122

8.2.3 可视化应用建造器 123

8.3 可视化软件描述方法 123

8.4 Turnkey系统实例 124

8.4.1 几何观察器 124

8.4.2 专用科学数据可视化系统 125

8.5 可视化应用建造器实例 129

8.5.1 apE2.0 129

8.5.2 AVS 132

8.5.3 Khoros 133

8.5.4 Explorer 136

8.6 评价与展望 138

9． 科学计算可视化的应用 140

9.1 引言 140

9.2 计算流体力学可视化 140

9.2.1 CFD的一般过程及可视化技术 141

9.2.2 CFD中的网格划分 141

9.2.3 CFD场景建立技术 141

9.2.4 CFD可视化中的交互 143

9.3 气象学可视化 143

9.3.1 气象数据的可视化 144

9.3.2 当前气象可视化软件产品 144

9.4 医学可视化 146

9.4.1 医学图像模式 146

9.4.2 医学图像处理技术 146

9.5.1 分子图形学可视化的概念、表示方法及应用 151

9.5 分子图形学可视化 151

9.5.2 分子图形学可视化的主要技术 152

9.6 石油地震可视化 153

10． 并行与分布式科学可视化 155

10.1 引言 155

10.2 并行与分布式科学可视化技术 156

10.2.1 支持并行与分布式计算的科学可视化软硬件环境 156

10.2.2 支持并行与分布式计算的科学可视化软件结构 160

10.2.3 网络环境中的科学可视化任务分配和负载平衡 162

10.2.4 网络环境中数据的有效管理和访问 165

10.3 并行体绘制技术 166

10.3.1 多处理机环境下的体数据可视化并行处理 166

10.3.2 体数据可视化的专用体系结构及环境 169

10.4 并行与分布式科学可视化发展概况 170

10.5 并行与分布式科学可视化的未来发展趋势 172