南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 徐 玭

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電磁場(chǎng)的三維可視化技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)分析

南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 徐 玭

【摘要】隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域中，電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。為了更好的應(yīng)對(duì)這一情況，可采用電磁場(chǎng)的三維可視化技術(shù)，利用組織結(jié)構(gòu)明確的動(dòng)畫(huà)、紋理、顏色、形狀等視覺(jué)信號(hào)，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬展示、復(fù)雜物理系統(tǒng)等方面，例如氣象、地質(zhì)勘探、醫(yī)學(xué)成像、流體力學(xué)計(jì)算等，可以對(duì)該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，具有較為良好的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】電磁場(chǎng)；三維可視化技術(shù)；研究及實(shí)現(xiàn)

0　前言

在電磁環(huán)境三維可視化技術(shù)中，基于三維立體空間電磁環(huán)境數(shù)據(jù)場(chǎng)中的點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)電磁場(chǎng)分布、地理環(huán)境等進(jìn)行全面的展示，通過(guò)三維可視化的方式對(duì)其進(jìn)行再現(xiàn)，從而將充足的依據(jù)提供給相應(yīng)的工作。作為一種發(fā)現(xiàn)和理解知識(shí)的良好工具，在電磁環(huán)境中，可視化技術(shù)將會(huì)發(fā)展為最為關(guān)鍵的核心性技術(shù)和表現(xiàn)手段。

1　科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)

早在上世紀(jì)八十年代的時(shí)候，就提出了科學(xué)計(jì)算可視化的概念和研究。隨著醫(yī)學(xué)掃描、地球物理測(cè)量、射電天文望遠(yuǎn)鏡、宇宙飛船、地球衛(wèi)星、超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，產(chǎn)生了更大的數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家期望能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用、研究、分析，但是無(wú)奈數(shù)據(jù)量太過(guò)龐大，因此科學(xué)家只能進(jìn)行存儲(chǔ)和收集信息，難以對(duì)如此海量的信息進(jìn)行解釋?zhuān)蚨斐闪诵畔⒌拇罅坷速M(fèi)。而在未來(lái)的發(fā)展中，科學(xué)數(shù)據(jù)量還將會(huì)成倍的增長(zhǎng)[1]。此外，對(duì)于一些原始數(shù)據(jù)，如果通過(guò)圖像的方式出現(xiàn)，也必須進(jìn)行處理，才能夠進(jìn)行應(yīng)用?？茖W(xué)計(jì)算可視化指的是在科學(xué)計(jì)算當(dāng)中，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，采用圖像、圖形的方式對(duì)計(jì)算過(guò)程和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并且在屏幕中進(jìn)行顯示和交互處理。

在科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)中，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖象處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)都有著十分密切的聯(lián)系。在科學(xué)計(jì)算可視化中，對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使人們可以通過(guò)圖像的方式進(jìn)行觀察和理解。在生成的圖像當(dāng)中，能夠囊括大量的抽象數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行有機(jī)的組合，更加生動(dòng)的展示其內(nèi)容和聯(lián)系，從而讓人們對(duì)這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容和意義進(jìn)行更為有效的了解。在科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)當(dāng)中，主要包含了很多內(nèi)容，在圖像和圖形參數(shù)中，對(duì)數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集進(jìn)行映射，在圖像和圖形顯示算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)明確的基礎(chǔ)上，對(duì)海洋環(huán)境、地球等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中的科學(xué)可視化問(wèn)題進(jìn)行研究。

2　三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染技術(shù)

在電磁場(chǎng)三維可視化技術(shù)中，為了對(duì)具有真實(shí)感的三維虛擬場(chǎng)景進(jìn)行生成，需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此在生成和顯示三維圖形的過(guò)程中，實(shí)時(shí)性是最為重要的要求之一[2]。三維實(shí)時(shí)場(chǎng)景中的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)為實(shí)時(shí)計(jì)算和動(dòng)態(tài)繪制運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)和位置，在更新畫(huà)面時(shí)產(chǎn)生的閃爍程度應(yīng)足夠平滑，最低也要達(dá)到10幀以上，才能夠達(dá)到人眼不會(huì)察覺(jué)的程度。對(duì)于場(chǎng)景中控制三維模型的方向和位置等人產(chǎn)生的交互動(dòng)作，生成的圖形應(yīng)當(dāng)對(duì)相應(yīng)的場(chǎng)景和環(huán)境進(jìn)行迅速產(chǎn)生，延遲時(shí)間必須控制在最高0.25秒以?xún)?nèi)。由此可見(jiàn)，在三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染當(dāng)中，生成圖形的速度發(fā)揮著重要的作用。其中，圖形處理軟硬件的體系結(jié)構(gòu)，以及硬件加速器的圖形處理能力，圖形生成加速技術(shù)等，都會(huì)對(duì)生成圖形的速度產(chǎn)生影響。

另外，圖形生成所需真實(shí)感程度、虛擬場(chǎng)景復(fù)雜程度、應(yīng)用因素等，也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。目前，專(zhuān)用圖形處理器、高速高效CUP等，極大的提升了圖形工作站的性能，不過(guò)，仍然難以很好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。與實(shí)時(shí)仿真環(huán)境規(guī)模相比，在生成圖形的速度方面，存在著較大的不足。對(duì)此，可以對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化和改善，將高效的算法和思想應(yīng)用其中，對(duì)數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)圖形實(shí)時(shí)仿真效果的提升。利用可見(jiàn)性裁剪技術(shù)，能夠3D場(chǎng)景中，對(duì)可見(jiàn)部分進(jìn)行確定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的交互式幀速率繪制。如果有不同位置、相同形狀的物體存在于三維復(fù)雜模型當(dāng)中，可以運(yùn)用實(shí)例技術(shù)進(jìn)行處理，在內(nèi)存中將相同的物體實(shí)例進(jìn)行存放，通過(guò)縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作，實(shí)現(xiàn)相同物體的不同位置[3]。

3　三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化

在科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)當(dāng)中，三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化具有十分重要的意義，在科學(xué)計(jì)算當(dāng)中，對(duì)于不可見(jiàn)、抽象、大量的三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)數(shù)據(jù)，更加深入的進(jìn)行分析，并且采用圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)等，對(duì)計(jì)算機(jī)中的三維空間數(shù)字信息進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使其形成圖形或圖像信息的形式，或是隨著空間和時(shí)間發(fā)生變化的物理量、物理現(xiàn)象等，因而更具直觀性和明確性。通過(guò)這種方式，專(zhuān)業(yè)人員能夠?qū)δM和計(jì)算的過(guò)程進(jìn)行觀察，在模擬當(dāng)中，對(duì)相應(yīng)的視覺(jué)交互方式進(jìn)行提供和計(jì)算。在科學(xué)計(jì)算可視化中，其數(shù)據(jù)主要是對(duì)有限空間的離散采樣，在每個(gè)采樣點(diǎn)當(dāng)中，包括一種或多種不同的采樣值，對(duì)該點(diǎn)的物理屬性值進(jìn)行代表。其中的數(shù)據(jù)可通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行獲取，也可通過(guò)科學(xué)計(jì)算對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行獲取。

在三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)當(dāng)中，需要對(duì)張量、矢量、標(biāo)量等進(jìn)行可視化處理。其中張量是根據(jù)坐標(biāo)對(duì)矢量進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的[4]。矢量指的是對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行應(yīng)用的方向、數(shù)字等性質(zhì)表征量。標(biāo)量則是指能夠脫離坐標(biāo)系的數(shù)字性質(zhì)表征量?？梢暬夹g(shù)當(dāng)中，決定性的因素包括數(shù)據(jù)表示幾何圖元維數(shù)、數(shù)據(jù)類(lèi)型。在可視化技術(shù)當(dāng)中，數(shù)據(jù)都是存在于空間某一區(qū)域或時(shí)間某一時(shí)刻中的物理模型離散采樣，在采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)定義?；诓煌膽?yīng)用，采樣點(diǎn)之間存在的連接關(guān)系也不相同，形成的網(wǎng)格也具有不同形式。不論是何種類(lèi)型的可視化，基本的流程都是數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)與處理、映射、繪制、顯示。

4　結(jié)論

在當(dāng)前的社會(huì)當(dāng)中，隨著科技的不斷發(fā)展，電磁場(chǎng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大。為了更好的對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行研究和控制，可采用三維可視化技術(shù)，利用立體、直觀、形象的圖形或圖像，對(duì)抽象、難懂的電磁場(chǎng)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而能夠更好的對(duì)這些信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]穆蘭,任磊,吳迎年,劉登坤,沈月偉,張霖.空間電磁環(huán)境可視化系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2011(4):724-728+734.

[2]徐衛(wèi)亞,孟永東,田斌,談小龍,劉大文.復(fù)雜巖質(zhì)高邊坡三維地質(zhì)建模及虛擬現(xiàn)實(shí)可視化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010(12):2385-2397.

[3]孟永東,蔡征龍,徐衛(wèi)亞,田斌,周建軍.邊坡工程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)三維云圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012(S2):3482-3490.

[4]安愛(ài)民,張愛(ài)華,張浩琛,王慧中,馬晶.同軸電纜的電磁特性可視化模擬與仿真實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013(S2):167-171.