电磁场的三维可视化技术研究及实现分析

2016-03-13南京邮电大学电子科学与工程学院

电子世界 2016年8期

南京邮电大学电子科学与工程学院徐玭

电磁场的三维可视化技术研究及实现分析

南京邮电大学电子科学与工程学院徐玭

【摘要】随着社会的不断发展，在相关领域中，电磁环境越来越复杂。为了更好的应对这一情况，可采用电磁场的三维可视化技术，利用组织结构明确的动画、纹理、颜色、形状等视觉信号，对错综复杂的海量数据进行转化。在系统动态过程模拟展示、复杂物理系统等方面，例如气象、地质勘探、医学成像、流体力学计算等，可以对该技术进行应用，具有较为良好的应用效果。

【关键词】电磁场；三维可视化技术；研究及实现

0　前言

在电磁环境三维可视化技术中，基于三维立体空间电磁环境数据场中的点数据，通过对三维可视化技术的应用，对电磁场分布、地理环境等进行全面的展示，通过三维可视化的方式对其进行再现，从而将充足的依据提供给相应的工作。作为一种发现和理解知识的良好工具，在电磁环境中，可视化技术将会发展为最为关键的核心性技术和表现手段。

1　科学计算可视化技术

早在上世纪八十年代的时候，就提出了科学计算可视化的概念和研究。随着医学扫描、地球物理测量、射电天文望远镜、宇宙飞船、地球卫星、超级计算机的发展和应用，产生了更大的数据。科学家期望能够对这些数据进行应用、研究、分析，但是无奈数据量太过庞大，因此科学家只能进行存储和收集信息，难以对如此海量的信息进行解释，因而造成了信息的大量浪费。而在未来的发展中，科学数据量还将会成倍的增长[1]。此外，对于一些原始数据，如果通过图像的方式出现，也必须进行处理，才能够进行应用。科学计算可视化指的是在科学计算当中，通过对计算机图像处理技术、图形学技术的应用，采用图像、图形的方式对计算过程和计算结果进行转化，并且在屏幕中进行显示和交互处理。

在科学计算可视化技术中，对计算机辅助几何设计、计算机视觉、数字图象处理、计算机图形学等技术都有着十分密切的联系。在科学计算可视化中，对大量的实验数据和计算数值进行转换，使人们可以通过图像的方式进行观察和理解。在生成的图像当中，能够囊括大量的抽象数据，并且进行有机的组合，更加生动的展示其内容和联系，从而让人们对这些数据的内容和意义进行更为有效的了解。在科学计算可视化技术当中，主要包含了很多内容，在图像和图形参数中，对数学数据或数据集进行映射，在图像和图形显示算法和数据结构明确的基础上，对海洋环境、地球等专业领域中的科学可视化问题进行研究。

2　三维场景实时渲染技术

在电磁场三维可视化技术中，为了对具有真实感的三维虚拟场景进行生成，需要进行大量的计算，因此在生成和显示三维图形的过程中，实时性是最为重要的要求之一[2]。三维实时场景中的实时性表现为实时计算和动态绘制运动物体的姿态和位置，在更新画面时产生的闪烁程度应足够平滑，最低也要达到10帧以上，才能够达到人眼不会察觉的程度。对于场景中控制三维模型的方向和位置等人产生的交互动作，生成的图形应当对相应的场景和环境进行迅速产生，延迟时间必须控制在最高0.25秒以内。由此可见，在三维场景的实时渲染当中，生成图形的速度发挥着重要的作用。其中，图形处理软硬件的体系结构，以及硬件加速器的图形处理能力，图形生成加速技术等，都会对生成图形的速度产生影响。

另外，图形生成所需真实感程度、虚拟场景复杂程度、应用因素等，也会对其产生影响。目前，专用图形处理器、高速高效CUP等，极大的提升了图形工作站的性能，不过，仍然难以很好的实现实时仿真。与实时仿真环境规模相比，在生成图形的速度方面，存在着较大的不足。对此，可以对软件进行优化和改善，将高效的算法和思想应用其中，对数据组织、数据结构等进行优化，从而实现图形实时仿真效果的提升。利用可见性裁剪技术，能够3D场景中，对可见部分进行确定，从而实现对复杂场景的交互式帧速率绘制。如果有不同位置、相同形状的物体存在于三维复杂模型当中，可以运用实例技术进行处理，在内存中将相同的物体实例进行存放，通过缩放、旋转、平移等操作，实现相同物体的不同位置[3]。

3　三维空间数据场可视化

在科学计算可视化技术当中，三维数据场可视化具有十分重要的意义，在科学计算当中，对于不可见、抽象、大量的三维空间数据场数据，更加深入的进行分析，并且采用图像处理技术、计算机图形学技术等，对计算机中的三维空间数字信息进行转变，使其形成图形或图像信息的形式，或是随着空间和时间发生变化的物理量、物理现象等，因而更具直观性和明确性。通过这种方式，专业人员能够对模拟和计算的过程进行观察，在模拟当中，对相应的视觉交互方式进行提供和计算。在科学计算可视化中，其数据主要是对有限空间的离散采样，在每个采样点当中，包括一种或多种不同的采样值，对该点的物理属性值进行代表。其中的数据可通过试验设备进行获取，也可通过科学计算对三维数据场进行获取。

在三维空间数据场当中，需要对张量、矢量、标量等进行可视化处理。其中张量是根据坐标对矢量进行转换得到的[4]。矢量指的是对坐标系进行应用的方向、数字等性质表征量。标量则是指能够脱离坐标系的数字性质表征量。可视化技术当中，决定性的因素包括数据表示几何图元维数、数据类型。在可视化技术当中，数据都是存在于空间某一区域或时间某一时刻中的物理模型离散采样，在采样点进行数据定义。基于不同的应用，采样点之间存在的连接关系也不相同，形成的网格也具有不同形式。不论是何种类型的可视化，基本的流程都是数据生成、数据与处理、映射、绘制、显示。