可視化技術(shù)

圖1 美國(guó)ADAC實(shí)驗(yàn)室給出的多種模態(tài)的融合圖象

由于EBCT血管造影圖像時(shí)間分辨率高，消除了呼吸及運(yùn)動(dòng)偽影，可以明確診斷各種主動(dòng)脈病變和顯示冠狀動(dòng)脈搭橋血管解剖結(jié)構(gòu)。三維重建圖像利于整體直觀地顯示病變，幫助明確診斷并指導(dǎo)手術(shù)。從而在主動(dòng)脈病變的診斷和冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)后的血管顯示方面，可望取代有創(chuàng)的常規(guī)血管造影

在可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)放射治療、矯形手術(shù)等的計(jì)算機(jī)模擬及手術(shù)規(guī)劃。例如，在做腦部腫瘤放射治療時(shí)，需要在顱骨上穿孔，然后將放射性同位素準(zhǔn)確地安放在腦中病灶部位，既要使治療效果最好,又要保證整個(gè)手術(shù)過程及同位素射線不傷及正常組織。由于人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且在不開顱的情況下，醫(yī)生無法觀察到手術(shù)實(shí)際進(jìn)行情況，因而要達(dá)到上述要求是十分困難的。利用可視化技術(shù)就可以在重構(gòu)出的人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維圖像的基礎(chǔ)上，對(duì)顱骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等劑量線等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，并選擇最佳方案。同時(shí)還可以在屏幕上監(jiān)視手術(shù)進(jìn)行的情況，從而大大提高手術(shù)的成功率。又如，有不少兒童的髖關(guān)節(jié)發(fā)育不正常，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，然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)切割部位、切割形狀、移位多少及固定方式等的多種方案進(jìn)行模擬，從而大大提高矯形手術(shù)的質(zhì)量。

2.油氣勘探

圖2 用PGS Tigress有限公司軟件顯示的油藏三維圖

多年前，人們就已經(jīng)找到了許多大型油氣田。目前石油工業(yè)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題是：如何尋找規(guī)模小而埋藏深的油氣田。除了尋找新油田之外，新技術(shù)的出現(xiàn)還允許我們通過改善分析和回收方法，使現(xiàn)存油田處于最佳狀態(tài)，并延長(zhǎng)很多油田的產(chǎn)油壽命?？茖W(xué)家和工程技術(shù)人員必須先對(duì)大量的地震勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的解釋，然后才能確定油田是否存在，并確定對(duì)地下資源的開采管理方案。油氣勘探的主要方式，是通過天然地震波或人工爆炸產(chǎn)生的聲波在地質(zhì)構(gòu)造中的傳播，來重構(gòu)大范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，并通過測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)了解局部區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)，探明油藏氣藏位置及其分布，估計(jì)蘊(yùn)藏量及其勘探價(jià)值。由于地震數(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，并顯示其范圍及走向，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。英國(guó)的PGS Tigress有限公司開發(fā)了數(shù)據(jù)的可視化軟件,已在全世界許多油田和天然氣開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。利用這種軟件，可以進(jìn)行地震數(shù)據(jù)處理、測(cè)井多井評(píng)估、模擬油氣的儲(chǔ)存和生產(chǎn)過程。不僅能確定油氣儲(chǔ)存的位置，而且便可以跟蹤油氣的運(yùn)動(dòng)，便于確定開采油氣的最優(yōu)路徑。我國(guó)大慶勘探開發(fā)研究院開發(fā)了地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，可以全方位、方便靈活地對(duì)三維數(shù)據(jù)體中的斷層、部面、層面及其內(nèi)部所包含的數(shù)據(jù)類別、地質(zhì)屬性進(jìn)行立體顯示，具有面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境，能滿足用戶的各種數(shù)據(jù)可視化要求。

3.氣象預(yù)報(bào)

圖3 美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局預(yù)報(bào)的北克拉羅多的天氣數(shù)據(jù)的三維圖象

氣象預(yù)報(bào)關(guān)系到億萬人民的生活、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全。對(duì)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)和預(yù)防將會(huì)大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。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、旋渦、云層的位置及運(yùn)動(dòng)、暴雨區(qū)的位置及其強(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，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)。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了氣象預(yù)報(bào)辦公室(WFO-Advanced)的高級(jí)版，其關(guān)鍵部分是顯示天氣數(shù)據(jù)的三維圖象。為此，該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了三維可視化軟件系統(tǒng)Display 3D(D3D)。利用這個(gè)系統(tǒng)可以將從氣球、地面站、雷達(dá)、飛機(jī)和衛(wèi)星等收集來的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，并在此基礎(chǔ)上及時(shí)跟蹤和評(píng)估當(dāng)?shù)氐闹匾獨(dú)庀笄闆r，從而及時(shí)準(zhǔn)確地作出天氣預(yù)報(bào)。通常情況下，氣象工作者將二維的層狀數(shù)據(jù)人為疊加來進(jìn)行分析，而運(yùn)用三維可視化，可讓氣象工作者從大量二維圖像計(jì)算中解脫出來，讓他們的精力集中于預(yù)報(bào)所需的實(shí)際數(shù)值。利用WFO-Advanced 和 D3D ，氣象工作者可以建立在4小時(shí)內(nèi)做出未來12-18小時(shí)的中尺度(20-200km)或區(qū)域預(yù)報(bào)模式。該軟件中的動(dòng)畫模塊可以生成圖像序列、顯示出動(dòng)態(tài)圖像。這一軟件的最大特點(diǎn)在于生成云霧十分逼真。我國(guó)軍事氣象部門最近開發(fā)的“軍用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，能高速處理數(shù)千個(gè)氣象臺(tái)站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)滾動(dòng)制作10天以內(nèi)逐日軍用天氣預(yù)報(bào)、軍事氣象要素預(yù)報(bào)和三維可視化信息。

4.工程

計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)行等多項(xiàng)內(nèi)容。可視化技術(shù)有助于整個(gè)工程過程一體化和流線化，并能使工程的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員看到和了解過程中參數(shù)變化對(duì)整體的動(dòng)態(tài)影響，從而達(dá)到縮短研制周期、節(jié)省工程全壽命費(fèi)用的目的。可視化技術(shù)可將多種來源的各種數(shù)據(jù)(包括表格數(shù)據(jù)、離散采樣數(shù)據(jù)、貼體坐標(biāo)數(shù)據(jù)、多重半結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)等)融合成三維的圖形圖像。