電磁場的三維可視化技術研究及實現(xiàn)分析

南京郵電大學電子科學與工程學院 徐 玭

?

電磁場的三維可視化技術研究及實現(xiàn)分析

南京郵電大學電子科學與工程學院 徐 玭

【摘要】隨著社會的不斷發(fā)展，在相關領域中，電磁環(huán)境越來越復雜。為了更好的應對這一情況，可采用電磁場的三維可視化技術，利用組織結構明確的動畫、紋理、顏色、形狀等視覺信號，對錯綜復雜的海量數(shù)據(jù)進行轉化。在系統(tǒng)動態(tài)過程模擬展示、復雜物理系統(tǒng)等方面，例如氣象、地質勘探、醫(yī)學成像、流體力學計算等，可以對該技術進行應用，具有較為良好的應用效果。

【關鍵詞】電磁場；三維可視化技術；研究及實現(xiàn)

0　前言

在電磁環(huán)境三維可視化技術中，基于三維立體空間電磁環(huán)境數(shù)據(jù)場中的點數(shù)據(jù)，通過對三維可視化技術的應用，對電磁場分布、地理環(huán)境等進行全面的展示，通過三維可視化的方式對其進行再現(xiàn)，從而將充足的依據(jù)提供給相應的工作。作為一種發(fā)現(xiàn)和理解知識的良好工具，在電磁環(huán)境中，可視化技術將會發(fā)展為最為關鍵的核心性技術和表現(xiàn)手段。

1　科學計算可視化技術

早在上世紀八十年代的時候，就提出了科學計算可視化的概念和研究。隨著醫(yī)學掃描、地球物理測量、射電天文望遠鏡、宇宙飛船、地球衛(wèi)星、超級計算機的發(fā)展和應用，產生了更大的數(shù)據(jù)?？茖W家期望能夠對這些數(shù)據(jù)進行應用、研究、分析，但是無奈數(shù)據(jù)量太過龐大，因此科學家只能進行存儲和收集信息，難以對如此海量的信息進行解釋，因而造成了信息的大量浪費。而在未來的發(fā)展中，科學數(shù)據(jù)量還將會成倍的增長[1]。此外，對于一些原始數(shù)據(jù)，如果通過圖像的方式出現(xiàn)，也必須進行處理，才能夠進行應用?？茖W計算可視化指的是在科學計算當中，通過對計算機圖像處理技術、圖形學技術的應用，采用圖像、圖形的方式對計算過程和計算結果進行轉化，并且在屏幕中進行顯示和交互處理。

在科學計算可視化技術中，對計算機輔助幾何設計、計算機視覺、數(shù)字圖象處理、計算機圖形學等技術都有著十分密切的聯(lián)系。在科學計算可視化中，對大量的實驗數(shù)據(jù)和計算數(shù)值進行轉換，使人們可以通過圖像的方式進行觀察和理解。在生成的圖像當中，能夠囊括大量的抽象數(shù)據(jù)，并且進行有機的組合，更加生動的展示其內容和聯(lián)系，從而讓人們對這些數(shù)據(jù)的內容和意義進行更為有效的了解。在科學計算可視化技術當中，主要包含了很多內容，在圖像和圖形參數(shù)中，對數(shù)學數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集進行映射，在圖像和圖形顯示算法和數(shù)據(jù)結構明確的基礎上，對海洋環(huán)境、地球等專業(yè)領域中的科學可視化問題進行研究。

2　三維場景實時渲染技術

在電磁場三維可視化技術中，為了對具有真實感的三維虛擬場景進行生成，需要進行大量的計算，因此在生成和顯示三維圖形的過程中，實時性是最為重要的要求之一[2]。三維實時場景中的實時性表現(xiàn)為實時計算和動態(tài)繪制運動物體的姿態(tài)和位置，在更新畫面時產生的閃爍程度應足夠平滑，最低也要達到10幀以上，才能夠達到人眼不會察覺的程度。對于場景中控制三維模型的方向和位置等人產生的交互動作，生成的圖形應當對相應的場景和環(huán)境進行迅速產生，延遲時間必須控制在最高0.25秒以內。由此可見，在三維場景的實時渲染當中，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構，以及硬件加速器的圖形處理能力，圖形生成加速技術等，都會對生成圖形的速度產生影響。

另外，圖形生成所需真實感程度、虛擬場景復雜程度、應用因素等，也會對其產生影響。目前，專用圖形處理器、高速高效CUP等，極大的提升了圖形工作站的性能，不過，仍然難以很好的實現(xiàn)實時仿真。與實時仿真環(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。對此，可以對軟件進行優(yōu)化和改善，將高效的算法和思想應用其中，對數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)結構等進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)圖形實時仿真效果的提升。利用可見性裁剪技術，能夠3D場景中，對可見部分進行確定，從而實現(xiàn)對復雜場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雜模型當中，可以運用實例技術進行處理，在內存中將相同的物體實例進行存放，通過縮放、旋轉、平移等操作，實現(xiàn)相同物體的不同位置[3]。

3　三維空間數(shù)據(jù)場可視化

在科學計算可視化技術當中，三維數(shù)據(jù)場可視化具有十分重要的意義，在科學計算當中，對于不可見、抽象、大量的三維空間數(shù)據(jù)場數(shù)據(jù)，更加深入的進行分析，并且采用圖像處理技術、計算機圖形學技術等，對計算機中的三維空間數(shù)字信息進行轉變，使其形成圖形或圖像信息的形式，或是隨著空間和時間發(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。通過這種方式，專業(yè)人員能夠對模擬和計算的過程進行觀察，在模擬當中，對相應的視覺交互方式進行提供和計算。在科學計算可視化中，其數(shù)據(jù)主要是對有限空間的離散采樣，在每個采樣點當中，包括一種或多種不同的采樣值，對該點的物理屬性值進行代表。其中的數(shù)據(jù)可通過試驗設備進行獲取，也可通過科學計算對三維數(shù)據(jù)場進行獲取。

在三維空間數(shù)據(jù)場當中，需要對張量、矢量、標量等進行可視化處理。其中張量是根據(jù)坐標對矢量進行轉換得到的[4]。矢量指的是對坐標系進行應用的方向、數(shù)字等性質表征量。標量則是指能夠脫離坐標系的數(shù)字性質表征量。可視化技術當中，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)類型。在可視化技術當中，數(shù)據(jù)都是存在于空間某一區(qū)域或時間某一時刻中的物理模型離散采樣，在采樣點進行數(shù)據(jù)定義?；诓煌膽?，采樣點之間存在的連接關系也不相同，形成的網格也具有不同形式。不論是何種類型的可視化，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　結論

在當前的社會當中，隨著科技的不斷發(fā)展，電磁場的復雜程度越來越高，數(shù)據(jù)量也越來越大。為了更好的對電磁場進行研究和控制，可采用三維可視化技術，利用立體、直觀、形象的圖形或圖像，對抽象、難懂的電磁場信息或數(shù)據(jù)進行轉換，從而能夠更好的對這些信息和數(shù)據(jù)進行分析、整理和應用。

參考文獻

[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)的研究與應用[J].系統(tǒng)仿真學報,2011(4):724-728+734.

[2]徐衛(wèi)亞,孟永東,田斌,談小龍,劉大文.復雜巖質高邊坡三維地質建模及虛擬現(xiàn)實可視化[J].巖石力學與工程學報,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)測數(shù)據(jù)場三維云圖實時動態(tài)可視化方法[J].巖石力學與工程學報,2012(S2):3482-3490.

[4]安愛民,張愛華,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現(xiàn)[J].電工技術學報,2013(S2):167-171.