1 引言
2 虚拟现实
图1 虚拟现实系统的基本组成3 科学计算可视化
科学计算可视化的形成是当代科学技术飞速发展的结果。进入80年代以后，超级计算机的仿真计算数据、卫星发回的地球资源信息数据、军事侦察数据、气象数据、海洋和地壳板块及地震监测数据、医学扫描图象数据等海量数据的产生与不能有效地解释这些数据的矛盾日益尖锐，因而迫切要求提供一种能处理和解释这些海量数据的技术，而科学计算可视化技术则就首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出，并形成的；其次，科学计算可视化丰富了信息交流手段，即科学家之间的信息交流不再局限于采用文字和语言，而是可直接采用图形、图象、动画等可视信息。科学计算可视化技术所提供的交互视觉计算与即时视觉反馈技术，使科学家能够对中间计算结果进行解释，以便及时发现非正常现象与错误，从而达到驾驭（动态调整）计算过程的目的。
图2 科学可视化
一些可视化应用只涉及到二维平面，每个二维平面点只有一个唯一的数值。对于这样的情况，一幅画面就可较好地反映这些数值。但是在许多可视化应用中（尤其是在现代工程仿真中）所涉及的常常是三维立体空间，因此可视化研究也多针对三维立体空间，由于在该三维立体空间中的每一点上都包含许多数据，并且这些数据是随着时间不断变化的（例如向量场中的流线），因此人们对这些数据的变化信息有时比对数据本身更感兴趣。由于三维空间情况的复杂性，因此人们一直希望能进行实时交互可视化，然而由于大量的数据和可视化处理所需的复杂计算，使得实时交互可视化变得非常困难。
以流体动力学场计算的可视化为例。一般对流体动力学场的计算产生5个参数，即速度的3个分量（三维空间）以及压力和能量。由于在一定时间内的几百甚至几千个步骤中，每一步都要计算几百万个点（在每一点上计算上述5个参数），而且在每一步，每一点的位置都要明确给定。这进一步增加了数据量，尤其是在仿真系统中，当这些点随着时间运动时所涉及的数据量会更大。为达到可视化的目的，还要产生流线，且每产生一条流线都需要几百个高精度的积分运算。若要产生几百条流线，其计算量是可想而知的。另外，如此大的数据量在磁盘上的存取，也给实时操作提出了很高的要求。
那么如何满足可视化的实时要求呢？虽然计算机硬件技术的进步（如处理器及磁盘速度的提高以及存储容量的增加）可以部分缓解上述的困难，但是在实时可视化中出现的新问题却要快于硬件技术的进步。例如在流体动力学场计算的可视化中，目前新出现的技术还要应用化学和空气结构动力学的理论。这无疑会大大增加需处理的数据量。
如何满足可视化的实时要求并没有一个一般的规则，有时通过对数据的提前计算；有时通过合理的数据管理来提高速度。具体地说，应从以下几个方面考虑：
（1）计算体系 即是选择标量、向量，还是并行的计算体系；
（2）选择合适的算法 一般来说，算法的速度和精度是一对矛盾。有时为了提高速度可以牺牲一些精度；
（3）选择合适的数据表达形式 为便于计算，有时需要对数据进行提前计算；
（4）认真地进行代码优化；
图3 LOD技术
在这当中，多分辨率模型，结合前面提到的LOD模型的数据压缩方法是最主要的一种方法。多分辨率模型是指一种紧凑的模型表示方法，从这个表示中可以生成任意多个不同分辨率的模型。它在使用时，充分考虑到人们对图象的视觉效果，当物体离视点的距离较远时，就可以使用较粗的LOD模型，反之则使用较细的细节层次模型；当场景中的物体处于运动状态时，物体也可以使用较粗的LOD模型描述，而当物体处于静止状态时，则使用较细的LOD模型。如在科学计算可视化中的等值面抽取算法中，它产生由大量三角面片组成的三角形网格，若要对这样的网格进行交互式考察，一种有效的方法就是使用多边形网格简化技术，以生成不同的LOD模型，然后根据不同的需要进行选用（例如在物体旋转时，可使用粗LOD模型）。另外，在地形可视化应用中，地形网格中的面片数目很大，也常使用多分辨率模型来描述地形数据。
4 虚拟现实与科学计算可视化的结合
图4 多学科CAE数据VR可视化（左侧轮毂应力云图）
图4 多学科CAE数据VR可视化（右侧车尾流线）
上面我们讨论了科学可视化系统的实时要求。科学可视化系统的另一个主要要求是要具有一个三维的、友好的人机界面，即这个界面应该使用方法比较自然，而给使用者的限制尽量少，并能提供真实的三维显示。虚拟现实界面至少应包括显示和用户控制两部分内容。
科学可视化系统要求有高质量、高分辨率的全彩色显示器。虽然对于大多数系统，分辨率为1000×1000象素的显示器就够用了，然而科学可视化系统往往又要求有很宽的视角。虽然同时满足这些要求是比较困难的，但目前已有一些产品能较好地满足这些要求，并得到广泛使用，如基于CRT的BOOM（Binocular Omni-Oriented Monitor）显示器和基于目标屏幕的CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）显示器等。这些产品都有较好的用户界面。
由于虚拟现实界面能够增加科学可视化在科学发现中的作用，因此虚拟现实系统需要有很强的交互能力，其中，最主要的是在三维空间中的定位能力。具体地说，应包括如下三个方面：（1）确定位置的能力；（2）确定在该位置上发生动作的能力；（3）对该位置及动作的反应能力（一般通过三维显示器）。
这里，确定位置一般是通过某种跟踪技术来跟踪使用者手的位置，而确定在某一位置发生的动作则可以借助传统的手动按钮装置。这种方法的优点是易于掌握；其缺点是跟踪装置必须持在手上，并需提供表示指令的方式。另一种确定动作的装置称手套装置，它能够根据使用者手的姿势来作出相应的反应。例如“抓”的姿势表示抓住或移动某物体，“指”的姿势表示指定某物体。
至于虚拟现实系统对使用者的交互方式，目前主要是通过高分辨率的三维显示器。当前的图形技术已比较成熟。从画点、线的基本算法到复杂的三维真实感显示技术都可供科学可视化的虚拟现实系统使用。另外，还有两种有潜力的交互方式，但目前还没有得到充分的研究和开发，其第一种是声音，因为恰当的声音也可以表示一定的数据、结果或环境；第二种是触觉，目前已有学者在进行该方面的研究。实验结果表明，触感及力度均可以表示数据及科学结果。目前在这一方面的研究已经取得了进展，并得到了应用。
在虚拟现实技术中，视觉无疑是最主要和最常用的交互手段。在计算机中构造出虚拟模型以后，如计算机的软硬件性能足够强，那么，该虚拟模型在屏幕上的图象就会随着观察者眼睛位置的变化而变化，因为这时虚拟模型的观察点是在观察者的眼睛上。这样，观察者就可以得到与在真实世界中同样的感受。随着图象的变化，再配以适当的音响效果，就可以使人们有身临其境的感受。
但是，当人们希望用手来触摸虚拟模型，或用手直接对虚拟模型进行操作时，只是视觉和听觉就无能为力了，因而需要研制和开发具有触觉功能的交互手段，也就是具有“力反馈”功能的装置。多年来，这一直是人们追求的目标。前几年，已经出现了震动型操纵杆等力反馈装置，但效果并不理想，也未得到广泛应用。最近，美国麻省Sens Able Technologies公司研制开发的具有力反馈的三维交互设备PHAN To M及其配套的软件开发工具GHOST，其性能良好，已获得了用户好评。PHAN To M系统是一个类似于小型机械手的装置，对于三维虚拟模型或数据具有定位功能，就如同二维鼠标对二维图象具有指示和定位功能一样。当PHAN To M的机械臂在工作空间中运动时，就会在计算机屏幕上出现一个指示针，反映机械臂在工作空间中的位置。通过碰撞检测等技术探测到指示针与虚拟模型接触时，计算机会发出信号，告诉机械臂接触到了虚拟模型，并将该模型的物理性质，如质量、软硬程度、光滑程度等反馈给PHAN To M系统，再由该系统产生相应的力传递给操作者，使其具有力的感受，从而实现了力反馈。这种具有力反馈的人机交互设备开辟了多种可能的应用领域，例如产品设计和制造、医疗领域的应用、基于触觉的计算机动画以及基于触觉的三维模型的概念设计等。
这同时向我们提出了挑战，即为了实现上述这些功能，必须要将目前的几何造型扩展到物理造型，即不仅要在计算机内描述模型的几何数据及拓扑关系，而且要描述模型的物理属性，也就是说不仅要给出模型是刚体、塑性体，还是弹性体，还要给出模型的质量、转动惯量以及模型表面的光滑程度等，否则，就不能体现出具有触觉的交互方式的巨大作用。这给造型技术提出了崭新的要求，但也是实现高水平的虚拟现实所必须迈出的一步。
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