文丨玖玖观天下

编辑丨玖玖观天下

前言

主要探讨电磁学中三维可视化的关键技术并对其未来的发展和应用进行展望，目前电磁学领域中常用的三维可视化技术，如有限元方法、有限差分法等以及可视化软件的应用，随后着重探讨在电磁学中三维可视化技术的创新与发展。

基于虚拟现实技术的交互式可视化、深度学习在可视化中的应用等，同时还将对三维可视化技术在电磁学研究和工程应用中的优势进行分析，包括辅助设计优化、教育培训、科学传播等方面的应用前景，进一步拓展其在科学研究和实际应用中的潜力。

GIS引擎的选型

主要介绍在实现电磁可视化、探测范围可视化以及航迹拟合时所需的关键技术，第一部分介绍搭建合适的地理地形，这是实现基于GIS的电磁效应态势可视化的基础，第二部分概述在三维体数据和面数据的来源以及组织形式。

数据的来源为后续研究提供了技术支撑，第三部分对常见的体绘制算法进行了比较，以确定后续电磁可视化以及探测范围可视化所用算法，为了能更好的解决处在不同地理位置上各种装备之间的电磁效应问题就需要构建电磁。

在实际情况中用频装备所处位置一定有相应的地形地貌，电波传播会受到地形地貌的影响因此尽可能仿真还原最真实的电磁效应态势时必须考虑地形地貌所产生的影响，基础地理信息数据的精确度直接关系到最终的电磁效应态势的准确性。

其中地理信息数据来源于GIS，GIS中有着精确的地理信息数据为了灵活且准确的表征实际的地形地貌特征，科学家经过多年的探索建立了数字高程模型，数字高程模型是用数字化描述地球上某一处位置的海拔高度的方式。

采用该模型能够搭建完整的三维数字地理信息，更加便捷的获取地表上建筑物以及地形的高程信息，在电磁效应计算中提供用频装备所处位置的高程数据，现有的GIS开发平台普遍使用的有ArcGIS、MapGIS、Cesium。

MapGIS是一款通用工具型地理信息系统软件可以对地形数据进行一体化管理和查询，Cesium是一个开源js库它可以用来显示海量三维模型数据、影像数据、地形高程数据、矢量数据等，GIS开发平台的特点对比所示：

综上所述Cesium相较于其他平台具有开源、渲染性能强的优点，将选择Cesium作为GIS的开发平台来构建基于DEM的大范围虚拟地理，并在此基础上进行电磁效应态势可视化的实现。

数据的来源

在三维空间中绘制目标图像之前首先要确定图像数据的来源，随着计算机技术的不断进步科学可视化得到了极大的推动涉及到科学可视化的领域也不断扩展，相应地科学可视化的数据来源也不仅仅局限于数学计算变得越来越广泛。

在三维空间中任何包含体细节的数据被称为体数据，其可以描述三维空间中的图像细节在几何角度来看体数据在几何上通常以网格化采样点的形式表现出来，是指不包含图像内部细节只有表面细节的数据。

体素是组成体数据的最小单元体数据中的一个采样点体素，一个体素表示三维空间中某个位置的标量值，类比到二维空间体素相当于二维空间中的像素，体数据的构建是实现可视化的基础。

在代码实现中通常以三维数组来存储体数据和面数据，科学可视化数据的来源一般有两种，一种是科学计算的结果例如有限元的计算、数学模型的计算等，还有一种是通过仪器测量而获得的数据例如地质勘探的数据等。

一般来说由科学计算或仪器测量得到的数据很少会是均匀连续的，因此通常会采用离散化的方式对科学可视化的数据进行组织，数据的来源不一样通常会使得数据的类型也不一样，在对不同类型的数据可视化时所采用的可视化算法也不相同。

数据类型是指离散空间中采样点的表现形式通常以两种角度进行区分，一种是按照数据本身的属性进行区分例如标量数据和矢量数据，标量数据是指在坐标变换下保持不变的物理量，标量是一个只有大小没有方向的数据值例如功率、长度等。

另一种是根据数据的分布性和关联性来划分用离散的数据来划分，一般情况下使用数据网格来对离散数据进行组织，根据数据网格的组织方式可以将数据网格划分成以下几种类型，其中均匀网格是规则网格的一种特殊的表现形式。

在实际情况中可以依据数据来源来选择合适的数据网格对数据进行离散化处理，在上述已有数据组织形式的基础上，基于Cesuim构建的大范围三维地理在三个研究内容中的数据来源和数据类型。

电磁的数据来源是根据发射机模型、干扰机模型以及用频装备所处的位置，结合ITM电波传播模型构建电磁的电波功率计算模型对现场电磁进行仿真计算，计算后得到三维空间各个采样点对应的标量值即体素。

只有获取了一定三维空间范围内各个位置的体素值，可以对电磁效应态势进行三维可视化表征，探测范围的可视化的数据来源是根据的俯仰角、方位角以及通过数学模型计算得到的最大探测距离。

体绘制算法

对电磁态势可视化时采用体绘制的算法常用的体绘制算法有三种，光线投射算法光线投射算法是一种应用范围广泛直接体绘制算法，它的主要流程是从视点出发发射一条光线当光线穿过包围盒中的体数据时，沿着光线的方向按照从前往后的顺序进行等距离重采样。

利用三线性插值计算出重采样点的光学属性，然后使用发射-吸收光学模型进行渲染最后合成图像，光线投射算法的主要优点是可以生成高质量、真实感强的图像，尤其适用于绘制体素特征相关性较高的数据。

但是光线投射算法的计算量大绘制速度较慢，针对这个问题提出了不同的算法去优化加速光线投射算法，比如基于CUDA的优化算法、基于GPU的硬件加速算法等，错切变形算法错切变形算法是目前最快的体绘制算法。

它的主要流程是将采样得到的体数据按照错切变换矩阵，转换到另一个错切的物体空间中形成中间图像然后再将中间图像经过变形生成最终图像，在此物体空间中投影方式的变化都更加简便且灵活，这个过程所需的计算量远远小于光线投射算法。

但是图形需要通过转换到错切空间得到中间图像，在此过程中重采样时会产生较大的误差所以最终图像容易变形和走样，抛雪球算法也称足迹法是一种以物体空间为序的直接体算法，该算法原理是将数据场视为一个能量源。

当体素投影到二维平面时以体素投影点为中心采用足迹函数计算扩散到图像像素上的能量，用高斯函数计算点或小区域像素的强度分布，按照其强度对图像的总体贡献并加以合成从而形成最终图像。

抛雪球算法主要围绕体素进行投影叠加计算出最终图像，极大的减少了需要处理和计算的体数据量提高了代码的运行速度，该算法的主要优点是抛雪球算法利用了体素本身的空间相关性但没有利用体素之间的相关性。

当显示方向改变时而投影到二维平面上能量分布将发生变化，那么就需要重新计算能量分布了增加了算法运行的时间，通过以上几种算法的对比光线投射算法虽然绘制速度较慢，但是其绘制的图形质量高且算法流程相对简单。

因此主要依据该算法来绘制基于GIS的现场电磁能量分布效果图，其主要优势有以下两点光线投射算法基于自然现象设计的算法，图像质量高绘制的图像与实际情况相差较小，光线投射算法计算过程不会因为观察方向的改变而变化。

三维关键技术

首先对三维数字地理的进行了描述，为后续基于GIS的电磁效应态势的可视化表征打下了基础，然后介绍了三维数据场中数据类型以及数据来源的如何获取并对如何获取三维空间中电磁的体数据进行了概述。

对常用的体绘制算法进行了比较最终采取光线投射算法，对基于GIS的现场电磁效果图进行绘制，三维可视化技术是一种通过计算机图形学、图像处理和数值计算等手段，将复杂的电磁学数据转换为直观、真实的三维图像展示。

在电磁学领域三维可视化技术可以帮助研究者更好地理解电磁现象和相互作用，优化电磁场仿真和设计过程提高电磁学研究的效率和精度，将重点关注电磁学中三维可视化的关键技术探讨其在电磁学研究中的应用和意义。

三维可视化的第一步是获取和处理电磁学数据，将介绍不同数据来源和采集方法包括实验数据采集、仿真数据导出等，同时将探讨如何对原始数据进行预处理、滤波和插值等操作以获得更加准确和清晰的三维数据。

在三维可视化中电磁学建模和网格化是关键的环节，常用的电磁学建模方法包括有限元法、有限差分法并讨论不同建模方法的适用范围和精度，同时将介绍网格化技术在三维可视化中的应用包括网格生成算法和网格优化方法。

三维渲染与显示技术是三维可视化的核心内容，包括光线追踪、体绘制并讨论不同渲染方法的优缺点，同时将探讨如何实现高效、逼真的三维显示以提高用户对电磁学数据的理解和分析能力及三维可视化技术在电磁学研究中的应用优势和潜力。

三维可视化技术将帮助研究者更直观、全面地认识电磁现象，优化电磁学仿真和设计过程推动电磁学研究的进一步发展，期望能够为电磁学中三维可视化技术的研究和应用提供新的思路和方法。

笔者观点

笔者认为三维可视化技术在电磁学中的应用将持续扩展，为电磁学领域的研究和应用带来更多可能性，随着科学技术的不断发展三维可视化技术将成为电磁学研究中不可或缺的工具，推动电磁学领域的进一步发展和创新。

同时应该重视三维可视化技术的教育培训，培养更多掌握这一技术的专业人才推动其在实际应用中发挥更大的价值，总的来说三维可视化技术将为电磁学的研究和应用带来新的突破和进展。

参考文献

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