计算科学与工程（简称CS&E）意为科研人员利用计算机来模拟物理过程，它同时开发另外两种技术：理论和实验（观察）。

除新方法外，新的技术和数学工具导致了科学革命。例如，微积分使牛顿得以用数学编写自然定律和研究出用于解决简单事实的分析方法，同样，冯诺曼计算机结构的研究使科学家们能够离散地描述关于普通与复杂事实的自然定律。目前，CS&E大多依靠图示来表示这些方法，使科学家们把大堆数字变成电影和用图形显示物理时空变量。

科学图示的专业术语是计算机图形和图像处理，它是跨越应用和技术边缘的通信形式，和用于发现、了解、通讯与教育的工具。

由于巨型计算机和其他大型数据系统（如医疗图像系统和卫星）产生数据泛滥，用户无法定量校验给定解和定性研究数解的普遍规律。

光栅图形的出现使科研人员能够把整段变量（表示密度、压力、速度和平均信息量等）转变成彩色图像，传给科研者的信息经过眼和脑的模式识别产生质变，这对纯数值数据是不可能的。例如，在计算流体力学的图示中，观察者看见固定的涡流面、激波系统和流程图，而若用几十万个数值表示则不可见，计算物理定律的时空解时，重要的不是每个时空对象的具体数量，而是全面理解描述解及其相关性的变量域结构。

当代大多数学科不再靠打印来通信，DNA序列、分子模型、医疗图像扫描、脑电图、地形模拟飞行和流体模拟等都采用不同时刻的图像来表示和用于教育。为了解、发现和传递事实，科学家们用图形显示各时刻参数关系，再把图形交给本地工作站来记录和演示若干片断的画面。

人类5千年的说和听留下了文字，而图形的忽视导致图示通信的发展落后于语言。尽管不是每人的办公桌上都放有显示器，但它可与计算机相连并放在大厅，或其他城市和国家，因此，能否利用图形进行计算机远程通信取决于计算机与计算机网络的性能、开销和可达性。

图示工具的设计者是图示科学家和工程师，即开发必备软硬件和系统的科研人员；用户是计算科学家和工程师，即用计算机研究工程和规范技术的专家。

科研人员需要在办公桌放上一台个人计算机或工作站，并同远程巨型机相连，但并非所有人需要相同功能的计算机，因此采用三层模型环境按诸如功能、开销和支撑软件因素来划分图示系统，科研人员用工作站访问巨型机，以便硬拷贝记录、本地图示功能的快速访问和巨型机的联网访问。工作站、微型机和图像机不仅是功能丰富和有效的图示工具，而且远比巨型机经济。美国已有2千万台个人计算机和工作站。同约200台巨型机相比，更多工作站用户把巨型机看成屏幕上的窗口，科学家们必须在巨型机和本地机应用系统之间作“修补”。科学家要和主机计算设备进行数据传送，而当前网络的图示处理太慢。一些技术暂时缓解对高频宽的需求，如图像的高峰传输、图像压缩、本地图像生成和用抽象表示生成图像，网络成为帮助科学家利用计算机功能的重要工具。

要认真考虑是否把图示用于个人分析，信息共享或作为正式场合的表达形式，和生产相片、幻灯片、录像带和激光盘的仪器。图示要易用，如把文本文件传给激光打印机。科学家需要专用图形生成工具以验证模拟的完整性，获取和传送分析结果。每台用户工作站应联上廉价的动画装置，以便科研人员制作科教片；所有研究中心应利用尖端图示功能与设施；利用尖端图示技术在研究工作收尾时表达和公布结果具有重要意义。

三层模型环境假定科学家尽量用图示直接计算。虽然巨型机提供了数据生成的强有力的数字处理工具，但目前不能产生图形，而是用阵列存贮信息并传给显示装置。除专用飞行模拟器外，超级图像机尚未商品化，但将提供专用处理功能以供实时大规模图示，工作站提供给科学家以更多的图形输出的控制权。典型工作站对显示存贮器的寻址方式与对普通存贮器的相同，基本上不增加硬件开销就显示计算结果。科学家应选择具有强大图示功能潜力的较贵的工作站或便宜工作站以便必要时同大机器联网。这种互连系统工作良好，例如，科学家在巨型机上计算20 ~ 60帧的模拟图像序列，交给工作站生成小电影，然后由本地机控制以任意速度重放画面，个人计算机、字母数字显示器和批输出设备不代表先进的图示装置，故未在三层模型中采用，但在过去20年中，批输出设备已被科学和商业娱乐业用于生成大型动画片。

CS&E开辟新的市场，它不同于数据处理的使用。90年代CS&E市场的成功取决于下列因素：标准的提交，使用方便性，连接性，开放式系统，集成化系统，软件可移植性，多销售网，先进技术和顾客服务支持。用图示进行科学计算的研究领域很广，当代先进的科学工程应用包括：分子模拟、医疗图像、脑的结构与功能、数学、空间探索、天体物理学、地球学（气象学）、计算流体力学和有限元分析，要使科学工程研究单位学会使用仪器。已有商业图示软件包括：作线、多面形，添画块，图像处理，图的接拼，窗口系统和大型显示。

画多面形最近才用硬件实现；用曲面块表示画面主要是软件实现，图像可任意复杂，但在巨型机上计算高复杂图像时，每帧总需0.5到1.5小时；图像处理软件已独立发展15年，许多软件包已硬化成专用板；通用处理器最近已使软件能与通用硬件竞争，图像机既能运行计算机图形又能运行图像处理软件包；动画片适于复杂过程的动态图示，是标准图示工具的一部分；大型图示软件有许多问题尚待研究。

图形硬件包括输入/输出设备和工作站。数字输入设备包括巨型机、卫星、医疗扫描器、地襃探测记录仪和数字成像仪，由于频宽迅速扩大，使图示研究愈加必要和需要继续改进分辨率与频宽。六维交互设备提供三维定位与三向信息（左右、前后、滚动）；高维设备已出现，它们将具有高分辨率、高速度和低开销。当今典型的彩色光栅显示器每个像素有24位，每秒能显示60帧的1280×1024屏幕，今后几年内将向2048×2048分辨率发展。高清晰电视比目前显示器具有更大、更亮和更清晰的画面。若大型图示中广泛采用立体表示，则必须研究立体电影和电视标准。快速矢量发生器已被广泛用于计算机辅助设计和实时三维设计。快速画面生成器将会出现，到90年代将完全硬化，既快又便宜，使科学家能用画面而不是线进行实时设计。

扩大CS&E市场的主要障碍是对管理人员和合作者进行的CS&E技术与方法使用的教育和培训不够。企业研究人员很少知道如何用分布的CS&E工作，尤其是如何将设想计算化和图示化。

当前科学通信媒介主要是语言，不考虑人的右半脑。图示研究的一个重点是借助图示兼容媒介来处理科学家之间和工程师之间的图像通信。

对于生产率要用图示表示的研究人员，成果较难发表、认可和使用，上级根据出版文章的数量评价研究成果，而不统计图示媒介，投资本身取决于对开题报告（文字和数字）的悉心准备和评估。由于愈来愈依赖电子网络而不是打印纸，要有新技术来传授、记录和介绍图示工作，用文字材料传播已成为CS&E发展的瓶颈。阅读和写作只在过去100年才被普及，现已成为科学家和工程师的通信工具。对于数学模型、处理算法、计算机程序、实验数据以及科学模拟，出版和传播必须借助电子媒介，如录像带、光盘和软盘。复核人和读者要反复进行模型测试、算法评估和程序的执行，而不用作者指点。同样，科学的出版必须发展和使用图示兼容媒介。

信息时代离不开信息传输，图示技术有助于指导通信和理解朝更好和更全面的方向发展。

[Computer，Vol，22. No，8]