圖撲 Web 可視化引擎在仿真分析領(lǐng)域的應(yīng)用

在數(shù)字孿生和仿真研究過程中，會(huì)產(chǎn)生大量和三維空間相關(guān)的數(shù)值信息，比如設(shè)備外觀的掃描數(shù)據(jù)、地形掃描數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設(shè)備溫度場/壓力場、流體的速度場、流體擴(kuò)散，以及各種仿真數(shù)據(jù)：速度，壓力，應(yīng)力，溫度等。

這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)量大，使用二維圖表呈現(xiàn)不直觀，無法直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維分布和數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化。

圖撲軟件是基于 WebGL 的三維可視化引擎，在 WebGL 基礎(chǔ)上封裝了基本的三維模型創(chuàng)建、呈現(xiàn)的 API。同時(shí)還封裝了豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算庫，涵蓋多維變換，幾何計(jì)算等。

圖撲 SDK 開放靈活的架構(gòu)也使得用戶開發(fā)擴(kuò)展功能非常方便，比如熱力圖（體）插件，流場粒子展示插件，體繪制插件等。強(qiáng)大靈活的 3D 引擎可以讓用戶輕松實(shí)現(xiàn)三維模型的呈現(xiàn)編輯功能。用戶無需關(guān)心繁瑣復(fù)雜的 WebGL 操作，可以將精力放到應(yīng)用的業(yè)務(wù)層，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，加快開發(fā)進(jìn)程，通過三維動(dòng)態(tài)直觀展示方式，挖掘隱藏的信息內(nèi)容，提升應(yīng)用價(jià)值。

本文針對以下 6 種呈現(xiàn)方式討論使用圖撲 SDK 實(shí)現(xiàn)的方法：

模型表面貼圖

模型三維網(wǎng)格

粒子流貼圖

粒子流體

體繪制

點(diǎn)云

以下介紹的方法中，為了提高前端的性能和用戶體驗(yàn)，涉及到大量數(shù)據(jù)處理的操作都可以放到服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)。前端只負(fù)責(zé)少量運(yùn)算和效果展示。

下圖是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)：

模型表面貼圖

對于需要展示表面數(shù)據(jù)的應(yīng)用，比如設(shè)備表面的溫度，壓力等，輸入數(shù)據(jù)是模型表面的點(diǎn)坐標(biāo)和數(shù)據(jù)值的集合，比如 x, y, z, value。實(shí)現(xiàn)的方法：根據(jù)模型上每一個(gè)點(diǎn) value 值計(jì)算出此點(diǎn)貼圖的 UV 值。實(shí)現(xiàn)原理圖如下：

有以下兩種情況需要用插值算法重新生成數(shù)據(jù)：

模型表面貼圖

模型三維網(wǎng)格

下圖是實(shí)現(xiàn)的原理。主要增加了使用反距離加權(quán)法重新生成數(shù)據(jù)。由于這一步計(jì)算量大，需要放到服務(wù)器上，作為數(shù)據(jù)預(yù)處理功能實(shí)現(xiàn)。

模型三維網(wǎng)格

三維網(wǎng)格展示在一個(gè)二維面上的屬性在上一節(jié) “模型表面貼圖” 已介紹過。這里主要介紹三維網(wǎng)格展示三維信息，比如三維速度場，三維溫度場等。

由于是一個(gè)三維的體，無法用貼圖的方式給出網(wǎng)格的顏色信息。此時(shí)需要用插值算法計(jì)算出規(guī)則空間網(wǎng)格的場信息。比如在 x，y， z 整數(shù)值的點(diǎn)插值采樣。將采樣獲得的空間場信息以材質(zhì)的方式傳給圖撲 SDK。SDK 在渲染每一個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，根據(jù)點(diǎn)周圍的空間 4 個(gè)點(diǎn)做插值擬合獲得屬性值，并根據(jù)屬性值范圍計(jì)算出渲染的顏色。具體流程參照下圖：

上方為基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型可視化（點(diǎn)擊文字跳轉(zhuǎn)查看智慧煤礦往期回顧），智慧礦山是一個(gè)匯聚了多學(xué)科、多主題、多維空間信息的復(fù)雜系統(tǒng)，是在礦山地表和地下開采礦產(chǎn)資源的工程活動(dòng)中所涉及的各種靜、動(dòng)態(tài)信息的全部數(shù)字化管理，智能分析，可視化展示，從而達(dá)到降本增效，實(shí)現(xiàn)企業(yè)利益的最大化。

粒子流貼圖

對于需要在一個(gè)面上展示的流體場，比如風(fēng)場，水流場，壓力場等，需要以動(dòng)態(tài)的方式呈現(xiàn)，可以使用圖撲粒子插件實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)基本原理如下圖：二維流體場信息作為貼圖資源傳給圖撲 SDK。SDK 里使用貼圖保存粒子的位置信息，利用流體場和粒子位置，計(jì)算出下一幀的粒子位置。然后融合上一幀的輸出和當(dāng)前輸出，實(shí)現(xiàn)粒子的移動(dòng)尾跡效果。

圖撲三維粒子插件可以實(shí)現(xiàn)和二維粒子流相似的參數(shù)調(diào)節(jié)：

粒子的大小

粒子的形狀

粒子的流速

粒子數(shù)量

現(xiàn)實(shí)的閾值

仿真精度等

粒子流體

對于需要展示三維空間的矢量場，比如風(fēng)場，速度場等，需要以動(dòng)態(tài)的方式呈現(xiàn)?？梢允褂脠D撲粒子插件實(shí)現(xiàn)。插件的主要輸入數(shù)據(jù)是三維矢量場。它是在服務(wù)器端通過對矢量場按照固定間隔采樣擬合獲得。

圖撲三維粒子插件可以實(shí)現(xiàn)和二維粒子流相似的參數(shù)調(diào)節(jié)：

粒子的大小

粒子的形狀

粒子的流速

粒子數(shù)量

現(xiàn)實(shí)的閾值等

體繪制

體繪制是一種將三維空間中的體數(shù)據(jù)，渲染到二維圖形上的技術(shù)。體繪制可以在二維平面上展示出三維空間中的數(shù)據(jù)，可直觀窺探物體內(nèi)部細(xì)節(jié)，因此可應(yīng)用于各種電、熱、磁場的仿真，水污染擴(kuò)散仿真、海洋遙感三維可視化、醫(yī)學(xué)影像（CT） 展示等。

電力行業(yè)中，變壓器是一種重要的設(shè)備，變壓器繞組的溫度分布，特別是熱點(diǎn)溫度，是制約變壓器運(yùn)行安全和使用壽命的重要因素。本案例中通過體繪制的方式展示變壓器繞組溫度場。首先通過有限元仿真，對變壓器內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程模擬，最終得到變壓器內(nèi)部的溫度分布規(guī)律。將有限元仿真出的溫度數(shù)據(jù)，通過插值的方法獲得整個(gè)繞組的溫度切片。這里有多種插值算法，如反距離加權(quán)法、克里金法、自然鄰域法、樣條函數(shù)法等。這里采用反距離加權(quán)算法。

體繪制的算法有多種：光線投射算法、拋雪球算法、錯(cuò)切變形算法。三種算法相比較，光線投射算法計(jì)算量相對較大，但是繪制的圖像質(zhì)量較高，有利于保留圖像細(xì)節(jié)，這里我們選用光線投射算法。為了保證渲染速度，我們要對光線投射算法進(jìn)行了優(yōu)化，減少不必要計(jì)算量。通過優(yōu)化，可以做到在有非集成顯卡的普通 PC 機(jī)上，輕松實(shí)時(shí)渲染數(shù)百萬以上點(diǎn)的有限元分析結(jié)果。

此外，可以對渲染結(jié)果進(jìn)行裁切，展示繞組任何切面的溫度分布情況。

以下案例是體繪制在 CT 可視化領(lǐng)域的應(yīng)用：

點(diǎn)云

圖撲引擎內(nèi)置對點(diǎn)云的支持。支持的點(diǎn)數(shù)量可達(dá)千萬。點(diǎn)云里每個(gè)點(diǎn)的貼圖/形狀可配置。

點(diǎn)云可以用于展示模型本身或者模型表面的屬性信息，比如壓力和溫度等。

對于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通常一個(gè)點(diǎn)的信息包含三維坐標(biāo)和顏色值，比如 x,y,z,r,g,b 六個(gè)字段。將三維坐標(biāo)和顏色信息傳給圖撲點(diǎn)云可以直接展示模型。對于大場景或高精度的點(diǎn)云模型，由于點(diǎn)數(shù)據(jù)量巨大，無法全部顯示。可以采用空間劃分和 LOD 技術(shù)，生成不同分辨率的點(diǎn)云模型，按需加載。需要展示局部高精度模型時(shí)，只加載局部高精度模型信息。

對于需要展示變化過程需求，圖撲引擎支持定制插件（shader），通過將多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的顏色信息傳給 shader，shader 根據(jù)時(shí)間進(jìn)度信息插值計(jì)算出某一時(shí)間t的顏色，進(jìn)行渲染。JavaScript 主程序循環(huán)更新運(yùn)行時(shí)間t。這樣的優(yōu)點(diǎn)是主要的計(jì)算量放到顯卡，仿真進(jìn)度（時(shí)間）可以靈活調(diào)節(jié)，整個(gè)展示過程流暢不卡頓。流程參照下圖：

仿真分析技術(shù)的應(yīng)用范圍涵蓋社會(huì)的諸多方面，本文我們也對圖撲可視化引擎在數(shù)值仿真分析領(lǐng)域的應(yīng)用做了一些介紹。

仿真分析的意義和作用在于當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長的時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段。

結(jié)合圖撲軟件 Web 可視化引擎為工程仿真、氣象預(yù)報(bào)、生命科學(xué)、科研教育、電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、工業(yè)制造等不同領(lǐng)域的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，為不同的行業(yè)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。

圖撲軟件強(qiáng)大靈活的前端可視化引擎自主研發(fā)設(shè)計(jì)，未使用第三方開源庫實(shí)現(xiàn)。友好的 API 和靈活的可擴(kuò)展性，使得圖撲引擎開發(fā)的產(chǎn)品具備高性能，高可擴(kuò)展性，用戶可以靈活輕松的實(shí)現(xiàn)各種展示效果。

圖撲軟件已廣泛應(yīng)用于智慧城市、園區(qū)、樓宇、工廠、智能制造、水務(wù)、能源、光伏、風(fēng)電、電力、新基建、運(yùn)維、政務(wù)、交通、醫(yī)療、金融、科研等行業(yè)。累計(jì)為包括三一、寶信、南瑞、華為、騰訊、西門子、施耐德、霍尼韋爾等眾多國內(nèi)外企業(yè)提供專業(yè)的數(shù)字化服務(wù)，為企業(yè)提供設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測、運(yùn)營維護(hù)和安全預(yù)警、仿真分析等相關(guān)需求。

審核編輯 黃昊宇