圖撲 Web 可視化引擎在仿真分析領域的應用

在數(shù)字孿生和仿真研究過程中，會產生大量和三維空間相關的數(shù)值信息，比如設備外觀的掃描數(shù)據、地形掃描數(shù)據、生產設備溫度場/壓力場、流體的速度場、流體擴散，以及各種仿真數(shù)據：速度，壓力，應力，溫度等。

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

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

圖撲 SDK 開放靈活的架構也使得用戶開發(fā)擴展功能非常方便，比如熱力圖（體）插件，流場粒子展示插件，體繪制插件等。強大靈活的 3D 引擎可以讓用戶輕松實現(xiàn)三維模型的呈現(xiàn)編輯功能。用戶無需關心繁瑣復雜的 WebGL 操作，可以將精力放到應用的業(yè)務層，節(jié)省開發(fā)費用，加快開發(fā)進程，通過三維動態(tài)直觀展示方式，挖掘隱藏的信息內容，提升應用價值。

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

模型表面貼圖

模型三維網格

粒子流貼圖

粒子流體

體繪制

點云

以下介紹的方法中，為了提高前端的性能和用戶體驗，涉及到大量數(shù)據處理的操作都可以放到服務器上實現(xiàn)。前端只負責少量運算和效果展示。

下圖是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的架構：

模型表面貼圖

對于需要展示表面數(shù)據的應用，比如設備表面的溫度，壓力等，輸入數(shù)據是模型表面的點坐標和數(shù)據值的集合，比如 x, y, z, value。實現(xiàn)的方法：根據模型上每一個點 value 值計算出此點貼圖的 UV 值。實現(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：

模型表面貼圖

模型三維網格

下圖是實現(xiàn)的原理。主要增加了使用反距離加權法重新生成數(shù)據。由于這一步計算量大，需要放到服務器上，作為數(shù)據預處理功能實現(xiàn)。

模型三維網格

三維網格展示在一個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。

由于是一個三維的體，無法用貼圖的方式給出網格的顏色信息。此時需要用插值算法計算出規(guī)則空間網格的場信息。比如在 x，y， z 整數(shù)值的點插值采樣。將采樣獲得的空間場信息以材質的方式傳給圖撲 SDK。SDK 在渲染每一個點的時候，根據點周圍的空間 4 個點做插值擬合獲得屬性值，并根據屬性值范圍計算出渲染的顏色。具體流程參照下圖：

上方為基于鉆孔數(shù)據的三維地質模型可視化（點擊文字跳轉查看智慧煤礦往期回顧），智慧礦山是一個匯聚了多學科、多主題、多維空間信息的復雜系統(tǒng)，是在礦山地表和地下開采礦產資源的工程活動中所涉及的各種靜、動態(tài)信息的全部數(shù)字化管理，智能分析，可視化展示，從而達到降本增效，實現(xiàn)企業(yè)利益的最大化。

粒子流貼圖

對于需要在一個面上展示的流體場，比如風場，水流場，壓力場等，需要以動態(tài)的方式呈現(xiàn)，可以使用圖撲粒子插件實現(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，計算出下一幀的粒子位置。然后融合上一幀的輸出和當前輸出，實現(xiàn)粒子的移動尾跡效果。

圖撲三維粒子插件可以實現(xiàn)和二維粒子流相似的參數(shù)調節(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，比如風場，速度場等，需要以動態(tài)的方式呈現(xiàn)。可以使用圖撲粒子插件實現(xiàn)。插件的主要輸入數(shù)據是三維矢量場。它是在服務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現(xiàn)和二維粒子流相似的參數(shù)調節(jié)：

粒子的大小

粒子的形狀

粒子的流速

粒子數(shù)量

現(xiàn)實的閾值等

體繪制

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

電力行業(yè)中，變壓器是一種重要的設備，變壓器繞組的溫度分布，特別是熱點溫度，是制約變壓器運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，對變壓器內部的熱傳導過程模擬，最終得到變壓器內部的溫度分布規(guī)律。將有限元仿真出的溫度數(shù)據，通過插值的方法獲得整個繞組的溫度切片。這里有多種插值算法，如反距離加權法、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算法。

體繪制的算法有多種：光線投射算法、拋雪球算法、錯切變形算法。三種算法相比較，光線投射算法計算量相對較大，但是繪制的圖像質量較高，有利于保留圖像細節(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行了優(yōu)化，減少不必要計算量。通過優(yōu)化，可以做到在有非集成顯卡的普通 PC 機上，輕松實時渲染數(shù)百萬以上點的有限元分析結果。

此外，可以對渲染結果進行裁切，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 可視化領域的應用：

點云

圖撲引擎內置對點云的支持。支持的點數(shù)量可達千萬。點云里每個點的貼圖/形狀可配置。

點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。

對于激光點云數(shù)據，通常一個點的信息包含三維坐標和顏色值，比如 x,y,z,r,g,b 六個字段。將三維坐標和顏色信息傳給圖撲點云可以直接展示模型。對于大場景或高精度的點云模型，由于點數(shù)據量巨大，無法全部顯示。可以采用空間劃分和 LOD 技術，生成不同分辨率的點云模型，按需加載。需要展示局部高精度模型時，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），通過將多個時間點的顏色信息傳給 shader，shader 根據時間進度信息插值計算出某一時間t的顏色，進行渲染。JavaScript 主程序循環(huán)更新運行時間t。這樣的優(yōu)點是主要的計算量放到顯卡，仿真進度（時間）可以靈活調節(jié)，整個展示過程流暢不卡頓。流程參照下圖：

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

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

結合圖撲軟件 Web 可視化引擎為工程仿真、氣象預報、生命科學、科研教育、電力系統(tǒng)、交通運輸、工業(yè)制造等不同領域的發(fā)展起到了推動作用，為不同的行業(yè)發(fā)展注入了新的動力。

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

圖撲軟件已廣泛應用于智慧城市、園區(qū)、樓宇、工廠、智能制造、水務、能源、光伏、風電、電力、新基建、運維、政務、交通、醫(yī)療、金融、科研等行業(yè)。累計為包括三一、寶信、南瑞、華為、騰訊、西門子、施耐德、霍尼韋爾等眾多國內外企業(yè)提供專業(yè)的數(shù)字化服務，為企業(yè)提供設備的實時監(jiān)測、運營維護和安全預警、仿真分析等相關需求。

審核編輯 黃昊宇