交互式有限元后处理可视化程序开发

摘要

　　科学计算可视化涉及计算机图形学、数字图像处理和其他多种学科领域,将科学与工程计算过程及计算结果转换为图形及图像在屏幕上显示,并与之进行交互处理。对于特定物理模型开展科学计算,常产生大量的输出数据,而如何有效地处理这些数据,从中提取出所需要的关键信息,并形象!直观地显示,是实现对物理模型有效理解和正确分析的关键问题之一,图形可视化是解决这一问题的主要手段。本文在对科学计算可视化技术进行分析研究的基础上,将其应用于有限元分析标量数据的分析处理之中,实现了对计算数据准确!清晰的交互式可控制图像处理。

　　首先讨论了本研究所用到的计算机图形学基本理论,为后续的研究提供了坚实的理论基础;分析了本文开发的可视化系统用到的基本工具,包括面向对象技术;建立了MFc和openGL的系统框架,为随后的程序编写提供理论支持。

　　其二,针对二维标量数据,主要采用等值线和等值云图来描述。在分析各类等值线和等值云图算法的基础上,选择合适的算法,利用openGL开发出二维有限元数据后处理程序,并与商业软件TecPlot绘制结果进行分析比较,二者显示效果近似;将线性插值法和等值线填充法相比较,前者所得图形更能够准确的反映标量场的变化。

　　其三,针对三维标量数据,在计算机图形学基础之上,研究了各种消隐算法,并选择Z一buffer测试法,利用OPenGL的渲染功能,独立开发了一套有限元后处理三维可视化程序,实现三维模型表面等值云图绘制。

　　第四,利用VC++和OpenGL搭建了有限元后处理可视化系统,实现了对可视化图形处理与分析的控制,设计了良好的用户界面,完善了人机交互功能,用户能轻松方便的使用本可视化系统;本研究工作所编写的科学计算后处理程序不仅具有高计算效率!高的显示精度!良好的人机交互界面,而且由于掌握源代码,而具有良好的可发展性和可移植性。

　　关键词:科学计算可视化,openGL,人机交互

Abstract

　　The visualization in scientific refers to involve the computer graphics, digital image processing and other many kinds of discipline domain transforms the science and engineering calculation process and the computed result into the graph and image demonstrated on the screen，and carries on it with processing alternately. The scientific computation according to special physical model results in so large number of data that makes processing these data efficiently and picking-up the key information needed the key problem  as  to  the understanding of physical model.Based on the research on the scientific visualization technology, this paper applied the result into the analysis and processing of the finite element data. For that most physical quantities in finite element data are scalar and some vectors can be displayed as scalar, this paper researched the visualization of scalar field     Firstly, the basic theory in computer graphics involved in finite post processing visualization  is  discussed  in  this  paper,  including  the  model  building,  projection transformation and kinds of Geometric Transformation which provide the theory basis for the further evelopment.

　　Secondly, for that contour line and cloud picture is used to describe two-dimensional scalar data, linear interpolation Algorithm and triangular element fill algorithm have been chosen according to the discussing of the algorithms of contour line and cloud picture. Two-dimensional finite data post processing software is developed by using OpenGL and the drawing results is discussed with that from Tecplot.

　　Thirdly, on the basis of computer graphics, different kinds of elimination algorithms have been discussed as to three-dimensional finite data, and finally, Z-buffer testing is chosen as the algorithm to develop the three-dimensional visualization software by using the rendering function in OpenGL. With this software developed, the cloud picture covering on the faces of three-dimensional model is drawn.

　　Lastly, the system of finite post processing visualization is built with fine user interface and friendly human-computer interaction so that user can easily and conveniently use this visualization system.

　　The program on scientific visualization of post processing developed in this paper is proved as high computing efficiency, high display precision and friendly human-computer interaction.

　　Keyword:  scientific visualization, OpenGL,human-computer interaction

　　有限单元法作为一种强有力的数值计算方法,其应用领域已遍及各类物理场的分析(如温度场，电场，磁场，渗流场，声波场等等),从力学线性分析到非线性分析(如材料行为非线性,几何导致的非线性,接触行为的非线性等等),从单一场分析到若干个场的藕合分析。尤其在弹道分析，土木，水利，机械,航空，造船等工程技术领域的具体实践中,它已经转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力,发挥着巨大的经济和社会效益。同时,伴随着有限元和计算机技术的出现和飞速发展,有限元分析程序的研制也逐渐成为一门独立的学科和产业。有限元法程序在总体组成上可分为三个主要部分:前处理部分，有限元分析主体程序，后处理部分。其中主体程序是有限元分析程序的核心,它根据离散数值模型的数据文件进行有限元计算。前处理程序根据使用者提供的对计算模型的简单描述,自动或半自动生成离散模型的数值文件,并以网格图的形式输出供用户查看与修改。后处理程序以图形的形式直观表达有限元计算结果,便于用户对分析对情况的掌握。目前,对于较好用于实际问题分析的有限元程序来说,前后处理的程序常常超出有限元分析的主体程序,前后处理功能越强,工程技术人员对程序的使用就越方便。

　　可见,有限元分析程序不再简单是传统意义上数据文件输入至数据文件输出的程序开发,而越来越类似于一项系统工程。其发展除了依赖于有限元法和数值计算理论外,也越来越依赖于现代计算机图形学，计算机软件/硬件，软件科学等诸多学科的发展,成为许多学科紧密结合的产物。现代着名的大型通用有限元分析软件,如ANSYS，SAP2000，TecPfot等,均具有形象直观的图形交互界面，强大全面的计算功能。良好的图形交互功能使用户可以方便的通过屏幕菜单，键盘，鼠标进行操作,而不必直接面对主体程序分析过程中产生的繁杂的数值数据。

　　同时,随着分析对象结构的日益复杂化和规模的日益扩大,有限元计算设计的数据类型越类越多,需要的输入数据量也越来越大,产生的结果数据量也越来越复杂,以致,对输入信息的检查和对何对结果数据的理解都产生了困难,使得传统公式表单式处理手段日渐过时,远远不足以承担着一工作,迫使人们去探求新的软件技术,科学计算可视化正在这一背景下发展起来的,它凭借计算机自身及辅助设备的图形能力,把计算中产生的数字信息转变为直观的易于研究和理解的图形与图像形式,并完整，准确，交互式地呈现于工程技术人员的面前因而,完善可视化处理功能己经成为提高科学计算质量和效率的重要问题之一。

　　可视化技术是图形学的一个分支,随着计算机一个年间技术的持续发展,和计算机图形学的不断进步,使得图形技术由二维发展到三维,并使之日趋成熟。

　　我国的可视化技术研究已经在一些领域获得了应用,但从总体上说相对国外有较大的差距。从1991年起,我国将科学计算可视化的研究列为了国家自然科学基金重点项目，八六三高技术项目及用户委托的应用项目。清华大学唐泽圣教授主持完成了国家自然科学基金重点项目“科学计算可视化的理论和方法研究”,并且在1999年出版了这方面的专着。先后对规则数据场的体绘制算法，面绘制算法，非规则数据场可视化，散乱数据可视化，科学计算可视化的并行算法，三维复杂模型的多分辨率表示等问题进行了研究。

　　经过短暂十几年的发展,科学计算可视化理论和方法的研究已经在国内外蓬勃开展起来，并开始走向应用。

　　交互式有限元后处理可视化程序系统搭建：

可视化系统界面

旋转角度设置对话框

平移参数设置对话框

缩放设置对话框

读取文件对话框

有限元模型信息对话框

目录

　　摘要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 科学计算可视化技术概述
　　　　　　1.2.1 科学计算可视化的研究内容
　　　　　　1.2.2 科学计算可视化技术的发展及应用现状
　　　　　　1.2.3 可视化技术在有限元分析中的应用
　　　　1.3 本文的主要工作
　　　　　　1.3.1 可视化有限元分析软件的后处理模块实现的功能
　　　　　　1.3.2 本文主要内容
　　　　1.4 本章小结
　　2 图形学理论基础与程序设计的基本工具
　　　　2.1 坐标系
　　　　　　2.1.1 设备坐标和逻辑坐标
　　　　2.2 几何变换
　　　　　　2.2.1 空间点的齐次坐标表示
　　　　　　2.2.2 几何变换
　　　　2.3 投影变换.
　　　　2.4 面向对象的程序设计
　　　　2.5 openGL
　　　　　　2.5.1 openGL简介
　　　　　　2.5.2 OpenGL的工作原理
　　　　2.6 MFC与openGL系统框架设计
　　　　　　2.6.1 建立项目文件,设定运行环境
　　　　　　2.6.2 修改添加相关函数
　　　　2.7 本章小结
　　3 二维标量场可视化
　　　　3.1 网格模型
　　　　　　3.1.1 有限元的网格类型
　　　　　　3.1.2 平面网格模型
　　　　3.2 等值线绘制
　　　　　　3.2.1 等值线的性质
　　　　　　3.2.2 等值点的判断
　　　　　　3.2.3 等值线的跟踪
　　　　　　3.2.4 等值线终点的判定
　　　　　　3.2.5 等值线的连接
　　　　　　3.2.6 程序实现
　　　　3.3 云图绘制
　　　　　　3.3.1 算法描述
　　　　　　3.3.2 程序实现
　　　　3.4 与其他软件比较
　　　　3.5 本章小结
　　4 三维标量场可视化
　　　　4.1 网格模型
　　　　　　4.1.1 定义顶点
　　　　　　4.1.2 构造几何图元
　　　　　　4.1.3 图形变换
　　　　　　4.1.4 实例
　　　　4.2 消隐
　　　　　　4.2.1 算法描述
　　　　　　4.2.2 openGL程序实现
　　　　　　4.2.3 实例
　　　　4.3 表面等值云图
　　　　　　4.3.1 算法描述与OpenGL程序实现
　　　　　　4.3.2 实例
　　　　4.4 本章小结
　　5 有限元后处理可视化系统搭建
　　　　5.1 可视化系统概述
　　　　5.2 可视化界面设计
　　　　5.3 程序操作手册
　　　　　　5.3.1 图形操作的实现
　　　　　　5.3.2 数据读取功能
　　　　　　5.3.3 可视化功能实现
　　　　5.4  本章小结
　　6结论
　　致谢
　　参考文献

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