图扑 Web 可视化引擎在仿真分析领域的应用 _可视化引擎

在数字孪生和仿真研究过程中，会产生大量和三维空间相关的数值信息，比如设备外观的扫描数据、地形扫描数据、生产设备温度场/压力场、流体的速度场、流体扩散，以及各种仿真数据：速度，压力，应力，温度等。

文章插图

这些数据的特点是数量大，使用二维图表呈现不直观，无法直观呈现数据的三维分布和数据随时间的变化。

文章插图

文章插图

图扑软件 - 构建先进 2D 和 3D 可视化所需要的一切是基于 WebGL 的三维可视化引擎，在 WebGL 基础上封装了基本的三维模型创建、呈现的 API 。同时还封装了丰富的数学运算库，涵盖多维变换，几何计算等。
图扑 SDK 开放灵活的架构也使得用户开发扩展功能非常方便，比如热力图（体）插件，流场粒子展示插件，体绘制插件等。强大灵活的 3D 引擎可以让用户轻松实现三维模型的呈现编辑功能。用户无需关心繁琐复杂的 WebGL 操作，可以将精力放到应用的业务层，节省开发费用，加快开发进程，通过三维动态直观展示方式，挖掘隐藏的信息内容，提升应用价值。
本文针对以下 6 种呈现方式讨论使用图扑 SDK 实现的方法：

模型表面贴图
模型三维网格
粒子流贴图
粒子流体
体绘制
点云

以下介绍的方法中，为了提高前端的性能和用户体验，涉及到大量数据处理的操作都可以放到服务器上实现。前端只负责少量运算和效果展示。
下图是实现整个系统的架构：

文章插图

模型表面贴图
对于需要展示表面数据的应用，比如设备表面的温度，压力等，输入数据是模型表面的点坐标和数据值的集合，比如 x, y, z, value 。实现的方法：根据模型上每一个点 value 值计算出此点贴图的 UV 值。
实现原理图如下：

文章插图

有以下两种情况需要用插值算法重新生成数据：
模型表面贴图
模型三维网格
下图是实现的原理。主要增加了使用反距离加权法重新生成数据。由于这一步计算量大，需要放到服务器上，作为数据预处理功能实现。

文章插图

文章插图

模型三维网格
三维网格展示在一个二维面上的属性在上一节 “模型表面贴图” 已介绍过。这里主要介绍三维网格展示三维信息，比如三维速度场，三维温度场等。
由于是一个三维的体，无法用贴图的方式给出网格的颜色信息。此时需要用插值算法计算出规则空间网格的场信息。比如在 x，y， z 整数值的点插值采样。将采样获得的空间场信息以材质的方式传给图扑 SDK 。SDK 在渲染每一个点的时候，根据点周围的空间 4 个点做插值拟合获得属性值，并根据属性值范围计算出渲染的颜色。具体流程参照下图：

文章插图

文章插图

上方为基于钻孔数据的三维地质模型可视化，智慧矿山是一个汇聚了多学科、多主题、多维空间信息的复杂系统，是在矿山地表和地下开采矿产资源的工程活动中所涉及的各种静、动态信息的全部数字化管理，智能分析，可视化展示，从而达到降本增效，实现企业利益的最大化。
粒子流贴图
对于需要在一个面上展示的流体场，比如风场，水流场，压力场等，需要以动态的方式呈现，可以使用图扑粒子插件实现。
系统基本原理如下图：二维流体场信息作为贴图资源传给图扑 SDK 。SDK 里使用贴图保存粒子的位置信息，利用流体场和粒子位置，计算出下一帧的粒子位置。然后融合上一帧的输出和当前输出，实现粒子的移动尾迹效果。