工效仿真可视化
1.应用需求背景
经过科研设计人员不断的努力，产品设计方法和应力分析方法已经成熟，基于有限元等效应力的体型优化软件，已将工程师的从体型比选时大量繁杂的工作中解放出来。目前设计与施工的大量图纸仍然是工程师用现有的CAD软件，基本上是采用手工绘制的模式，工作量极大且容易出错。如何将设计中的选型，分析与出图结合，形成一体化自动化较高的三维设计、出图CAD系统软件，一直以来是工程师们梦寐以求的事情。
图1三维图像显示功能
三维可视化仿真设计软件已成功解决了三维建模问题。把计算机技术、图形技术同设计的标准规范结合，在三维系统中准确建立三维实体信息模型，可以很好地解决实际工作中的需求。
2.必要性
利用计算机仿真技术根据实时或仿真数据生成的动态场景图像具有无比的直观性和生动性, 从而己经成为航天任务中数据分析与演示的重要手段。
随着硬件技术的不断发展, 可视化技术也从单纯的数据表现手段向更生动的表现形式、更丰富的表现内容和更逼真的表现效果发展。同时，随着分析对象结构的日益复杂化和规模的日益扩大，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，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已经成为提高科学计算质量和效率的重要问题之一。
3. 系统的能力与功效
1.高显示度综合显示子系统
包括了几何样机显示，仿真性能样机显示和试验样机显示以及综合样机显示功能实现。以本部分为核心，其他接口模块，数据库系统，用户界面作为辅助功能模块，共同完成结构综合强度试验实时监测系统的全部功能。
图2三维可视化数据展示体系
2.三维显示功能
模块支持点、线、面的显示；支持符号，文字的三维场景显示；支持三类节点显示，包括节点符号、节点编号和节点组；支持两种单元显示，包括分类显示和单元组；支持模型剖切、缩放、旋转和平移；支持调节颜色数、放大比例和保存为图片（*.jpeg， *.bmp）。支持任意切面。
工具包产品还可用于云图、动画，位移分量和总量，变形、变形+不变形和不变形等多种显示。
图3三维可视化模型展示
3.用户自定义视点的保存和重载。
显示模块的性能评价主要是看显示的速度和显示的效果以及对硬件的支持。HOOPS作为一个有着广泛应用基础的三维图形显示引擎，同时支持OpenGL和DirectX图形系统。HOOPS还支持当前所有主流的操作系统和编译环境。下表是HOOPS显示模块所支持的操作系统和编译环境。
4.仿真场景显示
系统可进行飞行器仿真，游戏，虚拟现实，科学计算可视化显示。它基于场景图的概念，它提供一个在OpenGL之上的面向对象的框架，从而能把开发者从实现和优化底层图形的调用中解脱出来，并且它为图形应用程序的快速开发提供很多附加的实用工具。
支持视图投影剔除（view frustum culling），隐藏面剔除（occlusion culling），小特性剔除（small feature culling），细节层次节点（LOD），状态排序（state sorting），顶点数组，顶点缓冲对象（vertex buffer objects），OpenGL着色语言和显示列表（display lists），以上所列都是场景图内核的一部分。它们共同使OpenSceneGraph成为一个高性能的图形库变为可能，OpenSceneGraph也支持绘制进程（drawing process）的定制，比如场景图的连续细节层次（CLOD）的网格（参见虚拟地形项目和Delta3D）。
图4可视化场景展示
5. 支持数据加载
为了读入和写出数据库，有一个数据库的支持库（osgDB）增加了通过后缀名动态插件机制，从而支持大量数据格式，支持的3D数据格式包括COLLADA,LightWave (.lwo),Alias Wavefront (.obj),OpenFlight (.flt),多线程页面调度支持的TerraPage(.txp), Carbon Graphics GEO (.geo) 3D Studio MAX (.3ds),Peformer (.pfb),AutoCAd (.dxf), Quake Character Models (.md2). Direct X (.x), and Inventor Ascii 2.0 (.iv)/ VRML 1.0 (.wrl), Designer Workshop (.dw) ,AC3D (.ac)和自带的.osg ASCII文本格式。支持的图像格式包括.rgb, .gif,.jpg, .png, .tiff, .pic, .bmp, .dds (包含压缩的一系列Mip贴图影像),.tga and quicktime (在OSX环境下),全范围的高质量、抗锯齿字体也能通过freetype插件支持,基于字体的图像也可以通过.txf插件支持。
6.几何样机显示
支持的CAD数据一般都是从设计类CAD软件生成的。不同的CAD软件生成的数据格式各不相同。因此针对每种设计软件,需要定制相对应的接口程序把数据导入到本系统中定义的CAD DB内存数据结构模块中去。
本系统支持的CAD模型数据文件接口模块包括：
(1) Pro/E的支持
包括Pro/E零件(.prt)和组件(.asm)格式文件,包括ProE-Cro版本
(2)Catia的支持
包括Catia V5, V6的零件(.CATPart)和组件(.CATProduct)格式文件
(3)中间格式的支持
包括.iges、.x_t、.stp等。
系统内部采用统一的数据结构,针对不同的文件格式,通过统一的动态链接库接口程序,将CAD相关的模型信息导入到统一的数据结构中,并且支持多模型导入。
CAD数据导入接口的主要功能是对上面所提到的设计模型数据文件进行读取处理,并把处理之后的数据赋值给DB内存数据结构模块。
图5几何样机展示
4. 软件特点
可视化软件的特点表现在以下几方面：
系统可以作为计算机数值仿真、半实物仿真的演示部分，也可以作
为单独的视景仿真程序。而且能够提供高保真、高性能、可交互的视景仿真过程。
1）逼真、强沉浸感的渲染效果，高效的渲染速度。
2）可实现装配式视景生成，而无需重新编写代码或修改代码。
3）较强的扩展性。充分利用扩展开发的优势，增强可扩展性，不仅可以将多个视景仿真库集成在一起，还能使用户方便地进行自定义设计和扩展。
4）既可以使用远程数据驱动，也可以使用本地数据进行驱动；既可以采用实时数据驱动，也可以采用数据回放驱动。支持多路输出，多通道显示。
5）可以应用于多种视景仿真任务。
5. 软件使用范围和效果
(1)多种软件接口的实现。不同的分析软件将以不同的格式将结果数据输出，从而为有限元后处理带来了一定的障碍，因此，解决不同数据格式要求的有限元分析软件的接口互通问题。
(2)驾驭式可视化处理。广泛采用的可视化方法是事后可视化，科学计算过程和可视化过程不发生任何耦合作用，科学计算过程中无图形显示及改变进程的交互控制，而进行可视化时，需终止科学计算过程。本系统跟踪计算过程，并且实时做出处理，即驾驭式可视化处理是有限元分析数据可视化的一个发展方向。
(3)多物理场耦合。早期有限元方法关注的是某个专业领域，比如压力或疲劳，但是一般来说，物理现象不是单独存在的，比如物体运动就会产生热，而热反过来又会影响一些材料属性，比如电导率、化学反应速率、流体的粘性等等，这种多物理场的耦合比单个去分析某个物理场更加复杂。本系统支持多物理场分析软件。
(4)大规模数据可视化的并行计算和处理。随着科学计算的发展，数据规模在急剧增加，计算速度问题也相应成为可视化计算法中的一个突出问题，仅仅依靠计算机本身存储空间的提高、计算能力的提高是不能解决该问题。本系统将并行技术引入到可视化中，利用并行体系结构加速特征数据的提取。
