《基于virtools的数据可视化及加速绘制方法的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于virtools的数据可视化及加速绘制方法的研究（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 基于Virtools的数据可视化及加速绘制方法的研究 姓名：蔡建荣 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：胡于进 2011-02-14 I 华中科技大学硕士学位论文 摘 要 虚拟现实可视化技术可以在仿真过程中将科学数据，包括测量数据、图像以及计算 得到的多物理场数据等以直观的图形图像信息提供给研究者，在工程中有广泛的应用。 然而随着模型复杂程度的增加，虚拟现实中可视化显示效率不断降低。基于此，本文对 大模型数据的加速绘制方法进行了研究，开发了基于 Virtools 的数据可视化系统。 首先，本文介绍了虚拟现实可视化技术与多层次细节(LOD)算法的发展及
2、其应用， 根据虚拟场景可视化的一般流程，详细地设计了可视化系统的总体结构与功能。 然后，本文研究了可视化显示功能的模型显示、结果显示、叠加显示、多窗口显示 及剖面显示的实现方法。针对剖面显示，设计并实现了一种基于约束边界的快速 Delaunay三角化算法，有效地提高了剖面生成速度。 提高虚拟场景中显示效率是可视化的关键。针对可视化加速绘制，本文提出了一种 带物理属性的边折叠三角形网格简化算法，实现了模型的简化。该算法计算折叠代价时 以模型边曲率和边上物理属性的增量以及三角形正则度作为权因子，边上物理属性的增 量使简化后的模型很好地保留了原模型的物理属性特征，而添加三角形正则度优化了简 化后模型
3、三角形的形态。同时引入折叠效应计算和折叠边合法性检查，保证了边折叠过 程中的拓扑正确性，并结合多项选择技术处理候选折叠边提高了折叠简化的计算速度。 在此基础上，研制了基于 Virtools 的数据可视化系统，该系统可以实现在虚拟现实 环境中显示物体运动过程中典型工况下关键时刻的应力、应变等多物理场数据的分布情 况。通过实例验证和对比分析，证明了基于物理属性简化算法的有效性、正确性。最后， 对全文工作进行了总结。 关键词：虚拟现实 可视化 网格简化 正则度 物理属性 II 华中科技大学硕士学位论文 Abstract Visualization technology in virtual real
4、ity can transform massive multi- physical field data into intuitive computer graphics and images. It is widely used in mechanical engineering, aeronautical engineering, etc. However, with the complexity of the model increasing, the efficiency of visualization in virtual reality induces. In order to
5、improve the speed of rendering, accelerated rendering method of massive data is researched, and a visualization system displaying multi- physical field data based on virtual reality environment virtools is developed in this thesis. First, the development and applications about the virtual reality te
6、chnology and multiple levels of detail algorithm are introduced. Based on the general process of the virtual scene visualization, the architecture of the visualization system is designed. Second, a detailed description for the data structure is given. The key technologies about the model display, th
7、e results display, multi- window display and profile display in the visual display are researched in detail. Especially for the profile display, a new and rapid algorithm based on constrained boundary Delaunay triangulation is achieved. By using the algorithm, the speed of profile generated is impro
8、ved effectively. The efficiency of the visualization is the key problem. In order to accelerate rendering, a mesh simplification method with physical properties constrain is presented based on edge collapse. In the presented algorithm, the curvature and increment of physical properties of edge and t
9、riangle regularity are considered as the weight factors when computing the edge collapse cost. The increment of physical properties of edge makes the features of physical properties on origin model retain in the simplified model, and the adjunction of triangle regularity optimizes triangle form of t
10、he simplified model. Also the algorithm improves the topological errors because of edge collapse. In addition, the multi- choice technology is used to accelerate the speed of calculation. On the basis, a visualization system based on virtools is developed. The system can be used to display the muti-
11、 physical data of the objects during the movement in typical condition. And the simplified algorithm based on the physical properties is verified to be efficient and correct by several examples. Finally, a conclusion is given at the end of the thesis. Key Word: Virtual Reality; Visualization; Mesh S
12、implification; Regularity; Physical Properties; 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。
13、本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 虚拟现实技术简介 虚拟现实技术（Virtual Reality） ，是利用计算机生成的一种虚拟环境，它综合计算 机图形技术、计算机网络技术、显示技术、多传感器技术以及仿真技术等多学科。它利 用设备仪器创建可与人进行交互操作三维环境， 模拟人的视觉、听觉、触
14、觉等感官功能， 可以使用户感觉到自己于“真实”环境中或者探索虚拟对象在所处环境中的作用及变化 规律1。随着虚拟现实技术的不断发展，其应用也遍布各行各业，主要有工业、航空、 教育、培训、娱乐游戏等。 Sutherland2在1962年对虚拟现实环境的概念作了基本特征概括，对当今虚拟现实 环境的定义仍然适用： 1) 沉浸性：又称临场感，是指人在三维场景中身临其境的感觉。 2) 交互性：是指人可以利用虚拟设备对虚拟场景中的物体进行操作，然后再通过 设备反馈给人。例如用户可以用手任意移动虚拟环境中的物体，人可以感觉到物体的重 量并且具有紧握感，移动时视野中的物体位置也随之改变。 3) 构想性：虚拟现实
15、环境不仅可以模拟任何环境，包括现实中不存在或者不可到 达的环境，打破常规局限性，拓展人的思维能力。 1.2 问题的提出 传统虚拟现实的应用是利用现有的三维建模工具建立模型，然后导入虚拟环境中， 根据物体实际工作情况，设计模型的运动情况。这样的模拟具有一定的局限性，只能模 拟物体的运动形式，而不能实时显示物体在运动过程中关键时刻受力情况下的应力、应 变等物理量。若在虚拟环境中加入虚拟试验数据，并利用可视化技术将不同的物理场数 据映射到模型上，可供设计者实时观测模型受力引起的应力、应变等的变化。 然而在几何模型与虚拟试验数据叠加显示时，由于虚拟试验数据往往来自有限元计 算结果，具有数据量大、模型复
16、杂等特点，这将导致在虚拟现实仿真系统中描绘实际工 作情况时，显示效率低，产生运动不连续的现象。随着计算机硬件的飞速发展，通过不 断提高计算机硬件系统是可以提高部分显示效率，但是同时随着设计能力的提升，设计 的模型也变得更加复杂、 庞大， 因此仅仅依靠提高硬件系统来改变显示效率是不现实的。 2 华中科技大学硕士学位论文 那么如何在相同的硬件环境中不影响视觉效果的前提下，降低模型、场景的复杂度 （即减少模型的多边形数目，提高图形存储、显示和渲染速度） 。本文利用应用广泛的 多层次细节描述技术（Level of Detail，LOD）来提高显示效率。 1.3 国内外现状 1.3.1 虚拟现实国内外现状 美国是虚拟现实研究的鼻祖，例如美国宇航局的数据手套工程， “虚拟行星探索” （VPE）的试验计划，航空、卫星、空间站等虚拟现实训练系统；麻省理工大学专门研 究虚拟现实技术的媒体实验室； 华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室 （HIT Lab） ，因此美国代表着虚拟现实的发展方向3。 分布式虚拟风洞(Distribu
