基于OpenGL的交互式有限元后处理可视化程序开发

论文摘要

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-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。

论文目录

• 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