薛偉偉,程長(zhǎng)征

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,合肥　230009)

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基于Ensight的科學(xué)計(jì)算結(jié)果可視化

薛偉偉,程長(zhǎng)征

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,合肥230009)

摘要:FORTRAN和C等高級(jí)語(yǔ)言使用廣泛，但計(jì)算結(jié)果多為數(shù)值文本。通過(guò)編寫數(shù)據(jù)接口，將FORTRAN邊界元法程序的數(shù)值計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成Ensight輸入文件，得出計(jì)算結(jié)果的場(chǎng)圖像。這種方法具備視覺(jué)效果好、開(kāi)發(fā)工作量低、對(duì)硬件圖形庫(kù)有較好支持等特點(diǎn)。同時(shí)，利用Ensight的功能，可進(jìn)行數(shù)值觀察、添加等值線等操作。

關(guān)鍵詞:Ensight;FORTRAN;可視化;科學(xué)計(jì)算

目前，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬逐漸成為解決工程和科學(xué)問(wèn)題的主要手段。由于計(jì)算機(jī)處理的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，科學(xué)工作者已經(jīng)難于從大量的文本計(jì)算結(jié)果中直接觀察出需要的結(jié)果[1]?？茖W(xué)數(shù)據(jù)可視化就是將計(jì)算結(jié)果以圖形圖像的方式顯示出來(lái)。

在科研和工程中FORTRAN或C等語(yǔ)言使用廣泛。FORTRAN和C等高級(jí)語(yǔ)言與MATLAB、Mathmatica等腳本解析類數(shù)學(xué)工具相比具有計(jì)算效率高的特點(diǎn)，但其結(jié)果展示的常見(jiàn)方式是通過(guò)文本輸出，而后者通過(guò)簡(jiǎn)單的命令即可進(jìn)行計(jì)算結(jié)果可視化[2]。雖然開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)編寫代碼直接調(diào)用OpenGL等專業(yè)圖形接口進(jìn)行圖像繪制，但開(kāi)發(fā)難度大，工作量較大，容易讓從事理論驗(yàn)證的科研工作者陷入重復(fù)性工作中，造成智力資源的浪費(fèi)。

相比之下，使用成熟的科學(xué)可視化平臺(tái)進(jìn)行結(jié)果顯示和二次處理是一種效果好且高效的方式，如使用Ensight或者VTK圖形庫(kù)及其衍生的Paraview等軟件進(jìn)行二維和三維可視化實(shí)現(xiàn)[3]。這種開(kāi)發(fā)方式可以對(duì)大規(guī)模問(wèn)題進(jìn)行快速的圖形化顯示，同時(shí)具備視覺(jué)效果好，可移植性高，對(duì)硬件圖形庫(kù)有較好的支持等優(yōu)點(diǎn)。這類工具簡(jiǎn)化和封裝了圖像繪制的技術(shù)細(xì)節(jié)，并且提供了許多專門用于視覺(jué)可視化的算法，開(kāi)發(fā)工作量較低。例如使用Marching Cubes算法繪制三維等值面時(shí)，VTK中不要編寫代碼實(shí)現(xiàn)算法，同時(shí)也不需要對(duì)OpenGL進(jìn)行顯式操作[4]，只需要通過(guò)調(diào)用vtkMarchingCubes類對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作即可[5]。而在Ensight中這一操作更加簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)菜單選取等值面添加功能并選取參數(shù)來(lái)源即可完成等值面的添加，同時(shí)用戶可以通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)完成等值面參數(shù)值的設(shè)定。

本文對(duì)U地埋管溫度場(chǎng)問(wèn)題的FORTRAN邊界元法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，通過(guò)MATLAB編寫轉(zhuǎn)換接口程序[6]，在Ensight中實(shí)現(xiàn)了其計(jì)算結(jié)果可視化。

1數(shù)據(jù)可視化的基本思路

數(shù)據(jù)的連續(xù)可視化主要包含兩個(gè)重要環(huán)節(jié)：(1)離散數(shù)據(jù)的可視化；(2)圖形上離散點(diǎn)的連續(xù)化。

1.1數(shù)據(jù)的離散顯示

通常，已知坐標(biāo)(x，y)表示為平面上的一個(gè)離散點(diǎn)，若我們將其顯示出來(lái)，并通過(guò)賦予離散點(diǎn)灰度或直接顯示物理量值等方式便可完成初步的可視化工作。圖1為一管狀溫度場(chǎng)的離散顯示，每個(gè)圓點(diǎn)為采樣點(diǎn)，灰度值表示其溫度。其在數(shù)據(jù)驗(yàn)證和糾錯(cuò)等環(huán)節(jié)已具備一定的實(shí)用性，但通?；叶戎档倪B續(xù)顯示會(huì)更加直觀，也與物理情形更加吻合。

1.2數(shù)據(jù)的連續(xù)顯示

雖然數(shù)值模擬中我們得到的結(jié)果大都是離散的，但通常離散點(diǎn)不能較好地表現(xiàn)物理場(chǎng)的連續(xù)性。為了表現(xiàn)物理場(chǎng)的連續(xù)性，有以下兩種處理方法。

方法一：使用更多的點(diǎn)對(duì)區(qū)間進(jìn)行更細(xì)的分割，從而近似表現(xiàn)函數(shù)的連續(xù)變化。這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯，優(yōu)點(diǎn)是繪制的每個(gè)點(diǎn)都反映了真實(shí)的函數(shù)關(guān)系;缺點(diǎn)是這種方法為了使圖形上的離散點(diǎn)密集到產(chǎn)生連續(xù)感，需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量很大，從而讓系統(tǒng)計(jì)算量大大增加。因此在實(shí)際中這種方法較少使用。

方法二：在離散點(diǎn)采樣的基礎(chǔ)上，使用插值的方法模擬計(jì)算出離散點(diǎn)之間像素的計(jì)算結(jié)果，并將其繪出，從而獲得連續(xù)的顯示效果。這種方法優(yōu)點(diǎn)明顯，繪制的數(shù)據(jù)面有良好的連續(xù)感，繪圖速度快，計(jì)算量小。其缺點(diǎn)是除采樣點(diǎn)外，其他繪制值只是真實(shí)值的近似[7]。

綜合來(lái)看，在實(shí)際應(yīng)用中我們往往使用第二種方式實(shí)現(xiàn)面和體的數(shù)據(jù)繪制，其插值算法通常為線性插值或者二次插值，數(shù)學(xué)原理較為簡(jiǎn)單易懂[8]。

圖2為我們對(duì)圖1例子中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值后的結(jié)果圖?？梢钥闯雠c圖1的展示結(jié)果相比，離散的點(diǎn)構(gòu)成了面。雖然其初始信息相同，但運(yùn)用插值對(duì)平面上色后可視化效果更符合實(shí)際情況。

圖1　U型槽溫度場(chǎng)結(jié)果的離散顯示

圖2　U型槽溫度場(chǎng)結(jié)果的連續(xù)顯示

2Ensight接口和轉(zhuǎn)換程序編寫

2.1Ensigh簡(jiǎn)介

Ensight是由CEI公司開(kāi)發(fā)的一款科學(xué)數(shù)據(jù)可視化軟件，具有良好的可移植性，能運(yùn)行于Windows、Linux、Unix等多種平臺(tái)，其功能豐富，使用簡(jiǎn)單[9]。其相對(duì)MATLAB等高級(jí)解析類語(yǔ)言或者Origin等工具進(jìn)行后處理的優(yōu)勢(shì)在于顯示效果好，可快速進(jìn)行豐富的三維操作，同時(shí)在計(jì)算結(jié)果充分的前提下進(jìn)行等值線、等值面、粒子追蹤和流線繪制的操作和使用簡(jiǎn)單，無(wú)需編寫代碼。

2.2Ensight接口介紹

Ensight作為專用的科學(xué)可視化平臺(tái)，數(shù)據(jù)接口豐富，其具備AcuSolve、ADINA、Airpak、ABAQUS、 ADAMS、ANASYS等數(shù)十款計(jì)算力學(xué)軟件的數(shù)據(jù)接口。對(duì)這些商用程序，我們可以在Ensight中直接讀取計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行圖像化操作和數(shù)據(jù)的二次處理。同時(shí)，Ensight具備自己的專有數(shù)據(jù)接口文件格式: Ensight5、Ensight6和Ensight gold。我們的目標(biāo)是將FORTRAN或其他高級(jí)語(yǔ)言的文本計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成以上任意一種格式的文件，實(shí)現(xiàn)讓Ensight進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)可視化。以Ensight6格式為例，它需要的數(shù)據(jù)文件由以下三類文件組成，

一個(gè)案例配置文件(case文件)：此文件包含了數(shù)據(jù)版本申明、幾何模型文件和數(shù)據(jù)文件的配置；

一個(gè)幾何模型文件(geo文件)：文件中給出了所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)以及網(wǎng)格和單元類型信息；

數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)文件：每個(gè)物理量單獨(dú)組成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，可以包含各類自定義的計(jì)算結(jié)果。

2.3接口轉(zhuǎn)換程序的編寫

本文使用MATLAB的字符處理功能編寫基于Ensight6標(biāo)準(zhǔn)的接口轉(zhuǎn)換程序[6]。為實(shí)現(xiàn)算例，編寫的代碼功能和流程如下。

2.3.1案例文件部分(case文件)編寫流程

(1)配置字符串信息，其中包含case文件需要的幾何文件和數(shù)據(jù)文件信息；

(2)生成case文件，并依據(jù)配置寫入相關(guān)信息。

2.3.2幾何文件部分(geo文件)

(1)讀取FORTRAN計(jì)算結(jié)果；

(2)提取字符串信息，其中包含geo文件需要的網(wǎng)格和單元配置信息；

(3)對(duì)FORTRAN的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行delaunay網(wǎng)格劃分，從而確定合適的面信息，將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合成合適的三角形單元；

(4)生成geo幾何文件，以Ensight6格式寫入節(jié)點(diǎn)和單元信息。

2.3.3數(shù)據(jù)文件部分

(1)配置字符串信息，其中包含case文件需要的配置信息；

(2)讀取FORTRAN計(jì)算結(jié)果；

(3)生成相應(yīng)后綴名的數(shù)據(jù)結(jié)果文件，以Ensight6格式寫入計(jì)算的結(jié)果值。

3垂直雙U型地埋管換熱器算例

本算例通過(guò)FORTRAN編寫的邊界元程序進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果， 包含平面內(nèi)7 472個(gè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。其物理情形為一個(gè)豎直雙地埋管，在管段上截取一水平微元段，建立地埋管的二維傳熱模型，如圖3。土壤外邊界溫度T=18°C，外邊界直徑d=8m，管中流體及內(nèi)壁溫度設(shè)為 35°C[10]。

圖3　雙U型地埋管橫截面示意圖

以下是我們生成的案例文件，其中example.geo為幾何文件名，Temperature_2u.Nsca為溫度標(biāo)量數(shù)據(jù)文件名，Temp_De.Nvec為溫度梯度矢量數(shù)據(jù)文件名。

FORMAT

type: Ensight

GEOMETRY

model: example.geo

VARIABLE

scalar per node: Temperature Temperature_2u.Nsca

vector per node: Potential_derivative Temp_De.Nvec

以下是生成的幾何文件，利用了結(jié)果文件中的7 472個(gè)節(jié)點(diǎn)，由14 650個(gè)三角形單元組成。

This is the 2nd description line of the Ensight6 geometry example

This is the 1st description line of the Ensight6 geometry example

node id given

element id given

coordinates

7472

1-1.20000e-01-1.20000e-01 0.00000e+00

……

7472 2.50000e-02-1.25000e-02 0.00000e+00

part 1

2D

tria3

14650

1223522342308

2134514171418

……

14650511851915192

以下是生成的溫度梯度矢量數(shù)據(jù)文件，包含7 472個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)文件與其類似。

Per_node vector values for the Ensight6 geometry example

2.80610e+01 3.23241e+01 0.00000e+00 2.81033e+01 3.31175e+01 0.00000e+0……

2.83082e+01 3.72438e+01 0.00000e+00 2.83476e+01 3.80906e+01 0.00000e+00

生成如上文件后，在Ensight中可以打開(kāi)案例文件。

打開(kāi)案例文件進(jìn)行圖像計(jì)算，可以獲得類似圖4的的初步結(jié)果演示。

圖5是面插值之前的網(wǎng)格，可以看見(jiàn)劃分的三角形單元。

圖4　Ensight中生成的單元網(wǎng)格演示(溫度單位:℃)

圖5　Ensight中顯示的單元網(wǎng)格細(xì)節(jié)

圖6是面插值并繪制等溫線之后的圖像，圖中我們?cè)O(shè)置了四個(gè)數(shù)據(jù)探針觀察相應(yīng)坐標(biāo)的溫度。

Ensight中所有的對(duì)象均為三維體，如圖7，我們可以方便地對(duì)FORTRAN生成的二維物理場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三維觀察。

圖6　繪制等溫線之后的溫度場(chǎng)圖像(溫度單位: ℃)

圖7　三維視角查看對(duì)象(溫度單位: ℃)

在圖8中我們?cè)O(shè)置了溫度剖面，同時(shí)將溫度映射成模型高度，生成了三維模型。

Ensight可以對(duì)物理量梯度進(jìn)行計(jì)算。圖9為將溫度梯度作為變量進(jìn)行矢量追蹤動(dòng)畫時(shí)的截圖，箭頭方向?yàn)闇囟忍荻鹊闹甘痉较颉?/p>

圖8　U型地?zé)峁軣釄?chǎng)問(wèn)題的三維展示(溫度單位: ℃)

圖9　溫度場(chǎng)中溫度梯度展顯示(溫度單位: ℃)

4總結(jié)

本文使用圖像處理工具Ensight實(shí)現(xiàn)了FORTRAN計(jì)算結(jié)果的可視化。借助基于硬件API的專業(yè)后處理平臺(tái)，通過(guò)編寫可重復(fù)使用的接口轉(zhuǎn)換程序，F(xiàn)ORTRAN計(jì)算結(jié)果可以得到更加快捷和全面的展示，計(jì)算數(shù)據(jù)檢驗(yàn)也變得更加容易。使用FORTRAN等高級(jí)語(yǔ)言獲得的文本計(jì)算結(jié)果編制圖像，可以得到不弱于大部分商業(yè)計(jì)算力學(xué)的后處理模塊的展示效果。

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[責(zé)任編輯：張永軍]

Visualization of Scientific Data Using Ensight

XUE Wei-wei， CHENG Chang-zheng

(School of Civil Engineering， Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Abstract:FORTRAN and C programs are extensively used as numerical calculation tools by researchers in various fields, and the numerical results are usually output in the text format. A field image can be obtained using Ensight via establishing the data interface of the Ensight software, and converting text results of a FORTRAN boundary element method example into a Ensight input file. The advantages of this technique are good visual effect,low development effort, better graphics library for hardware support and so on. In addition, observing the data and adding the equivalent line can be further accomplished in Ensight.

Key words:Ensight;FORTRAN;visualization; scientific data

中圖分類號(hào)：TP314

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-162X(2016)01-0041-05

作者簡(jiǎn)介：薛偉偉(1986—)，男，安徽蕪湖人，合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院2013級(jí)碩士研究生；研究方向：土木工程中的計(jì)算力學(xué)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372094)資助。

收稿日期：2015-12-10