前言在数字孪生和仿真研究过程中，会产生大量与三维空间相关的数值信息，如设备外观扫描数据、地形扫描数据、生产设备温度场/压力场、流体速度场、流体扩散，以及各种模拟数据：速度、压力、应力、温度等。这些数据的特点是数据量大，不直观使用二维图表呈现数据的三维分布和数据随时间的变化。图普软件是一个基于WebGL的3D可视化引擎，封装了基于WebGL的基础3D模型创建和展示API。同时也封装了丰富的数学运算库，涵盖了多维变换、几何计算等。TupuSDK开放灵活的架构也使得用户开发扩展功能非常方便，比如热图(体积)插件、流场粒子显示插件、体积渲染插件等强大灵活的3D引擎，让用户轻松实现3D模型的渲染和编辑功能。用户无需关心繁琐复杂的WebGL操作，可以专注于应用的业务层，节省开发成本，加快开发进程，通过三维动态直观的展示方式挖掘隐藏的信息内容以提升应用价值。本文讨论使用图普SDK实现的方法有以下6种呈现方式：模型表面纹理模型3D网格粒子流纹理粒子流体体积渲染点云在下面介绍的方法中，为了提高前端性能和用户体验，大量的所有数据处理操作都可以在服务器上实现。前端只负责少量的计算和效果展示。下图展示了整个系统的架构：模型表面纹理对于需要显示表面数据的应用，比如设备表面的温度、压力等，输入数据是点坐标和数据值的集合在模型表面上，例如x,y,z,value。实现方法：根据模型上每个点的value值，计算出这张点图的UV值。实现示意图如下：有两种情况需要使用插值算法重新生成数据：模型的表面纹理和模型的三维网格如下。主要的添加是使用反距离加权重新生成数据。由于这一步计算量较大，需要放在服务器上作为数据预处理功能。Model3Dmesh显示在2D表面上的3Dmesh的属性在上一节“ModelSurfaceTexture”中已经介绍过。这里主要介绍3D网格，用来显示3D信息，比如3D速度场，3D温度场等，因为是三维体，所以网格的颜色信息无法通过纹理给出。此时需要通过插值算法计算规则空间网格的场信息。例如在x、y、z整数值的点处插值样本。采样得到的空间场信息以素材的形式传递给图扑SDK。渲染每个点时，SDK会在该点周围的空间内对4个点进行插值拟合得到属性值，并根据属性值的范围计算出渲染的颜色。具体过程参考下图：上图是基于钻井数据的3D地质模型可视化（点击文字跳转查看智慧煤矿往期回顾）。智慧矿山是一个汇集了多学科、多主题、多维空间信息的复杂系统。对矿产资源地表、井下开采等工程活动中涉及的各种静态、动态信息进行全数字化管理、智能分析、可视化展示，实现降本增效，实现企业效益最大化。对于风场、水流场、压力场等需要在一个表面上显示的流体场，需要动态显示粒子流图，可以使用图普粒子插件实现-在。系统基本原理如下图所示：将二维流体场信息作为纹理资源发送给图扑SDK。SDK使用贴图存储粒子位置信息，利用流体场和粒子位置计算下一帧的粒子位置。然后将上一帧的输出与当前的输出融合，实现粒子的移动轨迹效果。Tupu粒子插件可以实现以下参数可调：粒子大小、粒子形状、粒子流速、粒子数显示、阈值模拟精度等。粒子流体需要显示三维空间的矢量场，比如风场，速度场等，以动态的方式呈现。可以使用图扑粒子插件来实现。插件的主要输入数据是3D矢量场。它是通过在服务器端以固定间隔对向量场进行采样和拟合得到的。图普3D粒子插件可以实现类似2D粒子流的参数调整：粒子大小、粒子形状、粒子流速、粒子数显示阈值等。在立体图形上。体绘制可以将三维空间的数据显示在二维平面上，可以直观窥探物体内部细节，因此可以应用于各种电、热、磁场模拟，水污染扩散模拟，海洋遥感三维可视化、医学影像（CT）显示等。在电力工业中，变压器是重要的设备。变压器绕组的温度分布，尤其是热点温度，是制约变压器安全和使用寿命的重要因素。在这种情况下，变压器绕组的温度场通过体绘制显示。首先通过有限元仿真，模拟变压器内部的热传导过程，最终得到变压器内部的温度分布。利用有限元仿真的温度数据，通过插值的方法得到整个绕组的温度切片。插值算法有很多种，如反距离加权法、克里金法、自然邻域法、样条函数法等。这里使用反距离加权算法。体绘制算法有很多种：光线投射算法、滚雪球算法、交错变形算法。与三种算法相比，光线投射算法的计算量相对较大，但绘制的图像质量较高，有利于保留图像细节。这里我们选择光线投射算法。为了保证渲染速度，我们需要优化光线投射算法，减少不必要的计算。通过优化，可以在非集成显卡的普通PC上轻松实时渲染超过百万点的有限元分析结果。此外，可以裁剪渲染图以显示绕组任何部分的温度分布。以下案例是体绘制在CT可视化领域的应用：点云地图引擎内置了对点云的支持。支持的点数可以达到数千万。点云中每个点的纹理/形状都是可配置的。点云可用于显示模型本身或模型表面的属性信息，如压力、温度等。对于激光点云数据，通常一个点的信息包含三维坐标和颜色值，如x、y、z、r、g、b六个字段。将3D坐标和颜色信息传递给TupuPointCloud可以直接显示模型。对于大场景或者高精度的点云模型，由于点数据量巨大，不可能全部展示出来。利用空间划分和LOD技术可以生成不同分辨率的点云模型，按需加载。当需要显示本地高精度模型时，只加载本地高精度模型信息。对于显示变化过程的需要，Tupu引擎支持自定义插件（shaders）。通过将多个时间点的颜色信息传递给着色器，着色器根据时间进度信息，对某一时刻t的颜色进行插值计算，进行渲染。JavaScript主程序循环更新运行时间t。这样做的好处是主要的计算量放在显卡上，模拟进度（时间）可以灵活调整，整个显示过程流畅不卡顿。流程参考下图：更多应用场景仿真分析技术的应用范围涵盖了社会的方方面面。在本文中，我们还介绍了图普可视化引擎在数值模拟分析领域的应用。仿真分析的意义和作用在于，当所研究的系统昂贵、实验危险或需要较长时间才能了解系统参数变化的后果时，仿真是一种特别有效的研究方法。结合图普软件的Web可视化引擎，对工程仿真、气象预报、生命科学、科研教育、电力系统、交通运输、工业制造等不同领域的发展起到了推动作用，为行业注入了新的动力。不同行业的发展。图普软件强大灵活的前端可视化引擎是自主研发设计的，没有使用第三方开源库。友好的API和灵活的扩展性使得TupuEngine开发的产品具有高性能和高扩展性，用户可以灵活方便地实现各种展示效果。图普软件已广泛应用于智慧城市、园区、楼宇、工厂、智能制造、水务、能源、光伏、风电、电力、新基建、运维、政务、交通、医疗、金融、科技等领域研究等行业。累计为包括三一重工、宝信、南瑞、华为、腾讯、西门子、施耐德、霍尼韦尔等多家国内外企业提供专业的数字化服务，为企业提供设备实时监控、运维、安全预警、仿真等服务分析等相关需求。更多行业应用示例，请参考海拓普软件官网案例链接：https://www.hightopo.com/demo...
