高性能三维图形渲染技术应用

一.技术背景

    科学计算可视化、计算机动画及虚拟现实是最近几年来在计算机图形学领域内三大发展方向，其技术核心均为三维真实感图形。当前三维实时渲染技术在军事、航天、航空、医学、地质、勘探、三维游戏和工业计算机辅助设计等方面有着十分广泛的应用。

二.技术优势

      随着计算机辅助设计(Computer-Aided Design,CAD)技术的快速发展与深入应用，制造企业信息化已经由二维时代发展到三维时代 。全三维设计技术使传统设计、制造方法产生了革命性变化，同时也是目前先进设计制造技术发展的必然趋势。

      以实体模型为核心的基于模型定义技术(ModelBased Definition，MBD)已经成为覆盖产品整个生命周期过程中快速研制、开发方法，MBD技术真正完成了产品三维数字化定义、三维数字化设计仿真、三维模型应用的高度集成与协同，建立了全三维数字化设计研制模式。随着全三维数字化设计制造模式的快速应用，三维模型结构越来越复杂，模型越来越大，大模型可视化愈发具有挑战性。

      西安流固动力科技有限公司在研发工业仿真软件时，基于客户的真实需求，以及工业仿真的实际应用，研究出具有自身特色的高性能三维图形渲染技术，并在流体系统分析平台、多物理场耦合分析平台、涡轮冷却叶片综合仿真设计平台等多款自主仿真软件中成熟应用。

三.技术创新点

3.1高性能渲染技术的创新点

      对高性能渲染的流程、层次划分和各个模块可优化点研究。针对数据处理技术和预处理方法的研究， 建立了对各种三维网格模型的数据解析、 常用几何模型的处理和网格化处理方法。实现对模型验证方法、二次误差、畸变优化等方法体系的建立。另外对场景渲染加速进行可行性研究， 完善对具有工业领域数据特点模型的各种面着色、点着色、顶点缓存和顶点压缩算法的实现。

3.2三维实时渲染技术的创新点

      实时渲染需要实时的将几何体渲染成图片并快速的显示在显示设备上，包含多方面的算法和技术支持。包括场景的复杂度降低多种技术方法，对光照、阴影和纹理计算,双缓冲加速技术及可编程的渲染管线优化技术和多线程渲染技术，存在多种技术难点。实现动态纹理和映射动画技术的难点。

      打破传统的场景渲染方法，首次使用异步叠加式片元处理。在实际渲染过程的同时，为了缩短渲染时间，将多线程下异步叠加的方式，对同一场景进行多次异步叠加处理。

3.3三维模型轻量化技术的创新点

      打破以往的轻量化技术存在的不足，建立了一套高效的轻量化几何模型需要对模型进行拓扑压缩方法，并能够保证几何模型的相对完整、可用性。考虑工业仿真过程使用到CAD软件种类繁多，而不同的CAD软件对模型的着色处理不尽相同，因此轻量化加入了不同着色机制的兼容处理。

3.4交互式可视化技术的创新点

      在工业仿真软件中，首次引入了碰撞检测和触觉感知，实现用对三维复杂模型空间的操控，特别是对于复杂模型内部结构的查看和控制操作。

3.5后置处理技术的创新点

      研究并融合了一套具备解析、绘制和输出为一体的复杂三维后处理的工具，特别是对于三维云图、瞬态云图(云图动画)、矢量图、流线图等处理手段。创建了基于复杂实体网格的云图切片算法，和曲面切割算法。首次引入主次场景概念，实现对多工况下后处理数据的对比展示。