機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè) 三維體數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在鑄造工程中的應(yīng)用研究

三維體數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在鑄造工程中的應(yīng)用研究摘要：隨著現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，可視化技術(shù)也得到了快速發(fā)展。可視化技術(shù)主要是用于科學(xué)計(jì)算，其在計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用的后置處理中得到了十分廣泛的運(yùn)用。在工程中利用計(jì)算機(jī)的輔助分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的可視化技術(shù)可對系統(tǒng)的應(yīng)用效果產(chǎn)生直接的影響，尤其是對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，從而對鑄造充型過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行直接以及真實(shí)地表現(xiàn)。經(jīng)過現(xiàn)存的分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)主要利用的網(wǎng)格顯示方法對分析系統(tǒng)進(jìn)行顯示，但是缺乏對空間單元的不同狀態(tài)進(jìn)行有效表示以及對系統(tǒng)內(nèi)部細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)地表述。利用曲面進(jìn)行表示發(fā)現(xiàn)，雖然這時(shí)可對切片技術(shù)以及剖面技術(shù)進(jìn)行利用，從而對數(shù)據(jù)場內(nèi)部發(fā)生的變化規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的觀察。但是，由于在其中可以被表示的信息量是十分有限的，且缺乏對其進(jìn)行整體以及一致性的描述。在三維體數(shù)據(jù)可視化技術(shù)中利用到的體繪制算法可以在其中使用到計(jì)算機(jī)輔助工程。通過對物體中的三維數(shù)據(jù)授予其他的顏色以及不透明度的條件，可以對三維數(shù)據(jù)場內(nèi)內(nèi)部的細(xì)節(jié)進(jìn)行有效表示，如利用工程中的分析軟件可以對鑄件內(nèi)部的縮孔位置進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，為在設(shè)計(jì)階段使得產(chǎn)品的制造過程以及質(zhì)量得以真實(shí)表現(xiàn)，在虛擬設(shè)計(jì)以及鑄造業(yè)技術(shù)發(fā)展過程中起到了重要的作用。關(guān)鍵詞：三維體數(shù)據(jù)、可視化技術(shù)、鑄造工程、應(yīng)用研究現(xiàn)今，隨著可視化技術(shù)的發(fā)展迅速，可視化技術(shù)在鑄造業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用?？梢暬饕褪侵笇θ四X中的印象構(gòu)造過程所進(jìn)行的一種仿真，從而對用戶的判斷以及理解進(jìn)行支持。具體地說，它是將科學(xué)計(jì)算的過程以及計(jì)算得到的結(jié)果所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形或圖像信息的轉(zhuǎn)換，并對其進(jìn)行交互式分析?？梢暬募夹g(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)今信息時(shí)代人類進(jìn)行信息分析的主要工具1。三維可視化技術(shù)也是現(xiàn)今計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)研究的主要方面，需要對合理的空間算法進(jìn)行研究，從此實(shí)現(xiàn)在三維空間中對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行真實(shí)再現(xiàn)，從而為用戶提供一種方便、直觀以及快捷的顯示手段。上世紀(jì)八十年代開始，科學(xué)可視化開始得到了發(fā)展。通過在鑄造工程中應(yīng)用可視化技術(shù)，使得鑄造工程中的三維空間可視化研究具有了一定的可能性。相較于其他工程來說，鑄造工程具有其自身的復(fù)雜性，因此在工程設(shè)計(jì)中對施工的過程進(jìn)行不間斷的變更，這主要依據(jù)的就是從現(xiàn)場中獲取的各種必要信息2。從現(xiàn)場獲取到的信息具有信息數(shù)量較大，種類較豐富等原因，因此需要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速處理，并對其結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析，對現(xiàn)場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及指導(dǎo)施工之后，再對其進(jìn)行及時(shí)反饋。一、 可視化技術(shù)在鑄造工程中的實(shí)際應(yīng)用就目前來看，可視化技術(shù)在鑄造工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，建立三維建模系統(tǒng)?？梢暬夹g(shù)現(xiàn)今在鑄造工程中已經(jīng)得到了廣泛利用，并通過對規(guī)則網(wǎng)格或者是Delaney三角網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，在其中建立相應(yīng)的三維地表模型。三維地質(zhì)的實(shí)體模型開發(fā)以及相關(guān)的研究在現(xiàn)今也取得了一定的進(jìn)步3。其次，三維數(shù)值模擬分析。在進(jìn)行數(shù)值分析的時(shí)候，三維分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)比二維分析具有更大的意義以及價(jià)值，也只有在鑄造工程中進(jìn)行相應(yīng)的三維分析，才能使得計(jì)算以及分析的方法更加科學(xué)合理。在三維有限元分析的前處理以及后處理功能中主要依賴于可視化的技術(shù)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。再次，進(jìn)行三維可視化研究，在對鑄造工程的穩(wěn)定性分析的過程中，由于鑄造與其他工程具有一定的區(qū)別性，通過三維可視化圖形可對工程的實(shí)際情況有個(gè)更為詳細(xì)的了解，從而對其進(jìn)行準(zhǔn)確的科學(xué)分析，并對地質(zhì)問題作出合理以及科學(xué)的結(jié)論或決策。綜上所述，從宏觀角度來說，可視化技術(shù)的基本方法具有數(shù)據(jù)場、標(biāo)量場以及矢量場、張量場以及其他數(shù)據(jù)的可視化。要想對可視化過程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)構(gòu)模、圖形生成等等4。利用可視化技術(shù)可以對鑄造工程進(jìn)行相關(guān)的圖形模擬，從而在其中對傳統(tǒng)復(fù)雜抽象的符號(hào)進(jìn)行了極大的減少，以一種更加直觀以及形象的表達(dá)方式對鑄造工程的環(huán)境進(jìn)行表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)用戶與模擬系統(tǒng)之間的交互操作，可對人們研究空間分析的能力進(jìn)行極大提高。二、 鑄造工程中的三維可視化研究科學(xué)的可視化技術(shù)主要就是將科學(xué)計(jì)算過程中以及得到的計(jì)算結(jié)果所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一定的圖形或者是圖像信息，并對其進(jìn)行相應(yīng)的交互式分析。計(jì)算機(jī)在圖形設(shè)備上可以生成一定的真實(shí)可感的三維圖形，這時(shí)必須對4個(gè)基本任務(wù)進(jìn)行完成：首先，利用數(shù)學(xué)方法建立三維場景中所需要的幾何描述，并將其在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行輸入。這部分的工作可由三維立體造型或者是曲面造型系統(tǒng)來幫助其完成。場景中的幾何描述也會(huì)對圖形的準(zhǔn)確以及圖形繪制的計(jì)算耗費(fèi)進(jìn)行直接影響，從而對有效的數(shù)據(jù)表示或合理的輸入手段產(chǎn)生一定的影響。其次，將三維幾何轉(zhuǎn)化為二線透視圖，可以通過對場景中的透視進(jìn)行變換來完成。再次，對場景中的所有可見畫面進(jìn)行確定，一般會(huì)使用到隱藏面消除算法，從而將視域之外或者被物體所遮擋住的不可見面進(jìn)行消除5。最后，對場景中的可見面顏色進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。 主要是根據(jù)光學(xué)物理的光照明模型對可見面投射的光亮度大小以及色彩進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并將其轉(zhuǎn)化為適合圖形設(shè)備的相關(guān)顏色值，從而對投影畫面上的每一像素顏色進(jìn)行確定。在利用明暗處理模型對畫面上的每一像素顏色進(jìn)行確定，從而最終形成圖形。另外，在三維動(dòng)態(tài)可視化中還需要另外增加一個(gè)處理步驟，也就是在生成三維動(dòng)畫所需要的相關(guān)要素。鑄造工程所需要處理的對象性質(zhì)較為復(fù)雜，因此，需要研究使用三維數(shù)據(jù)的相關(guān)結(jié)構(gòu)以及其他有效的建模技術(shù)，可以對工程的實(shí)際情況進(jìn)行充分反應(yīng)，且便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的管理以及操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的高效顯示以及其他所需的分析基礎(chǔ)6。為了從不同角度對鑄造工程網(wǎng)絡(luò)更好地進(jìn)行研究分析，就可以對三維網(wǎng)絡(luò)圖來進(jìn)行充分利用，還可以通過這一技術(shù)生成一系列的切面圖。在工程中的三維模擬技術(shù)工程應(yīng)用中一般涉及到以下幾個(gè)方面：一是結(jié)構(gòu)面連通性分析，需要對工程的實(shí)際情況以及工程的穩(wěn)定性進(jìn)行相應(yīng)的分析，對其中可能存在的安全隱患進(jìn)行詳細(xì)分析。二是對工程的RQD值進(jìn)行相應(yīng)的估算。三、 實(shí)現(xiàn)方式現(xiàn)今，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、科學(xué)計(jì)算的可視化技術(shù)以及三維真實(shí)感圖形學(xué)等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，空間數(shù)據(jù)的相關(guān)圖形表達(dá)也可以從二維靜態(tài)的圖形顯示發(fā)展到動(dòng)態(tài)的三維可視化以及相關(guān)虛擬顯示技術(shù)的動(dòng)態(tài)顯示。三維工具在現(xiàn)今社會(huì)也出現(xiàn)較多，其中利用較為廣泛的三維圖形語言主要有java3D、VRML以及OpenGL等等7。利用這些工具可以實(shí)現(xiàn)對三維模型的再次建造，從而對三維圖形的交互操作進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)方式的基本圖形操作技術(shù)一般來說主要有：物體的繪制技術(shù)、著色技術(shù)以及混合技術(shù)、反走樣技術(shù)、光照模型技術(shù)以及霧化技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)等等。其中具有一定代表性的技術(shù)就是專業(yè)的圖形處理，科學(xué)計(jì)算等等進(jìn)行高端應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)圖形庫。利用OpenGL可以對三維可視化進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而對透視、肖隱以及光照等問題進(jìn)行實(shí)際解決8。開發(fā)者還需要對實(shí)體內(nèi)的可視化建模進(jìn)行相應(yīng)的解決，其中包括對控制點(diǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換以及三角格網(wǎng)的建立、計(jì)算法向量等等。在進(jìn)行三維顯示的時(shí)候，也可對OpenGL原理進(jìn)行利用，場景中的數(shù)據(jù)首先被轉(zhuǎn)換為點(diǎn)線面等圖形元形式進(jìn)行加工，并注意逐個(gè)頂點(diǎn)完成之后，需要進(jìn)行一定的光柵化，對其表面紋理進(jìn)行張貼之后，生成二維片段。再將每個(gè)片段進(jìn)行相應(yīng)的處理之后就可以得到像素，將像素中的參數(shù)存入到相應(yīng)的緩沖區(qū)。在處理的過程中，需要對片段是否被遮擋進(jìn)行判斷，只有在視角內(nèi)的像素才能在緩沖區(qū)中寫進(jìn)。最后可以讓緩沖區(qū)的相關(guān)像素在窗口進(jìn)行顯示，再利用OpenGL對三維可視化實(shí)體進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。因此，利用該項(xiàng)原理可以對三維建模以及其他的三維圖形進(jìn)行顯示，是現(xiàn)在的三維技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛，也是首選的一項(xiàng)技術(shù)9-11。結(jié)語：鑄造工程屬于一種復(fù)雜的系統(tǒng)，在鑄造工程中實(shí)現(xiàn)可視化需要應(yīng)用到大量的高新技術(shù)以及其他很廣泛的專業(yè)知識(shí)，甚至對多個(gè)學(xué)科以及領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)技術(shù)都進(jìn)行了運(yùn)用。由于在三維可視化技術(shù)中對數(shù)據(jù)處理具有很大程度的高效性以及直觀形象性，因此，在鑄造工程中運(yùn)用這種技術(shù)具有十分突出的意義。隨著對鑄造工程領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)內(nèi)容研究不斷加深，可視化技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域中也將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1郝源,賴南.淺談三維可視化技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2013,02:117-118.2鄭迪,嚴(yán)勇,楊光.移動(dòng)三維可視化技術(shù)在水電工程施工中的應(yīng)用J.人民長江,2013,05:15-17+26.3吳宏,董金義,李瑞冬,張華偉,尚海龍,曾建軍.三維可視化技術(shù)在舟曲縣城區(qū)災(zāi)后重建泥石流防治工程中的應(yīng)用J.冰川凍土,2013,02:383-388.4吳沖龍,何珍文,翁正平,劉軍旗.地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的屬性、分類和關(guān)鍵技術(shù)J.地質(zhì)通報(bào),2011,05:642-649.5葉思源,吳樹仁,歐陽永龍.地質(zhì)三維可視化建模與其剖面自動(dòng)制圖應(yīng)用研究J.地質(zhì)與勘探,2011,03:498-504.6袁立偉,楊樹文,楊維芳,劉濤.基于ENVI+IDL的遙感三維地形可視化技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)J.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,03:116-119.7楊建元,夏松林,張?jiān)魄?李壯,王康.三維可視化技術(shù)在海上平臺(tái)工程建設(shè)項(xiàng)目管理中的應(yīng)用J.項(xiàng)目管理技術(shù),2016,07:87-91.8孟永東,蔡征龍,徐衛(wèi)亞,田斌,周建軍.邊坡工程中監(jiān)測數(shù)據(jù)場三維云圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化方法J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,S2:3482-3490.9張洋洋,周萬蓬,吳志春,郭福生,鄭翔.三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及建模實(shí)例J.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2013,03:403-409.10蔡柏松,王建康.3DGIS技術(shù)在管道完整性管理中的應(yīng)用J.天然氣工業(yè),2013,12:144-150.11徐文杰,唐德泓,譚儒蛟,張啟斌.數(shù)字基坑系統(tǒng)在深大基坑工程中的應(yīng)用J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,S1:3510-3517.