动态可视化仿真技术简介

1.概述

可视化是指在人脑中形成对某种事物或者信息的图像,它是一种心智处理过程,促进对事物的观察力及建立概念等。科学计算可视化就是采用计算机图形技术将计算所获得的大量抽象数据转化为人们的视觉能直观感觉到的图形图像,从而进行数据探索和分析。在水电工程中的可视化技术也正是采用计算机图形学原理来直观地展示工程设计条件,给工程设计人员提供人性化的、直观的、可感知的可交互环境,反映真实的施工场景,让决策者最快地掌握施工条件和状况,高效准确地作出决策。水电工程中可视化技术的最早应用应该归属于数字化地图。数字化地图采用基本的点、线、面以及专业的图形标示符,来表达地形地貌以及地质构造等。随着行业发展,新的计算机技术如信息高速公路、多媒体技术、虚拟现实技术、地理信息系统等都逐渐成为工程可视化的应用技术基础。

可视化包含信息交流和认知分析。认知分析是主要的部分,是追求的主要技术目标,但视觉的和非视觉的多种交流方式也是不容忽视的。工程信息可视化的认知涉及人的空间模式识别和图形形象思维能力,而其间的分析则是被认为比交流更有意义的因素。过去地图学家总被认为是地图设计专家,而较少涉及地图的使用和地学分析。地图可视化和多媒体技术的应用已经对传统的地图学交流传输理论模型产生了重要的影响,传统的、单调的二维空间图形已经不能满足现代工程领域设计理念的要求。

近年来,有学者进行了大量的相关研究,地理信息系统、虚拟现实技术等新技术被广泛应用到工程设计领域,提高了工程设计水平,但相关产品与工程实际应用还有一定的差距,需进一步提高。水利水电工程信息可视化毕竟是一个跨多学科的复杂课题,要提高可视化系统的工程实用性,不仅需要扎实的计算机技术基础,而且需要掌握水电工程领域的规划、设计、施工等基本技术及概念,只有通过反复的实践,才能将可视化技术贯穿整个水电工程信息管理,为其提供一个真实、可自然交互的管理平台。

2.地形地质信息可视化

地理信息可视化是目前GIS领域和地图学的研究热点之一,随着3S技术以及其他空间技术的发展,空间数据的获得越来越方便,地学视觉化为数据使用者提供了重要的数据界面,供显示、分析和决策之用。虚拟现实技术以其强大的多维感官表现力为地学可视化提供了便利的工具。可视化概念模型如图6-3-5所示。

图6-3-5　可视化概念模型(www.xing528.com)

3.地形信息可视化展望

科学可视化主要是为了科学发现而进行的视觉思维活动,侧重于知识构建而不是数据存储。科学可视化在工程设计中的作用体现在两个方面:探究和协作。探究是对未知现象的探索和研究分析。协作则是更重要的一方面。水利水电工程在规划、设计、施工整个过程中,涉及许多专业和非专业人士及普通大众,由于专业背景不同,对工程现状的认识也不同,他们之间的最好交流方式就是通过地图、照片、三维立体模型等图形工具。传统的协作是在较为集中的方式下进行的,召集不同部门的专业人员开会,讨论规划设计方案。在新地图学的支持下,势必会出现新的协作环境。例如,基于分布式的虚拟现实仿真系统,就可以在无限制客户端数量的情况下让规划者、决策者、设计者甚至大众交流想法、讨论设计方案。可以将可视化想像成一个试验平台,研究者可以进行一个重复的可控制的探究。在可视化的背后可能存在复杂的分析模型,这样科学可视化局限在非公众范畴,以探究和确证为目的。但是传统的地图主要是对已知知识的综合和表示,为视觉传输服务,面向公众范畴。基于高度动态和交互计算机环境的地图学兼优上述两个功能:视觉思维和视觉传输。在水利水电工程的应用中,将地形、地质等设计条件、移民与库容相关性,以及多项工程参数从比较狭隘的非公众范畴,通过视觉思维和可视传输,经由挖掘、确认、合成、阐述变换到公共领域,使得信息发挥最大的价值。

基于VRGIS地图学,可以进行新地图学的构思。VRGIS是虚拟现实技术与GIS的集成,而传统的GIS以虚拟现实作为主要界面和交互方式,如图6-3-6所示。

图6-3-6　基于VRGIS地图学模型框架

在以上模型框架中,GIS提供丰富的空间数据源,通过对海量数据的有效管理,达到平稳切换、调用、修改,而虚拟现实系统则能用较真实的形式,实现大量数据的视觉化。以水利水电工程平面总布置为例,以真三维的虚拟现实环境为设计界面,以CAD 系统的便利设计功能为核心,在GIS强大的数据库功能支持下,在充分理解地形、地质等综合信息的基础上直接进行三维道路布置、渣场设计、水工建筑物的布置等工作。这将是对工程设计乃至地图学的一次新的革命。

4.可视化仿真

可视化仿真(Visual Simulation,VS)是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术,其实质是采用图形或图像方式进行仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理,同时实现仿真软件界面的可视化,具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后,系统的子模块用形象的图形来表示,并可通过鼠标在屏幕上进行直观形象的操作,就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节:仿真建模过程可视化、仿真计算过程可视化和仿真成果可视化。