（机械设计及理论专业论文）数据场可视化系统研究及其在轴承摩擦润滑分析中的应用.pdf

内容提要内容提要自8 0 年代以来，随着科学与工程研究领域的不断拓展、深化以及计算、测量设备能力的不断提高，由此类数据源所产生的信息也在呈几何级数增长。传统的数值界面研究方法已无法满足对数据进行充分分析的要求。在8 0 年代以前，研究人员所采取的各种解释数据的方法都还是出于自发的行为，尚无相应的理论研究如何运用计算机进行高效的数据分析。科学计算可视化技术的出现改变了这一状况。科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t m g , 缩写为v i s c ) 这一概念是由美国科学基金会( n s f ) 的高级科学计算部门于1 9 8 6 年1 0 月提出的n s f 的目的是要把计算机图形学和计算机视觉综合应用于计算科学它充分利用了图形信息一目了然的特点，以此来加强人们对科学数据的处理效率与理解深度。科学计算可视化已成为计算机应用的一个新热点。，f 本文所作的工作如下：l一、针对目前国内在机械设计领域可视化技术应用几乎处于空白状况这一现实藏们开发了轴承摩擦润滑多能可视化系统( m u l t i f u n c t i o nv i s u a h z a t i o ns y s t e mo f b e a r i n g sf r i c t i o na n dl u b r i c a t i o n 简称m v s b ) ，它是以数据场的可视化技术为基础，同时满足数据分析、数据采集与控制及多媒体教学要求的一套专业型集成软件系统，该系统的主要目的是为轴承摩擦润滑研究者提供一个高效、快捷的可视化辅助研究环境。开发该系统的动机是要将v i s c 与具体专业相结合。目前，面向机械行业的可视化商品软件主要集中在有限元与流体计算方面，针对具体机械零部件的v i s c 系统目前尚未见端倪。开发这样的专用系统可以使分析工具专业化，从而大大提高研究效率。二、在系统的研发过程中，在实现可视化系统通用功能的前提下，针对目前可视化系统普遍存在的某些缺陷，本文还作了如下的创新和改进：1 、提供了虚拟现实界面，增强数据场的动态控制能力从而弥补静态数据图形图像操纵性差的缺陷；2 、充分提供了专业算法构模软件的支持，如提供m a t l a b 的m 文件生成向导、m a t h c a d 功能集成等。并考虑q 不同算法开发水平的研究人员的具体情况，提供了多层次的开发界面；3 、提供了可视化系统与外部设备的双向通道，使m v s b 不仅成为信息的接收方而i、厂内容提要且成为信息的发送方；4 、在系统具体实现方面尽可能多地使用适应于p c 平台计算能力的开发技术，以降低对计算平台的要求，从而提高系统的普及性；5 、使可视化系统不仅能应用于数据分析，并且扩展到外部设备监控及多媒体教学。本论文所述的是数据场可视化技术的实现及m v s b 系统的开发技术，其中有不少残未成熟或错误之处，敬请读者批评斧正。，) r 一歹一关键词科学计算可视化轴承摩擦润滑可视化数据分析算法模块外部设备监控多媒体教学i ia b s t r a c ta b s t r a c ts i n c et h e1 9 8 0 s ，a l o n gw i t ht h ei n l p r o v e m c n to f t h ec o m p u t a t i o n a l ，m 耐c a ld e v i c e s ，t h ed a t ac o m i n gf r o ms u c hs o u r c e s g r e a t l ym o u n t i n gu pr e s e a r c h e r sn e e dv a l u a b l et o o l st od e a lw i t ht h ev a s t ，i n t r i c a t ei n f o r m a t i o nb e f o r et h e1 9 8 0 s ，b e c a u s eo ft h el a c ko ft h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r i e sm a dm e t h o d s ，r e s e a r c h e r sh a dt oa d o p tu n p r o m p t e dw a y st oi n t e r p r e td a t as c i e n t i f i cp r a c t i c ei m p e l l e dt h ee m e r g e n c eo f v i s u a l “z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p m i n gv i s u a l l z a t i o nms c i t m t i f i cc o m p u t i n gf v i s c lw a sa d v a n c e db ya m e r i c a nn 撕o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n 州s f ) i no c t ，1 9 8 6n s fp u r p o s e da p p l y i n gs y n t h e s i so fc o m p u t e rg r a p h i c sa n dv i s i o nt oc o m p u t i n gs c i e n c e ，i no r d e rt ot a k ea d v a n t a g eo f t h e 寸m t u i t i o n i s t i cp e c u l i a r i t yv i s ch a sb e e nan e wf o c u so f c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt h ec o n t e n to f t h i sp a p e ra sf e l l o w ： 、a i m i n ga tt h ea b s e n c eo f v i s ct o o li nm a c h i n ed e s i g n ，m u l t i - f o n c t i o nv i s u a h z a t i o ns y s t e mo fb e m - m g sf r i c t i o na n dl u b r i c a t i o n ( m v s b ) i sb e e nd e v e l o p e dm v s bi sb a s e do i lv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , i ts c l w l c e sd a t aa n a l y s i s ，d a t ac o l l e c t i o n ，p e n p h e r a le q u i p m e n tc o n t r o la n dm u l t i m e d i at e a c h i n g 、t h em o t i v eo fd e v e l o p i n gt h i si n t e g r a t e ds y s t e mi st ol i n kv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yw i t hp r o f e s s i o n a lr e s e a r c hu pt on o w , a l lv i s u a h z a t i o nr e s e a r c ht o o l sf a c et h ec o m p u t a t i o no fl i m i t e de l e r n e ma n dh y d r o d y n a m i c st h e r ei ss c a r c e l ya n yv i s u a l i z a t i o ns y s t e ma p p l y i n gt oi d i o g r a p k i ca c c e s s o r yh o w v ，t od e , j e l o ps u c hs y s t e mi sv e r ys i g n i f i c a t i v e ，b e n a u s et h es y s t e mc a ni n c r e a s er e s e a r c he f f i c i e n c y2 、i nt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t , w ei m p r o v eo l ls y s t e m sf u n c t i o na i m i n ga tt h el i m i t a t i o n so fc t a t e r l tv i s u a l i z a t i o ns y s t e m s ，t h el m p r o v e m e m sa sf o u o w ：11f o rr e m e d y i n gt h es h o r t c o m i n go fs t a t i cf i g u r ea n d 蚶龃g t l a e n m gc o n t r o l ，v i 删r e a l i t yi n t e r f a c el so f f e r e d2 1m v s bf u l l yp r o v i d e ss u p p o r to fp r o f e s s i o n a la l g o r i t h m - m a k i n gs o f t w a r e ，s u c h c r e a t i n gw a z a r do f m a t l a b smf d e ，f u n c t i o nl 唧m n go f m a t h c a dc o n s i d e r i n gd i f f e r e n ta b i l i t yo fr e s e e r c h e r sa l g o r i t h mb u f l d i n g ，m v s bg i v e sd i f f e r e n td e v e l o p i n gi n t e r f a c ef o rd i f f e r e n t1 e v e li i l 8 卵，h c ，3 ) t h es y s t e mp i o v i d e sb i d i r e c t i o n a lc h a n n e l sb e t w e e nm v s ba n dp e n p h e r 丑1c q u i p m e n li th e l p st oa d dd a t as o u r c e4 ) c o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yt h a ti sp r o p i t i o u st op e r s o r u dc o m p u t e ri sa d o p t e d , i th e l p st 0i n c r e a s em v s b sp o p u l a r i z a b i l i t y5 ) m v s bc a na p p l yt om u l t i m e d i at e a c h i n gt h r o u g hc o r r e s p o n d i n gk n o w l e d g ee x t e n s i o n t h i st h e s i si l l u m i n a t e sm v s b ss t r u c t u r em a dd e v e l o p i n gt e c h n o l o g y , i fy o uh a v es o m ev a l u a b l ca d v i c e ，p l e a s ec o n t a c tm ek e y w o r d sv i s u a l i z a t i o ni ns c i e n c ec o m p u t i n g ( v i s e ) ，b e a r i n g , f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o n ,v i s u a l i z a t i o nd a t aa n a l y s i s ，a l g o r i t h mm o d u l e s ，p e n p h e * a le q m p m e n tc o n t r 0 1 m u l t i m e d i at e a c h i n gi v第一章引言1 1 科学计算可视化综述第一章引言1 1 1 科学计算可视化的目的、意义通过科学计算而得来的数据启发和促进了人们对自然规律的认识，新规律的发现又为新学科、新应用的产生创造了条件。现代实用意义上的科学计算与计算机技术的发展密切相关，计算机技术与计算技术相结合的结果是：产生了继实验方法、理论方法之后的第三种科学手段一科学计算。其意义在于：可以模拟客观世界的过程部分取代实验或作为实验的补充，检验理论模型，进行预测、模拟在实际中无法重复或进行实验的自然现象或社会现象；利用数值实验发现新的规律，并对工业生产进行产品分析与设计；对那些精确性尚不够，数学模型尚未定型的问题，利用数值模拟可以进行多个方案的对比筛选。从而对科学定量化起到了重要作用。实践表明，实验、理论与科学计算已成为科学研究方法上相辅相成而又互相独立、瓦相补充，彼此不可缺少的三个主要手段。计算的兴起形成了与实验、理论鼎足而立之势，这是科学研究方法论方面取得的最大进展。从早期的简单计算到现在的全数字模拟，人们花在重复单调的脑力操作方面的时间与精力越来越少，人的脑力被解放出来，专心用于探索藏在数据后面的本质。然而，随着人类对自然认识的不断深化被研究对象的复杂性与不确定性也在不断地飞升，研究人员对数据的依赖达到了前所未有的程度。先进的科学仪器与复杂的算法源源不断地生成海量的信息，传统的数值型界面已无法胜任日益繁杂的数据分析。科学计算必须引进新的方法以解决这类问题。科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p m m g 简称v i s c ) 就是解决此类问题的非常有效的方法。科学计算可视化的目的就是利用人脑能以高带宽处理视觉信息的特点，将抽象的数据转化为直观的图形图象，以便充分发挥人的生理优势，从而促进对所考察数据更深一层的理解。图11 说明了可视化研究过程的模型。臣堕_ 之竺：一，1 垂。= = _ 。一 r l _ 7 一，、一l 一，7、模拟( 计算或实验)k7 7图1 1 基于可视化研究的模型第一章引言科学计算可视化的意义在于：它使科学计算具有了可视化的能力，为数据的分析综合提供了强有力的手段。i i 2 科学计算可视化技术的发晨史及现状自第一台数字计算机问世以来，科学计算可视化的概念就产生了。但科学计算可视化成为一个独立学科还是近几年的事。早在5 0 年代美国洛斯阿拉莫斯国家实验室( l a n l ) 就开始使用打印机和绘图仪作为可视化的输出设备进行可视化技术的应用。美国劳伦斯利弗莫国家实验室( l l n l ) 在7 0年代就使用电视监督显示系统t m d s 实现了计算结果的动态显示，它是一个中央帧存系统，提供低分辩率的黑白视频图像。进入8 0 年代徽电子技术的发展使图形设备的功能和性能不断增强。l a n l 采用l 口l - h e i n zw i n l d e r 视频动画系统实现了c r a y 超级计算机计算结果的动态图形显示；l l n l 改进t m d s 系统，使其具有了高分辩率的彩色显示能力，同时增强了交互性。8 0 年代中期，随着科学实践的不断深入，对科学计算可视化的需求越来越强烈，要求也越来越高，1 9 8 4 年美国物理学家、诺贝尔奖金获得者w i l s ( m 2 1 提出：科学的计算机化不仅是把从牛顿以来4 0 0 年的科学成果转化为计算机程序，而且还要提供适应于计算机化的研究手段。此外，随着支持可视化技术的硬件计算能力的大大提高。图形图像技术也得到不断的发展，这些都为科学计算可视化技术进一步的发展创造了条件。1 9 8 6 年1 0 月，美国国家科学基金会( n s f ) 的高级科学计算部门主持召开了“圈形、图像处理与工作站”小型讨论会，目的是为其研究机构配备高性能的图形工作站和图形图像软硬件，从而以高性能的图形图像手段来为大型科学、工程计算和大规模数据处理提供服务。会议认为：把图形图像技术应用于科学计算是一个需要作出努力的全新领域，并称之为“科学计算可视化( v i s c ) ”。1 9 8 7 年2 月又召开了“科学计算可视化”的专题讨论会。会议提出了一份总结性报告，这标志着科学计算可视化作为- - f 7 新学科宣告诞生了。报告认为科学计算可视化有如下益处：提供集成、方便的工具集：增进科学进步与协作：提高科学生产率：提高市场竞争力：增强高级计算设施的全面实用性使工具标准化。此报告推动了美国政府对该学科的重视，出于占领高科技市场而抢占学术前沿的目的，至9 7 年底止，美国政府已投资2 5 亿美元用于高性能计算机及可视化技术的研究。欧洲与日本也出于同样的目的对可视化技术的开发利用投下了巨资。我国从9 0 年代初开始了对可视化技术的研究，并应用于流体力学、空气动力学、石油地震数据处理、气象等领域。浙江大学、清华大学、北京大学、国防科大、北京应用物理与计算研究所及国防科工委二十九基地等单位目前正致力于研究可视化算法、移植或开发各种可视化工具与环境，并使之应用于各个领域。其中浙江大学c a d c g 国家重点实验室在可视化算法上取得了国际水平的成果，例如：体光照模型和体绘制算法、组合散射模型算法等。同时，于1 9 9 5 年开发出了引入结点的基于数据流机制的可视化平台( g i v e ) 【1 ，”】。从全球角度来看，各国开展的科学可视化研究工作有以下几个方面：政府机构为科学计算可视化技术的应用制定发展计划，组织投赘基础设施的建设，并提供相应的研究资助：国家超级计算机中心和重点实验室主动为科研人员提供远程与分布式可视化服务；2第一章引言设立可视化实验室、可视化专题讨论会、可视化国际会议及可视化教育来保证可视化技术的研究与发展：各研究机构进行广泛的专题研究重点已从后处理转向实时跟踪与交互驾驭，并结合了高速网、高性能图形工作站、多媒体技术与虚拟现实技术：市场上推出了许多可视化软件产品软件的应用领域在不断拓展，并且已产生了非常可观的经济效益。1 9 9 7 年的i e e e 计算机图形学技术委员会组织的可视化技术国际研讨会认为：未来的市场竞争是高层次的科学技术的竞争，而赢得竞争的重要因素不仅仅是人才，科研工具也是非常重要的因素。科学计算可视化技术作为先进的科研工具将会在科技的进步中起到不可估量的作用。1 - 1 , 3 科学计算可视他的学科分类科学计算可视化是一门交叉学科，它的研究分为两个方面：一是研究如何把科学数据转化为可视的图形与图像，以增进对信息的理解；另一方面，它还研究可视化工具应用于具体学科的效果。科学计算可视化所包含的内容及所覆盖的学科如图12 所示。图示结点中的“图像与信号数据”可以通过多种方法获得应用图像处理技术对其处理后可显示在图像输出设备上。图像处理的目的就是要得到感兴趣的信息，比如提取轮摩线、增强某些模糊的图像、统计出某种特性等等。如果应用计算机视觉技术处理这些可视信息，可以从图像中提取抽象信息产生符号表示，这就是图中“符号与结构数据”结点。自然，一般的符号与结构可以通过程序生成，也可以通过输入设备输入，经科学计算或符号计算生成新的符号与结构。为了便于理解和分析，可以应用计算机图形学的理论和方法把这些符号和结构综合表示成可视的图形图像信息。综上所述，科学计算可视化处理的数据可分为两大类，即图像与信号数据和符号与结构数据。国像理解( 计，算机视堂)r 。变换( 科兰5 符号计算)，。一一一、7符号与结构敷据一、l 一一圈聋信号( 计算机母形学)二叫图像与信号处理，0晤磊了，：r t 一歹蚤、，、医；磊订l 一，。、j ? 、l 一厂 一7 、。7、r i 传感嚣l 1变换( 田像赴理学)、j 显示嚣1圈1 二科学计算可视化学科分类由圈1 2 可知，科学计算可视化处理的对象包括“符号”、“结构”、“图象”与“信号”n原始的符号、结构、匿象与信号等对蓦的生成与获取是由从事科学与工程计算和实验的研3第一章引言究人员完成的。如何将这些数据变成可视的图形图像信息则是从事科学计算可视化研究者的任务。他们与从事基础研究或工程研究的人相结台，运用可视化工具实现抽象数据的显化。科学计算可视化综合利用了计算机图形学、用户界面方法学、图像处理、系统设计以及信号处理等领域的各种知识，并把这些被认为是相互独立的领域通过可视化工具与技术结合起来，进行统一的研究与分析。由此可见，科学计算可视化是- - f l 交叉学科，需要多方面的知识介入才能完满地解决实际问题。1 1 4 科学计算可视化的应用颁域可视化技术适用于几乎所有近代科学与工程技术领域，它能帮助研究人员理解从计算与实验中所获得的大量抽象数据，并能通过人机交互手段达到控制计算过程，改进计算结果的目的。可视化技术现在主要应用于自然科学与工程技术两方面：1 1 2 g 1 7 2 1 ，-自然科学：分子构模、医学图像、地球科学、空间探索、天体物理、数学研究等。工程技术：计算流体力学、有限元分析、c a d c a m 及一些需借助于图形图像进行辅助研究的工程学科。我们开发的轴承摩擦润滑多能可视化系统( m u t f i - f u n e t i o m av i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fb e a r i n g sf r i c t i o na n dl u b r i e a t l o n ，简称m v s b ) 就是利用可视化技术进行工程领域专项研究的实例。1 1 5 科学计算可视化的软硬件要求一、壁往至塞1 、计算平台在实现科学计算可视化的过程中，计算平台无疑起着主要作用。高性能的计算平台在效率及精度方面占有优势。对于大型计算，主要采用的硬件搭配是超级计算机与图形工作站相结合的形式。超级计算机做大量复杂的计算，计算结果交由图形工作站作可视化处理。对于一般计算主要采用高性能图形工作站。高性能图形工作站采用专门设计的图形加速卡执行诸如裁剪、坐标变换、光照浓淡效应等图形计算，从而大大加快了画面的生成过程。随着计算机技术的发展现在的一些高档p c 亦可作为可视化计算平台。使用p c 作为计算平台还有特殊的意义，这有利于可视化技术的普及。我们开发的m v s b 系统就立足于高档个人机。解决大部分一般工程可视化计算问题已绰绰有余。2 、高速网络环境为了进一步提高处理能力，可以采用并行处理方式，这就需要高速网络的支持1 1 6 、”j 。由已往的经验可知：数据的传输是整个计算过程的瓶颈。尽管目前网络技术已经成熟，但传输速率不高。最近推出的快速e f f t e r n e t 网已能达到1 0 0 m b c s 的传输率，对于一般的工程计算可视化应用已足够了。m v s b 在必要时也将采用网络并行处理模式，所以开发时我们特意使其适应于网络环境。3 、大容量的外存贮器计算过程或数据采集中产生的数据以及为了适应可视化处理而产生的中间数据的量是很大的一个大容量的外存储器是必不可少的，这是计算得以进行的保障。m v s b 所要求的可用磁盘空间要求大于20 g ，这可以保证数据帧的高精度。4 、图形拷贝设备为了将屏幕所显示的内容记录下来，需要高质量的彩色硬拷贝设备。通常分为两类：一类用于记录静止画面：另一类用于记录动态画面。目前做静态画面拷贝的设备有彩色热4第一章弓i言腊拷贝机、彩色喷墨打印机、彩色激光打印机和光学或数码相机。在动态数值模拟中，往往希望实现动态显示。一般容量的动态图像是通过生成动画文件或帧系列图并存储于磁盘上完成的，而犬容量的动态画面则要借助于录像的方法实现。目前可获得最高质量的动态画面的方法是采用数字磁盘系统，由计算机输出r g b 信号转换为数字式电视信号后记录在大容量的数字磁盘系统上，但成本是其应用的一大障碍。为了降低成本，在保证精度的前提下m v s b 主要采用的静态画面拷贝设备为喷墨或激光打印机。动态画面的保存主要采用磁盘存储形式。二、软性要塞科学计算可视化软件的功能要求包括如下l o 个方面【1 2j ：1 、用适当的方式显示数据场中各类物理量的分布情况，包括标量场、矢量场和张量场的图形显示。可视化图形与传统图形的区别在于它主要表现内在的物理量，而不是强调外观的真实感；2 、提供三维数据场的体绘制能力，实现三维数据场的整体显示，通过控制透明性观察到数据场的内部结构；3 、提供对三维数据场的切片功能，即把复杂的三维问题简化为一系列二维平面来研究，以减少分析的难度：4 、实现动态显示。一方面能连续显示三维数据场任一方向上的所有切片，以反映出整个数据场的结构；另一方面还能连续显示数据场的整体或部分随时间变化的情况：5 、多维数据的可视化技术，这依赖于具体数据类型的表现方法，而表现方法是多样的：6 、数据场与物体外形的合成显示；7 、科学数据的模型、结构和格式，科学数据的管理与操纵：8 、交互式的数据可视化分析：9 、能实现驾驭式计算可视化；1 0 、系统的可扩充性和友好的人机界面。m v s b 系统除了以上的软件功能实现外，还有普及性的要求。由于m v s b 定位于高档个人机，故其运行平台选为w i n d o w s9 5 或w i n d o w sn t 30 以上的操作系统。1 2 关于目前可视化平台的缺陷分析爰改进措施科学计算可视化平台是指一个集成环境，在其支持下，人们可以通过直观的手段对复杂数据进行有效的研究。可视化平台分为可视化子程序、专用可视化工具和通用可视化系统。通过对目前已有的一些可视化平台的功能分析，归纳出了以下几个方面的缺陷：l 、大部分平台主要以静态图形图像为主没有引入虚拟现实技术。这使得界面的可操作性不高：2 、在算法构模上没有充分利用已有的计算软件，因而，对于算法库中没有提供的算法则必须通过较复杂的编程来实现。对非专业软件人员有一定的难度：3 、数据接口较窄。除了一些大型可视化系统，一般不提供外部设备的测量、控制能力，即使有此能力，也只是单向的只提供外部设备数据流流入可视化系统的单向通道；4 、绝大部分可视化系统的计算平台的最低要求是基于图形工作站的【j ”这限制了可视化技术的普及：5 、应用面狭窄，只应用于数据分析，没有在此基础上进行应用扩展。在系统的研发过程中，针对以上提出的普遍存在的缺陷进行了功能上的改进。主要体5第一章引言现在：1 、提供虚拟现实界面，弥补静态数据图形图像操纵性差的缺陷：2 、充分提供专业算法构模软件的支持，如提供m a t l a b 的m 文件生成向导、m a t h c a d 功能集成等。并考虑到不同算法开发水平的研究人员的具体情况，提供了多层次的开发界面：3 、提供可视化系统与外部设备数据交换的双向通道；4 、在系统具体实现方面，尽可能多地采用适应于p c 平台计算能力的开发技术，以降低对计算平台的要求：5 、使可视化系统不仅能应用于数据分析，并且可扩展到外部设备监控及多媒体教学。以上几点改进是在实现了可视化系统的基本功能的前提下完成的，具体内容将在论文中分章节进行论述。1 3 轴承摩黼滑多能可视化系统概貌1 3 1 系统介绍及其主要目的轴承摩擦润滑多能可视化系统( m v s b ) 是以可视化技术为基础，专门用于专业理论研究，同时满足数据分析、数据采集与控制及电子教学要求的一套集成软件系统。目前，通用型的v i s c 系统不可能满足所有学科对可视化实现的具体要求，因此，将v i s c 与具体专业相结合是拓展应用v i s c 的主要方式，以便能更高效地处理数据。为了更好地实现可视化技术的主旨，在m v s b 中运用了多媒体技术与虚拟现实技术，增强了系统的表现力。m v s b 的主要目的是为轴承摩擦润滑理论研究提供可视化研究手段，这使相应理论的研究过程得以简化，研究效率得以提高。这主要体现在以下几个方面；1 、通过m v s b ，用户可以分析和显示大体积的、随时间变化的多维数据，并可快速提取有意义的特征和结果，从而协同计算工具取得更好的效果；2 、为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段，从而提高计算效率和质量；3 、利用功能强大的图形设施，将图形和计算紧密结合，把视觉洞察作为求解问题的手段：4 、结合三维图形进行实时动态模拟，以便在建模、模拟和动画生成方面取得效益；5 、为轴承摩擦润滑理论研究提供专用的算法库，以实现v i s c 的专业化。使得问题求解程序的生成效率大大提高：6 、能够进一步有效地研究更为复杂而详细的数学模型和模拟方法，使之更接近现实，为研究者增加了获得新知识和更深理解的可能性；7 、通过增强的计算性能，改变过去那种将模拟与设计相分离的模式，使模拟与设计中的问题能交互求解，即提供一种新的设计方法学。m v s b 通过提供通用的数据通道来实现此思想。1 3 , 2 系统的应用及扩展v i s c 不应局限于作为一种研究工具，它还可以在其它方面找到应用切入点。本着这种观点，m v s b 通过改变数据来源和流向使之面向数据采集和对外控制。我们在系统中提供了软面板式接口，以实现数据的采集与控制的发送。这体现了专业理论研究中实践的环节，使认识过程趋于完整。由于m v s b 具有直观友好的图形圈像界面，特别是多媒体技术与虚拟现实技术的引入，很容易使之应用于相应学科的教学。通过主动交互式学习，可以激发学生的求知欲，6第一章引言促使他们对理论的认识达到一个新的层次。在m v s b 已有的交互手段和丰富的表现方式的基础上，只要添加一些必要的以多媒体形式表达的启发性知识，m v s b 就可以很自然地成为了c a i 课件。由于以上两个方面的v i s c 的扩展应用，正是m v s b 被命名为多能( m u l t i - f u n c t i o n )的原因。7第二章m v s b 系统的模型、结构和要求与技术组成及其实现第二章m v s b 系统的结构模型、技术要求与组成及其实现2 1 系统结构2 1 1 结构框架圈m v s b 主要由四个总模块组成，即可视化分析模块、算法库模块、外部设备控制模块及c a 教学模块。这三个模块之间通过数据通道连接在一起，使之形成了一个互动的整体。系统的结构框架如图2l ，各总模块内含予模块见表21 。可税纯旁折漠块1。工舞；去荤劈姥龟圈2 1m s v b 系统结构框檠简图总模块总模块内古的功能子模块名a v l 格式动画生成与浏览器、帧动画生成与浏览器、m a t l a b 动态数据数据可可视化分析模块视化文件生成向导、光栅图像处理器、矢量图形处理嚣、公式化数据场生成与浏览器、手工快速数据场浏览器、m a t l a b 静态数据可视化文件生成向导、虚拟现实数据场浏蹙器算法库模块m a t h c a d 类型算法模块、m a t l a b 的m 文件型算法模块、m a t l a b 引擎型算法模块、其它类型算法模块 外部设备控制模块外设数据采纂接口模块、外设监控接口模块fc a i 教学模块多媒体教学模块、系统示教模块表2 1m v s b 模块详表模块间的连线表示存在数据通道，箭头方向表示通道内数据流向。各模块的功能如下：可视化分析模块提供实现可视化技术的一系列手段，包括图形图像的生成、数据场的管理与操纵、数据场的分折等等，并提供了接收外部数据与发送控制指令的接口；。算法库模块是一系列专用算法的集合。它提供了专业研究所需的大量常用或复杂的算法以便可视化分析模块不时调用。计算的结果以系统约定的格式输出，这样就对算法模块的编制有了一定的约束。算法库模块从最大限度上简化了具体计算程序的编制过程。外部设备控制模块借助于可视化分析模块的数据处理引擎，通过数据通道发送监测数据或接受控制指令。此模块与算法模块一样也是一个数据源，它非常有助于对理论的检验。c a i 教学模块是使系统移植于教学的重要部分。它有两个数据入口和一个控制输出口这使它能对外进行交互。它充分利用了其它模块的功能，减少了c a i 模块开发的复杂性。g第= 章m v 轴系统的模型、结梅和要求与技术缎成及其实现2 1 2 结构各部分的关系m v s b 的四个部分通过数据通道形成了一个有机的整体，使得数据流或控制流能在其间传输。具体的数据流或控制流的操控界面是由相应模块中的控制面板提供的。可视化分析模块提供可视化技术的具体实现，同时也提供了数据可视化处理的引擎，通过数据通道使该引擎被其它模块利用。可视化分析模块有三个输入口，分别接收来自于外部设备控制模块、算法库模块及c a i 教学模块的信息。它还有两个控制输出口，分别对应于外部设备控制模块与c a d 模块，这是数据处理引擎的反馈通道，用于传送结果或指令。外部设备控制模块作为一种数据源，通过两个数据输出通道可分别为可视化分析模块和c a i 教学模块提供实测数据。可视化分析模块也可以既定的控制模式向外部设备控制模块发送信息。c a i 教学模块如要对外部设备控制模块发送指令则只能通过可视化分析模块这使得通道数减少、使操纵行为一致化。算法库模块运行时只向可视化分析模块提供算法，此行为可以看作是通过一个相对于算法库模块的特殊输出通道进行的。因为，此通道与其它通道不同，实际上并不输出数据，只输出算法。另外相对于算法库模块的输入，即库的扩展是独立于系统的，这是由m v s b的算法模块库构建的开放性决定的，这给了系统算法的开发人员以极大的自由度。c a i 教学模块属v i s c 应用扩展，是专为轴承摩擦润滑理论教学丽设。它不仅能与可视化分析模块相交互，充分利用可视化手段使理论形象化：而且还可以通过可视化分析模块间接地与动态监测模块相交互，以达到计算机辅助实验的效果。2 2 对系统的技术性要求2 工1 算法库的建立算法库为可视化分析模块提供算法，同时也是实现可视化技术专业化的一个必需的环节。用户在编制面向具体问题的计算模块时，可以从算法库中调用已有的，具有通用性的算法，以搭积木的方式构建自己的计算模块。算法库越充实，用户所花费在算法构模方面的时问就越短，这是一个既能保持操作简洁性，又能保证系统扩充的灵活性的两全其美的方案。美国n a s a a e r i e s 的数据空气动力学仿真实验室的f a s t 1 j 可视化软件包就采用了这种结构。我们在总结了目前常用的计算软件的基础上筛选出了可供m v s b 使用的三种类型的构库方法它们分别对应不同层次的开发人员。三种构库法如下：1 、使用m a t l a b 数值计算软件提供的编程界面m a t l i bs c r i p t 。它以m a t l a b 为计算平台，充分利用了m a t l a b 优秀的数值与图像计算能力，这间接使m v s b 的扩充能力得以提高：2 、使用m a t h c a d 的m + + 编程工具可以使算法的开发达到非常自然的程度。由于m a t h c a d 算法描述的形式与自然的数学描述很接近，这使得算法开发轻而易举。使用m a t h c a d 的益处在于它带来了效率与简易；3 、其它算法开发工具开发的算法模块可以为用户带来运行的高效性与灵活性。对于大型的且要求执行效率高的算法，使用这种方式更适合些。这对于重新利用已有的计算模块也很有好处这些老的计算模块的运行结果可以依照m v s b 系统的具体要求进行规范化。对于新的计算模块我们可跌规定使用统一的输出格式。值得一提的是：这三种算法模块可以依照一定的规则相互串联。m a t h c a d 中提供了m a t h c o n n e x 机制，此机制使m a t h c a d 可以将m a t l a b 或某些支持a e t i v e x 技术的算法模块当作m a t h c a d 的外接处理器：另外，以a c d v e x 技术开发的算法模块可以引用9第二章b i v s b 系统的模型、结构和蔓束与技术组盅及其实现m a t l a b 和m a t h c a d 算法模块。2 2 2 致据的生成与输出数据的生成与输出是必不可少的环节。对于数据生成而言，m v s b 有多种方式：其一为算法生成形式，当调用算法库中的模块根据初始条件进行计算时，就会产生一系列既定格式的数据；其二是直接手工生成数据，这有利于少量数据的现场处理和有助于研究人员假设式的快速数据分析：其三是直接以文件形式存在的数据，适用于多机协同处理( 例如“网络计算”、“分布式计算”) 或通过外部设备监控模块采集而得的数据。这三种数据生成方式的侧重点不一样，从而有不同的数据生成界面，但使用的数据处理方式是一样的。数据的输出形式有如下三种：l 、输出到显示器。这是最常用的形式其特点是快速、能显示动态图形图像；2 、输出到文件。包括记录静态信息的数据或图形文件及记录动态信息的动画文件；3 、输出到硬拷贝机。如打印机和绘图仪等，这有利于信息保存、传递与出版。2 2 3 敦据精度与误差m v s b 系统对数据精度与误差的控制体现在以下两个方面：l 、对于实验数据，可能包含误差，因而有必要保存这些误差，并在内部数据系统中进行处理，同时提供操作与显示的手段；2 、对于m v s b 中的大部分过程，能够估计并显示由可视化过程本身引入的误差。外部数据源可能带有噪声或类似的误差。m v s b 中的“数据输入”过程可在数据输入时进行过滤。这样内部数据就不会带有误差信息。同样，“数据分析”与“可视化映射”( 邸数据场的显化) 处理中也可处理数据中的误差并提供显示。具体采用的方法是提供一个全程的系统误差控制变量，根据不同的要求相应地确定误差阈值的大小。2 2 4 度量信息的表示当实现科学计算可视化时，有时需要绘制数据( 如某种等值线圈) ，有时需要显示数据的值( 如局部数值) 有时两者同时都需要。因此根据应用的要求可能需要一种或多种形式的数值标注，如：在坐标轴上显示刻度信息：把校准尺( 如等值线) 叠加到基本图形上；反馈变换的科学坐标系的光标信息；显示所用的坐标系；为已显示或已选择的数据提供更为复杂的数值显示。m v s b 提供了以上的表示形式。形式是通用的，对于具体的要求可选择具体的表示方法，m v s b 将数据处理方法独立出来为的是形成以数据为中心而不是以处理方法为中心的概念。其目的就是使数据场更易操纵，这符合人的认知过程。2 & l 响应时闯使m v s b 具备恰当的响应时间是很重要的，这一响应时间可认为是完成“数据显化”的过程也就是用户获得反馈的时间。由子m v s b 的基本计算平台的性能达不到所谓的实时显示的要求。故它采用了一种折1 0第二章m v s b 系统的模型、结构和要求与技术组成及其宴现衷的办法，在可以容许的范围内降低显示的精度，即以精度为代价换取速度。当需要对数据场进行更细致的研究时可以作局部精度放大。在处理复杂动态问题且计算平台性能低下时，响应时间的矛盾会非常突出。我们可以采用如下方法缓解这一矛盾：提高计算平台的性能，如使用高性能的工作站或使用分布处理的模式；将复杂问题分割成相对简单的小问题：在容许范围内进一步降低精度；使算法简化。m v s b 并不直接提供解抉这类问题的具体办法，这要求用户利用系统的开放性进行功能扩充或补足。2 3 2 系统中人机界面目量人机界面是重要的表观性能之一。m v s b 系统的交互方式较为复杂，除很多的机械性界面定义外，还涉及了认知与感知问题。m v s b 界面的开发原则是：适应对象学科的需要并符合数据场操作者的自然属性。一、更塑丝丕统主曲丛塑生盛翅1 、关于m v s b 系统中的认识问题：要开发可视化系统的人机界面首先必须研究人的思维特征即认知问题( c o g m t i v e ) 。研究人员能够想象一个模型、一个系统或一批数据的主要结构，但这种思维映象既不完整又缺乏细节因而无法加以研究或解释。此外研究的现象异常复杂( 如分析定义各种无宇系统) 、涉及的数据量巨大，即使是模型或数据空间的很小一部分，希望研究者能很快理解或操纵它们都是不现实的。因此，可视化技术要为这种研究或解释提供一个理想的交互式环境，通过它研究者可以采用诸如分割切片、重新着色、旋转以及自由浏览等手段绘制或探索各种复杂数据场。为了解决问题首先必须描述该问题。而对描述含义的解释( 即语义) 确定了解决问题的困难程度。人们在解决问题时至少会用到六种语义范畴：对象、事件、位置、时间、权限、行为。由于人们在面对两个语义方面存在差异的问题时，一般不会将解决问题的方法变换到同态问题。甚至，改变一下问题的描述，人们也会把它看成本质上不同的另一个问题。由此可见，什么样的语义范踌可以作为构造概念的有效方法，这里面掺杂了研究人员个人的素质因素可视化系统要能恰当地引导研究者的研究心理过程。此点对m v s b 系统的设计非常重要，对数据的理解同样也是非常重要的。2 、关于m v s b 系统中的感知问题；为了支持绘制与交互，m v s b 系统集成了关于色彩、深度、运动、大小及方向的感知( p e r c e p t u a l ) 提示。由于涉及的内容的复杂性与多样性研究人员事先必须经过必要的学习才能借助于系统来解释或立体显示复杂现象。对于感知最明显的影响因素主要有：颜色( c o l o r ) 、照明( i l l u m i n a t i o n ) 、运动提示( m o t i o nc u e i n g ) 和动画( a n i m a t i o n ) 。在m s v b 系统中采用了基于亮度或浓淡比例的色彩感知引导方法以解决一些研究者由于对色彩知识的缺乏或生理方面的色彩感知缺陷而被误导的问题：系统为了使静止画面具有三维立体感，需使用照明的方法，通过对光源的数值模拟，把照明加到背景中来实现的；系统中的运动提示，如在背景中移动视点、光源、对象等，能有效地减少在分析、理解环境下存在的不确定性；系统提供了解释“时间相关系统”的潜在能力，并提供了界面的可配置性。3 、关于m v s b 系统中的人文因素在m v s b 系统的设计中，人文因素( h u m a nf a c t o r s