一种基于云计算的CAE数据三维显示交互方法与流程

本发明属于数据处理与显示交互技术领域，更具体地，涉及一种基于云计算的cae数据三维显示交互方法。

背景技术：

计算机数值模拟仿真(常称为cae)所涉及的数据是高度数字化的，而且数据量大，人类无法直接进行阅读和理解，因此需要对这些数据进行可视化处理，将其用具有真实感的方式直观地呈现到用户的眼前，数据的显示是cae平台的重要部分，它是平台与用户之间的桥梁，如果没有友好的对数据进行显示，cae就如同一个黑盒子，高深莫测，普通用户几乎无从知晓，即使是专业的研究者，对模拟过程产生的数据也是难以直接理解。

传统cae软件的数据显示都是基于单机的运行模式，而且是高度耦合的一体化软件体系，计算和显示在同一台计算机上，臃肿复杂，随着云计算技术的成熟，软件即服务成为了传统软件的发展趋势，cae软件也不例外，在云计算模式下，数据的接收是通过互联网来实现，数据的显示必须简单快捷，方便使用，同时需具备跨平台的特点，即在不同的设备上均可以浏览。与此同时，仅仅对cae数据进行静态显示，就如图片一样，是没有生命的，所以在进行数据处理的时候还必须使用户可以与cae所涉及的各种模型进行交互，这样用户便可以主动的查看模型零件的各个细节，特别是可以看到零件在不同部位的模拟结果；近年来，虚拟现实(vr)技术已经渐渐融入日常生活中，如果在cae的数据显示中引入vr技术，将会给传统cae数据显示带来了新的契机，同时基于不同的硬件设备实现在vr环境下的交互显示，可以增加显示的广度和深度，能够给数值模拟分析人员带来更加完整、丰富、真实的观察过程，再加上虚拟全景，并且通过虚拟漫游技术使观察者能有以不同的角度和详细程度观察场景中的模型，这都能让cae工作者更加准确的分析数值模拟仿真的结果，从而适应几何外形越来越复杂的零件模型。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于云计算的cae数据3d显示交互方法，通过将cae数据转化为通用显示模型后显示，由此解决cae数据的虚拟现实显示的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于云计算的cae数据三维显示交互方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)cae数据在云计算服务器中转换为json格式文件，然后该json格式文件发送到web浏览器中被解析为一种通用对象显示模型，其中，该通用对象显示模型使得不同文件以相同的方式进行显示，其包括元信息、几何信息和属性信息数据；

(b)web浏览器将该通用对象显示模型绘制成图像，并以3d的形式显示在网页上，通过与虚拟现实设备连接后实现虚拟现实的显示；

(c)web浏览器收到用户的操作指令，根据该指令更新所述通用显示模型后绘制图像并显示在网页上，从而实现在所述虚拟现实设备中外界与web浏览器的交互过程。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述元信息记录非数据信息，包括json格式文件的uuid、版本号、生成日期。

进一步优选地，在步骤(a)中，在所述几何信息中，所述cae数据中顶点的坐标采用一维数组的形式表示，所述cae数据中面数据采用二进制数表示，该面数据包括面的种类、面的组成顶点个数、面与顶点的颜色和面与顶点的方向；在所述属性信息中，所述cae数据中的颜色采用三个数据表示，该三个数据是该颜色的rgb分量；所述cae数据中的方向矢量信息采用三个数据表示。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述虚拟现实设备包括基于分光显示原理实现的分光偏振式3d的虚拟现实设备和基于分屏显示原理实现的分屏头戴式3d的虚拟现实设备。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述操作指令包括通过鼠标、键盘、触摸屏、陀螺仪获得。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用将cae数据转化为json格式文件，该文件是一种基于互联网传输的轻量级数据格式，体积小，可读性强，浏览器解析方便，非常适合在网络下进行数据交换；

2、本发明通过采用将json格式文件转化为通用的显示模型，使得原cae数据变为计算机识别的信息，实现cae数据的三维虚拟现实显示，在通过vr设备实现用户的三维立体体验；

3、本发明通过采用metadata、vertices、faces、colors和directions表示cae数据中的信息，将图像信息转化为web浏览器可识别的信息，简单易行，适用范围广；

4、本发明通过实现cae数据在不同设备、不同平台的显示交互，方便了cae分析人员的查看以及异地人员的协同分析，同时通过vr显示，给cae分析人员带来完整的、丰富的、真实的观察过程，特别是对于复杂的cae模型，在广度和深度得到了拓展，有利于cae分析的精确性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的云计算的cae数据三维显示交互方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的云计算的cae数据三维显示交互方法结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的通用对象显示模型的数据结构图；

图4(a)和(b)是按照本发明的优选实施例所构建的分光偏振式3d算法流程及示意图；

图5(a)和(b)是按照本发明的优选实施例所构建的分屏头戴式3d算法流程及示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的虚拟全景效果实现图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的虚拟漫游的处理步骤图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的云计算的cae数据三维显示交互方法流程图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的云计算的cae数据三维显示交互方法结构示意图；如图1和2所示，本发明提出的一种基于云计算的cae数据3d显示交互方法，其方案实现如下：

(a)cae数据在web浏览器的渲染显示

云计算服务器将cae数据文件转换为json格式文件，发送到web客户端，客户端对其进行数据解析，json格式文件中的内容转换为一种通用对象显示模型，再通过webgl的api将该通用对象模型以3d的表现形式渲染显示在网页上；

通用对象显示模型，是指对铸造仿真过程的三维几何文件、网格剖分文件、计算结果文件在显示处理过程中进行抽象，从而建立的一套可以表示着三种文件的强关联显示模型，其能够使用一致性的方式对仿真模拟过程中的不同文件进行显示；该通用对象显示模型包括元信息、几何信息和属性信息数据，使用json格式保存。json格式中，用metadata表示对象的元信息，主要是为了记录对象的非数据信息，如模型文件的uuid、版本号、生成日期等；用vertices和faces表示模型的几何信息，如顶点的坐标和网格单元的组成；用colors和directions表示模型的属性信息，如物理场的大小和方向；vertices采用一维数组的形式表示，是模型所有顶点的坐标，每3个数据代表一个点的三维坐标，顶点编号从0开始；face表示的是面数据信息，由构成cae模型的面片组成，每个面片含有头数据和体数据两组信息，这些信息在一起包含了面的种类，面的组成顶点，面和顶点的颜色，面和顶点的方向；colors表示的是颜色信息，每3个数据代表一种颜色，分别是该颜色的rgb分量；directions表示的是方向矢量信息，每3个数据代表代表一个方向，分别是该矢量在x、y、z方向上的分量。

(b)在web浏览器上使用webgl接口，根据3d立体成像原理，将cae数据绘制成左眼和右眼图像，通过vr设备实现vr显示；；

(c)web浏览器接受外界的操作指令，获取该指令的事件信息，根据事件信息计算原有的通用对象模型，得到新的通用对象模型，实现不同形式的vr显示，同时，使用立方体全景来展示虚拟环境，使用户在cae的虚拟空间中可以进行虚拟漫游。

外界的操作指令主要通过鼠标、键盘、触摸屏、陀螺仪等获得。

事件信息主要包括当前事件发生的时间、事件发生的位置、事件发生的目标节点、事件的类型，以及一些其它信息。

获取该指令的事件信息的捕获过程，其具体实现步骤如下：

1)对显示cae数据的canvas元素绑定事件监听器，并设置回调函数；

2)再对事件进行轮询；

3)若监听到某个事件，则获取事件信息，将其放入消息队列；

4)从消息队列中提取事件信息，相应完成cae数据的重绘刷新。

交互控制过程中，涉及到在web浏览器环境下cae数据的拾取及坐标变换，本发明采用射线法，其处理如下：

1)发生鼠标点击事件(或其它等效于鼠标点击的事件)，事件监听器获取事件，得到鼠标在屏幕上的坐标；

2)将鼠标在屏幕上的客户端坐标转换成视口坐标；

3)基于相机的视点和转换的视口坐标发射一条射线，任何与射线相交的对象即认为是在鼠标的下方，选取所有相交物体，并实现与此对象的交互方法；

4)拾取的所有对象通过其与监测点的距离排序，选取最近的面片；

5)获取最近的面片与射线的交点坐标。

立方体全景使用天空盒进行表示，观察点位于该立方体的内部。

不同形式的vr显示，包括基于分光显示原理实现的分光偏振式3d的vr，以及基于分屏显示原理，实现的分屏头戴式3d的vr。

根据流程图1，下面将参照具体的实施例来进一步说明本发明。

以铸造cae的有限元温度场结果为例，本实施例提供的一种基于云计算的cae数据3d显示交互方法及系统，其实施如下：

(a)云计算服务器将cae的温度场结果数据转换为json格式文件,

图3是按照本发明的优选实施例所构建的通用对象显示模型的数据结构图，该json文件的格式如图3所示，各个字段的含义为：

1)metadata记录的是该json文件的uuid、程序版本号及生成日期等信息；

2)vertices记录铸件有限元网格的三维节点坐标；

3)faces记录有限元网格的表面单元信息，具体的为该面由vertices中的哪些节点组成，以及对应的颜色和方向；

4)colors表示的是颜色信息，是铸件温度的色标信息，用于以多彩云图的形式绘制铸件的温度场；

5)directions表示物理场的大小和方向，由于本实施例的温度场为标量场，所以该记录为空。

(b)数据显示模块将上述cae结果的json文件转换为通用对象显示模型，然后使用webgl的api在web浏览器上对该模型进行显示渲染。

显示渲染过程具体如下：

1)创建渲染器，并对其进行初始化设置；

2)创建场景；

3)创建相机，并对其进行初始化设置，如相机位置、投影方式等；

4)创建通用对象的的几何模型和材质模型；

5)创建通用对象；

6)将通用对象加入到场景中；

7)创建光源，并对其进行初始化设置，如光源的种类、颜色等；

8)将光源添加到场景中；

9)将相机和场景添加到渲染器中，并输出。

(c)当铸件温度场所对应的通用对象渲染显示完毕以后，交互控制模块在对应的canvas元素中绑定交互事件，并设置回调处理函数。

为了更加真实全面的显示铸件温度场，可以使用vr模块获得沉浸性的体验。

本实施例使用分光偏振式3d算法实现vr效果，图4(a)和(b)是按照本发明的优选实施例所构建的分光偏振式3d算法流程及示意图，如图4所示，具体的：

1)根据双中心投影算法，计算水平视差e；

2)根据视差e计算得到左眼和右眼的视锥体；

3)根据左眼和右眼的视锥体，分别得到左眼和右眼视图；

4)将左眼视图的奇数行与右眼视图的偶数行进行合成，得到合并视图，进行渲染。

5)打开显示设备的三维场景显示，奇数行与偶数行的像素点发出不同方向的偏振光。

6)用户戴上偏振眼镜，分别接收左、右眼的图像，并在脑中自动合成虚拟的三维立体模型，看到原本在屏幕中的图形伸出屏幕之外，体验到立体的vr视觉效果。

本实施例使用分屏头戴式3d算法实现vr效果，图5(a)和(b)是按照本发明的优选实施例所构建的分屏头戴式3d算法流程及示意图，如图5所示，具体的：

1)根据双中心投影算法，计算水平视差e；

2)根据视差e计算得到左眼和右眼的视锥体；

3)根据左眼和右眼的视锥体，分别得到左眼和右眼视图；

4)将左眼视图和右眼视图合并到一个屏幕上，进行渲染；

5)将显示设备放入头戴式设备中；

6)用户佩戴头戴式设备，就可以获得具有完全沉浸式的vr体验，铸件触手可得，和真实环境中几乎没有差别。

上述vr可以在不同的设备上实现，如手机、平板电脑等，头戴式设备包括cardboard、暴风魔镜等。

本实施例使用立方体全景来展示铸造车间的虚拟环境，图6是按照本发明的优选实施例所构建的虚拟全景效果实现图，如图6所示，立方体全景使用天空盒进行表示，立方体内部由前、后、左、右、上、下六个面无缝拼接而成，用户观察点位于该立方体的内部。建立好立方体天空盒全景以后，将铸件置于其中，再配以光照及阴影，则一个完整的具有真实感的铸件渲染完毕。

结合上述的用户交互控制方法，图7是按照本发明的优选实施例所构建的虚拟漫游的处理步骤图，如图7所示，具体如下：

1)开启漫游模式，系统监测到漫游事件，如鼠标或键盘操作；

2)获取事件发生的视点坐标和事件类型；

3)获取漫游时视线改变的水平偏移角度和仰角；

4)根据水平偏移角和仰角，旋转视图坐标系的坐标轴；

5)移动视图坐标系在世界坐标系中的位置；

6)重新绘制场景。并且重新进入步骤a)，直到退出漫游。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。