三维可视化技术创新点与难点分析

基于超算的三维可视化系统，其主要的技术难点可归结如下：
（1）建模。 建模过程要保证效率与效果的优化折中，尽量在较好地解析模型信息细节的前提下快速解算控制方程。固体方面，在目前较为流行的实时仿真库中，多数是针对刚体和关节性刚体的。而本系统加入了各种类型的可变形体(非牛顿流体、布料型轻薄固体、颗粒型固体等)，要解决刚体与可变形体的运动耦合，它们之间的碰撞检测与可变形体的应力形变是技术难点。在流体(主要是空气、液体动力仿真)方面，当前 CFD 的仿真软件基本都是解算欧拉流体模型，中间在求解大型线性方程时难以实时，由于实时性的限制，本系统需要并行化比较高的方式来解算 Navier-Stokes 方程，因此本系统使用当前的新兴流体技术，即实时的欧拉流体方法，并且耦合 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)模型来增加小规模细节，使三维可视化的结果尽量再现真实的物理结果。此外，还有一个较大的技术难点就是流/固耦合模块，这里需要将基于欧拉网格的流体与基于拉格朗日的固体进行统一的求解，这需要建立一个耦合不同类型固体的流体泊松方程，并用快速、稳定的数值方法求解。 
（2） 渲染。可视化数据的提取过程中，技术难点是根据离散点云(粒子)来构建没有斑点的平滑三角化曲面，以及适应性的 Marching 算法，这些都集中在构建面数据的方面。基于点云构建曲面，本系统使用了 Delaunay 三角剖分与拉格朗日滤波相结合的几何算法来优化操作，成可供高质量渲染的曲面数据；而适应性 Marching 算法主要是用于在建模时采样生成的隐式表面数据场上提取显式面数据，要求是不能过分地抹平一些高频的细节。此外，本系统的渲染模块也支持对隐式数据场的渲染，这要看具体的应用需求。在生成图像的过程中，并行加速
模块起到了至关重要的作用，基于 GPU 的矩阵解算与光线追踪是本系统的一大特色。