【正文】 (Visualization Toolkit)是在OpenGL的基礎(chǔ)上建立發(fā)展起來(lái)的可視化工具包。 本課題研究?jī)?nèi)容本課題以Microsoft Visual 2010為編譯平臺(tái)，基于VTK及其接口技術(shù)，面向土木工程領(lǐng)域研究有限元分析中桿系結(jié)構(gòu)單元、表面單元、實(shí)體單元的網(wǎng)格可視化方法。VTK的一個(gè)重要應(yīng)用就是和ITK(Insight Segmentation and Registration Toolkit)混合編程實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像的三維可視化重構(gòu)[810]，其中包括著名的可視人計(jì)劃(Visible Human Project，VHP，1989)[1][11]、顱面建模等，為數(shù)字醫(yī)學(xué)的研究、臨床應(yīng)用開(kāi)辟了一個(gè)全新的方向。它的繪制模式支持2D、多邊形、體元和紋理繪制，以及它們的各種組合[6]。另外，許多成像算法已被整合，融入了二維成像和三維成像的圖形算法和數(shù)據(jù)。它將可視化開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)經(jīng)常遇到的細(xì)節(jié)屏蔽起來(lái)，并將一些常用的算法封裝起來(lái)，以類的形式給用戶以支持，極大地提高了數(shù)據(jù)的安全性和代碼的執(zhí)行效率。 VTK (Visualization Toolkit)VTK[2]是一個(gè)開(kāi)源的可視化工具包，用來(lái)進(jìn)行3D的計(jì)算機(jī)圖形圖像的處理、可視化以及二次開(kāi)發(fā)。它能夠在Windows 95/9Windows NT、Macos、Beos、OS/2及Unix上應(yīng)用，以它為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序能夠在這些平臺(tái)間方便的移植。OpenGL具有高度的開(kāi)放性、可移植性、網(wǎng)絡(luò)透明性等特點(diǎn)，因而常用于游戲開(kāi)發(fā)、科學(xué)計(jì)算可視化(運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、流體計(jì)算、醫(yī)學(xué)成像、分子化學(xué)、汽車等曲面造型、地理信息、石油勘探、氣候模型模擬)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、影視廣告、CAI等領(lǐng)域。OpenGL也是一個(gè)專業(yè)的圖形程序接口，是一個(gè)功能強(qiáng)大、調(diào)用方便，直接與硬件聯(lián)系的、面向過(guò)程的底層圖形庫(kù)。在這些可視化工具包中，OpenGL與VTK以其強(qiáng)大的功能在科學(xué)計(jì)算的圖形圖像處理方面占據(jù)了重要的地位，極大地推動(dòng)了科學(xué)計(jì)算可視化的發(fā)展。目前常用的可視化工具主要有OpenGL[1215] (Open Graphics Library)、Direct 3D [16] (D3D)、IBM OpenDX[17][18](Open Visualization Data Explorer)、VTK[27] (Visualization Toolkit)、Matlab[1921]等等。比如，在圖形用戶界面的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、網(wǎng)格及其節(jié)點(diǎn)的顯示與交互、數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化等許多方面做了大量的工作，使得這些軟件的可視化功能變得更加的完善、界面變得更加的友好，用戶在建模、分析等過(guò)程中對(duì)于模型對(duì)象的操作更加的便捷、高效，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析處理也更加的準(zhǔn)確與直觀。有限元網(wǎng)格的可視化就正好可以為網(wǎng)格幾何性質(zhì)的表達(dá)、評(píng)價(jià)以及進(jìn)一步的研究提供有力的支持。另外，有限元網(wǎng)格在劃分完成后實(shí)際上就與模型對(duì)象脫離了關(guān)系，具有獨(dú)立的幾何性態(tài)，之后的計(jì)算完全是建立在網(wǎng)格的幾何屬性之上而與原有模型沒(méi)有任何關(guān)系。而對(duì)于一個(gè)大型的有限元模型，龐大的網(wǎng)格數(shù)據(jù)一旦在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，很難檢查出來(lái)，由此降低執(zhí)行效率。 選題的目的與意義有限元網(wǎng)格是有限元方法的核心，有限元分析的一切建模、計(jì)算都建立在其基礎(chǔ)上。對(duì)應(yīng)地，VTK的數(shù)據(jù)集包含數(shù)據(jù)屬性和組織結(jié)構(gòu)，而組織結(jié)構(gòu)又包含了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Cells)和幾何結(jié)構(gòu)(Points)，每種結(jié)構(gòu)上又各自綁定著相應(yīng)的屬性。我們常常把這個(gè)點(diǎn)集中的點(diǎn)元素稱為節(jié)點(diǎn)(Node)，而把點(diǎn)與點(diǎn)之間的聯(lián)系稱為單元(Element)。因此，可以想見(jiàn)，它們二者的結(jié)合將具有重要的理論與工程意義。它不但直觀形象地詮釋著龐雜的數(shù)據(jù)類型、挖掘著數(shù)據(jù)的本質(zhì)與相互間的聯(lián)系，還為處理海量的信息提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)、單元、位移數(shù)據(jù)的輸入接口，并由VTK與MFC混合編程實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單按鈕與功能的添加以及多文件的組織。利用vtkDelaunay2D類進(jìn)行了離散點(diǎn)集的Delaunay三角剖分與約束邊界情形下的Delaunay三角剖分。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格單元變形圖的繪制?；赩TK的有限元網(wǎng)格可視化研究及軟件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘 要 IABSTRACT III第一章 緒 論 1 選題的目的與意義 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 OpenGL (Open Graphics Library) 2 VTK (Visualization Toolkit) 3 本課題研究?jī)?nèi)容 3第二章 VTK的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)制以及VTK軟件平臺(tái)的搭建 5 VTK的結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)制 5 VTK軟件平臺(tái)的搭建 7 Microsoft Visual 2010 與Boost庫(kù) 7 Cmake簡(jiǎn)介 7 Windows XP環(huán)境下VTK 8第三章 數(shù)據(jù)輸入接口 14 有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)類 14 節(jié)點(diǎn)類 14 單元類 17 數(shù)據(jù)文件的讀入 20 網(wǎng)格數(shù)據(jù)的讀入種類、控制與特點(diǎn) 20 節(jié)點(diǎn)編號(hào)與坐標(biāo)的讀入 21 二維Delaunay邊界點(diǎn)的讀入 23 節(jié)點(diǎn)位移分量的讀入 25 單元編號(hào)及頂點(diǎn)的讀入 26第四章 有限元網(wǎng)格的可視化 28 VTK基本數(shù)據(jù)的表達(dá) 28 可視化數(shù)據(jù)的特點(diǎn) 28 VTK的單元數(shù)據(jù)集 28 數(shù)據(jù)集類型 32 VTK的對(duì)象工廠設(shè)計(jì)模式 33 繪圖程序的組織結(jié)構(gòu) 34 節(jié)點(diǎn)的繪制與標(biāo)注 36 線單元模型的繪制 40 三角形單元模型的繪制 43 四面體單元模型、六面體單元模型的繪制 46 五面體單元模型的繪制 49 Delaunay三角網(wǎng)的繪制 51 平面點(diǎn)集的三角剖分 52 Delaunay三角剖分 52 Delaunay三角網(wǎng)的性質(zhì) 53 vtkDelaunay2D類與vtkDelaunay3D類 53 用vtkDelaunay2D類建立二維離散點(diǎn)集的Delaunay三角網(wǎng) 55 用vtkDelaunay2D類建立二維約束Delaunay三角網(wǎng) 59第五章 VTK與MFC混合編程 65 MFC 65 位移放大/縮小按鈕的添加 65第六章 結(jié) 論 68致 謝 69參考文獻(xiàn) 70附 錄 72重慶交通大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)?畢業(yè)論文摘 要本課題以Microsoft Visual 2010為編譯平臺(tái)，基于VTK (Visualization Toolkit)及其接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有限元分析中多種單元網(wǎng)格模型的可視化。這些網(wǎng)格單元類型包括：離散點(diǎn)集、線單元模型、三角形單元模型、四面體單元模型、五面體單元模型、六面體單元模型。通過(guò)改變位移放大系數(shù)的方式，可以得到網(wǎng)格未變形時(shí)的狀態(tài)、真實(shí)變形狀態(tài)以及變形放大狀態(tài)。討論了vtkDelaunay2D類在進(jìn)行約束邊界情形下的Delaunay三角剖分時(shí)存在的一些局限性。關(guān)鍵字：VTK，有限元網(wǎng)格，可視化，Microsoft Visual 2010，MFCIABSTRACTThe programming uses Microsoft Visual 2010 as its’ pile platform. It bases on the VTK (Visualization Toolkit) and its interface technology to realize the visualization of some models’ meshes in Finite Element Analysis. These meshes including: discrete points set, line element model, triangular element model, tetrahedral element model, wedge element model and hexahedron element model. It realizes the visualization of meshes’ deformation. With changing the displacement amplification coefficient, it can get the meshes which have no deformation, or the meshes have real deformation, or the deformation amplification. Using the class vtkDelaunay2D to get the Delaunay triangulations about discrete point set, and also the triangulations that lies the boundaries exist. Discussed the limitations of class vtkDelaunay2D in process the Delaunay triangulations under the situation that the boundaries exist. The programming realizes the input interface to the nodes, elements and displacement datas. And it realizes simple button and function and the organization of the files added by the VTK and MFC mixing programming.KeyWords: VTK, Finite Element Mesh, visualization, Microsoft Visual 2010, MFC77第一章 緒 論科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化與數(shù)值分析一樣，是分析處理數(shù)據(jù)不可或缺的重要手段。VTK是一個(gè)開(kāi)源的可視化工具包，它在科學(xué)計(jì)算可視化領(lǐng)域(Visualization in Scientific Computing)占據(jù)著重要的地位，并越來(lái)越發(fā)揮出巨大的作用；在有限元分析領(lǐng)域，有限元網(wǎng)格則始終是有限元方法的核心。有限元網(wǎng)格本質(zhì)上可以抽象為一個(gè)復(fù)雜的空間拓?fù)潼c(diǎn)集。點(diǎn)是最基本的結(jié)構(gòu)，無(wú)法再予以細(xì)分；而單元的不同類型和性狀則描述了點(diǎn)之間的不同聯(lián)系，這些聯(lián)系和點(diǎn)陣的空間排布一起就形成了有限元網(wǎng)格的拓?fù)鋵傩浴＿@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與元素的對(duì)應(yīng)正好可以用來(lái)映射網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的單元和節(jié)點(diǎn)，因而在VTK中的多邊形數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)點(diǎn)集以及各種類型的網(wǎng)格數(shù)據(jù)就正好可用于網(wǎng)格拓?fù)潼c(diǎn)集的表達(dá)。在有限元分析過(guò)程中，所劃分網(wǎng)格的質(zhì)量在很大程度上影響著計(jì)算結(jié)果的精度或者收斂程度。如果將有限元網(wǎng)格在前處理過(guò)程中可視化，則可以通過(guò)直觀、交互式的手段檢查、評(píng)估網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的處理，確保網(wǎng)格劃分的有效性。因此，對(duì)于網(wǎng)格生成后計(jì)算的研究屬于幾何與算法的范疇，不依賴于模型對(duì)象，也應(yīng)當(dāng)是獨(dú)立的。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)有的有限元分析通用軟件(如Abaqus、Ansys、Nastran等)已經(jīng)越來(lái)越重視開(kāi)發(fā)可視化的功能。另外，一些專業(yè)前處理軟件(如Abaqus/CAE、Ansys/workbench 等)和專門用于進(jìn)行網(wǎng)格劃分的前處理軟件(MeshMorpher、HyperGraph、Gridgen、Gambit、Icem CFD等)更是將網(wǎng)格的可視化功能集成在了網(wǎng)格劃分的模塊之中，大大提高了網(wǎng)格可視化的效率，同時(shí)使用戶能夠?qū)Ψ治鲞^(guò)程中網(wǎng)格的變化進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地把握。其中，OpenGL是一個(gè)老牌的三維計(jì)算機(jī)圖形和建模庫(kù)，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)可視化的各個(gè)領(lǐng)域，包括游戲開(kāi)發(fā)和科學(xué)計(jì)算可視化；Direct 3D是微軟制定的3D規(guī)格界面，與OpenGL同為電腦繪圖軟件和電腦游戲經(jīng)常使用的兩套繪圖編程接口，但目前只在Windows平臺(tái)上可用；IBM OpenDX是UNIX上一個(gè)功能全面的可視化應(yīng)用程序，主要用于數(shù)據(jù)的可視化和分析；而VTK是一個(gè)開(kāi)源的可視化工具包，用來(lái)進(jìn)行3D的計(jì)算機(jī)圖形圖像的處理、可視化以及二次開(kāi)發(fā)；Matlab的可視化功能則主要針對(duì)各種類型的函數(shù)、偏微分方程數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及仿真建模的可視化，處理的數(shù)據(jù)主要是科學(xué)計(jì)算的數(shù)值結(jié)果，數(shù)據(jù)形式以矩陣形式為主。 OpenGL (Open Graphics Library)OpenGL[1215]是一個(gè)三維的計(jì)算機(jī)圖形和建模庫(kù)，它獨(dú)立于視窗操作系統(tǒng)或其它操作系統(tǒng)，亦是網(wǎng)絡(luò)透明的。OpenGL集成了所有曲面造型、圖形變換、光照、材質(zhì)、紋理、像素操作、融合、反走樣、霧化等等復(fù)雜的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法，為用戶提供了可視化方面強(qiáng)大而又方便實(shí)用的功能。OpenGL可與VC++緊密接合，因而便于有關(guān)計(jì)算和圖形算法的實(shí)現(xiàn)，并保證算法的正確性和可靠性，使用簡(jiǎn)便、效率高。另外，OpenGL可以在網(wǎng)絡(luò)上工作，即客戶機(jī)/服務(wù)器型，顯示圖形的計(jì)算機(jī)（客戶機(jī)）可以不是運(yùn)行圖形程序的計(jì)算機(jī)（服務(wù)器），客戶機(jī)與服務(wù)器可以是不同類型的計(jì)算機(jī)，只要兩者服從相同的協(xié)議[13][15]。它亦是一個(gè)用于可視化應(yīng)用程序構(gòu)造與運(yùn)行的支撐環(huán)境，是在三維函數(shù)庫(kù)OpenGL的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法建立發(fā)展起來(lái)的。VTK包含一個(gè)功能強(qiáng)大的C++類庫(kù)，同時(shí)也支持多種腳本語(yǔ)言，包括Python、Tcl/Tk、Java等；它支持多種可視化算法，包括標(biāo)量、向量、張量、紋理和體積測(cè)定方法等；它提供許多高級(jí)的建模技術(shù)，比如隱函數(shù)建模、多邊形減面、網(wǎng)格平滑、切割、造型以及Delaunay三角劃分等[5]。VTK提供多種數(shù)據(jù)表達(dá)類型，包括無(wú)結(jié)構(gòu)點(diǎn)集、多邊形數(shù)據(jù)、圖像、體元、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、正交網(wǎng)格以及無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格等。VTK源碼開(kāi)放、交互性好、跨平臺(tái)、支持平行處理，它以其強(qiáng)大的可視化功能在學(xué)術(shù)研究以及商業(yè)應(yīng)用的許多領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。此外，VTK已在建筑學(xué)、氣象學(xué)、生物學(xué)、航空航天、石油勘探、地理學(xué)、測(cè)繪學(xué)、聲學(xué)系統(tǒng)、流體系統(tǒng)、有限元分析、表面重構(gòu)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。由VTK與MFC混合編程開(kāi)發(fā)出一個(gè)有限元網(wǎng)格可視化軟