最火专业图卡加速工程数据可视化研究

专业图卡加速工程数据可视化研究

数据可视化技术离不开专业图卡

数据可视化（Data Visualization）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。数据可视化概念首先来自科学计算可视化 （Visualization in Scientific Computing），科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。随着计算机技术的发展，数据可视化 概念已大使反应物尽量多转化为生成物大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化,而且包括工程数据和测量数据的可视化。学术界常把这种空间数据的可视化称为体视化（Volum Visualization）技术。

数据可视化技术的发展和应用对计算机硬件技术提出了更高的要求，特别是针对计算机系统的图形处理能力，大规模数据可视化的过程（含二维和三维系统）需要显示子系统处理大量的高精度矢量数据，并在显示终端设备上得到完美的展现。因此，大规模数据可视化工作早期需要采用性能强大的小型机来完成，并且需要多路显示系统联合进行运算。近年来，随着PC机性能的大幅度提高，特别Quadro系列等专业图卡的图形处理性能不断攀升，使用单台PC完成一般规模的数据可视化工作已经成为可能。以市场上常见的Quadro系列图卡为例，即使是目前入门级别的Quadro FX 570，相比5年前的主流专业图卡，显存量提高了8倍，显存频率和核心频率分别提高了3倍和4倍，数据处理带宽更是提高了5倍之多。5年前，配置专业图卡的PC系统很难在数据可视化方面有用武之地，而现在任何一款中高端专业图卡均能获得良好的图形处理表现。因此，市场上很多数据可视化应用系统也在2006年前后，开整机的调速控制室系统以软件为主题始提供基于Windows系统的版本，并将原有系统的OpenGL图形优势转移到PC+Windows系统上（这得益于OpenGL的跨平台优势）。相应的，基于专业图卡多路图形处理技术的进步，多路PC系统支持下的大规模数据可视化系统也在2006年前后逐渐与传统的Powerwall系统分庭抗礼。

早期通常意义上的数据可视化技术大多采用二维图形图像学可视化方法，由于二维可视化含有较少的数据量，同时沿用了成熟的可视化理论方法，因此在空间信息远程可视化（如络地图）和交通导航等领域应用较为广泛。而在工程计算、医学、科学计算等领域，包含更多数据信息的三维可视化技术则必不可少。因为，从常识性的认知角度而言，现实世界是一个三维空间，使用计算机将现实世界表达成三维模型则更加直观逼真，三维信息表达不再以符号化为主，而是以对现实世界的仿真手段为主。对现实世界的模拟，不仅需要精确表达三维几何形体、曲面，还需要进行大量的纹理和场景处理工作，从而形成具有一定逼真度的三维地图。这也是现代三维数据可视化技术离不开专业图卡等图形加速设备的原因之一。

工程数据三维图形可视化应用中的专业图卡

三维图形数据的可视化包含三维模型的创建和图形数据的几何运算两大过程，几何运算部分又包括物理运算、几何转换、光源、顶点标定和贴图渲染等几个阶段，其中涉及大量的浮点运算和整数运算，需要图卡提供强有力的图形数据处理性能。因此，市场上一般的图卡或入门级的专业图卡都很难胜任大规模三维数据的可视化任务，只有少数高端专业图卡才能得到专业人士的认可，并在实践中得到应用（仅用于学习目的，不考量工作效率者除外）。

以丽台Quadro FX 4600图卡为例，容量高达768MB的DDR3高速显存保证了大规模几何数据及纹理数据的处理效率，67.2GB/sec的内存带宽则保证了高效的三维建模和大规模的三维图形展示。特别是，丽台Quadro FX 4600支持OpenGL和DirectX两种图形接口，即适合专业的工程和科学可视化应用，也能在一些上用的VR系统中得到良好的图形表现。而且，丽台Quadro FX 4600能提供2560 ×1600的高分辨率显示，可以在30寸的大显示屏或多块显示屏上同时复现大量三维数据。

图1 丽台Quadro FX 4600显卡

笔者在装备了丽台Quadro FX 4600显卡的计算机系统上运行交互式图形可视化系统AVS/Express，并采用外源数据进行测试，以核实丽台Quadro FX 4600显卡的专业效能和在图形可视化领域的适用性。除丽台Quadro FX 4600显卡外，系统采用了酷睿 2 E6400双核处理器，配置了2GB DDR2 667内存，基于Windows XP Professional SP1系统。

AVS/Express从6版本之后才提供成熟稳定的Windows版本，此前仅仅提供UNIX版本。考虑主机性能，相比之下，Windows版本的数据处理规模上限小于UNIX版本，但能满足绝大多数用户的需要，特别是64位PC平台和高性能专业图卡的大规模应用，Windows版的AVS/Express 6.3已经可以处理最高20亿点阵规模的图形。AVS/Express提供了有关先进图形、图象、数据可视化、数据库接口、注释和硬拷贝等先进技术，因此被GIS、工程计算、医疗等广泛领域的专业系统选为图形可视化的标准。

工程计算结果的可视化是与CAD/CAE技术相关联的，AVS/Express在其中起到了主导作用。在AVS/Express的技术数据包中，采用了TMA的集成电路设计和制造数据，展现大量工程模拟数据的可视化效果。TMA那末这些按钮键位都有着甚么样的用处呢？下面大家就来追随济南思达的专业讲授的TCAD软件帮助工程师在设计过程的前期阶段，通过三维数据模拟技术预估产品的电子产品的性能和制造可能性、可靠性，以缩短设计周期，减少设计失误，而利用嵌入的AVS/Express三维图形可视化系统，工程师可以在计算机的屏幕上直接观看三维的模拟结果，直观地进行对比评估。在丽台Quadro FX 4600平台上，图2所示的三维集成电路模拟图得到了完美的展示，不存在任何阻滞。FX 4600在多视图窗口下流畅处理动态变化的三维云图，尤其体现了高端专业图卡的价值所在。

图2 TMA SRAM集成电路分析结果云图

在汽车设计过程中，丽台Quadro FX 4600与AVS/Express的配合也是天衣无PPR管环刚度实验机等等缝。图3是梅赛德斯公司某车型的车身有限元非结构性格，采用Nastran系统进行处理，其结果在AVS/Express viewer（多线程）中实现可视化，包括370万以上的节点（未进行运算过程），在FX 4600的帮助下，采用标准的OpenGL接口，系统显示的表现非常优秀，除数据检算过程稍有延迟外，视图的切换、视角的旋转、模型的平移均非常流畅。在交互性图形操作过程中，高精度图形细节的展示尤其令人满意。

图3 梅赛德斯车型应力分析云图

在上述实例中，基于使用AVS/Express，工程师将模拟过程生成的海量数据转换为三维图像及曲线图，AVS/Express简化了这一工程数据的可视化过程，而丽台Quadro FX 4600则为大规模、高精度复杂三维图形的显示提供了硬件基础，使得整个过程的效率得以提高。类似的应用几乎遍及了当前所有高科技复杂产品的研发过程，如虚拟风洞、复杂地质条件的三维模拟等，Quadro FX 4600配合AVS/Express等专业领域可视化应用程序，对于取得突破性的研究成果起到了关键作用。(end)