[发明专利]一种基于数据并行处理的虚拟现实的3D仿真方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，更具体地，涉及一种基于数据并行处理的虚拟现实的3D仿真方法及系统。

背景技术

现有的数值仿真的结果主要通过Tecplot、AVS等商业软件在普通显示设备上直接展示；无法和虚拟现实的展示设备（如数字头盔、立体显示器等）相接，也无法交互地展示数值计算结果，也无法提供高沉浸感的立体展示，观测者现场感不强，而现有的虚拟现实技术主要用于复杂操作（如模拟驾驶、零件装配）演示教学、虚拟试验等环节；展示性较强，但无法对虚拟实体的物理和行为实现精确的、在线的、实时的仿真，因此人机交互的效果较差。

基于上述现有技术的计算仿真系统和虚拟现实系统无法为感测者带来真实的现场感，也无法实现真正的实时交互，在一些瞬态的操作过程中，如实习医生在练习血管放支架的手术操作时，采用现有的方式来进行时其实时交互性差，操作者很难准确的把握其实时的情况。因为操作者的每一个动作都会对血流造成影响，故不真实的仿真模拟无法为操作者提供正确系统反馈信息，在后期临床操作中可能会造成难以估量的医疗事故。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明首先提出一种仿真效果更逼真的基于数据并行处理的虚拟现实的3D仿真方法。

本发明的又一目的是提出一种基于数据并行处理的虚拟现实的3D仿真系统。

本发明的技术方案为：

一种基于数据并行处理的虚拟现实的3D仿真方法，包括以下步骤：

S1.构建对象的三维模型，设定初始边界条件；

S2.将步骤S1生成的三维模型进行区域分解，分解得到的子模型数目与并行计算服务器中的总进程数相同，并将初始边界条件和各子模型中的元素信息分别输入到各进程；

S3.以初始边界条件为计算条件，当计算过程中初始的边界条件发生改变则重新启动边界设置程序，重新对该子模型进行计算，直到边界稳定或计算子结果为常数；

S4.对产生的计算子结果进行合并，产生三维模型整体的计算结果；

S5.根据步骤S4获取的计算结果生成3D文件，并导入虚拟现实场景中，通过设定相机角度、行进路径，设置渲染效果来实现虚拟现实操作，通过3D显示器播放展示。

该方法采用计算服务器并行、实时计算，并以初始边界条件为计算条件，在检测到该边界条件发生改变之后，更新边界并重新计算，能反馈该三维模型边界条件的瞬时改变，即可实时反馈出计算模型的应力、形变/位移、速度场、温度场、浓度场等属性的瞬态变化。采用区域分解法，每个进程负责模型的一个分块，在普通PC集群上即可处理上亿自由度的大规模计算问题；将由计算结果生成的3D文件导入到虚拟现实的场景中，并设置相机行进路径和材质、渲染效果，将计算结果通过3D显示器立体播放和展示，沉浸感高，互动性、立体的展示效果更佳。

在一种优选的方案中，所述步骤S1中采用CAD工具（ADV_CAD，Solidworks，AutoCAD等）或者三维扫描仪构建对象的三维模型。

在一种优选的方案中，所述步骤S1中具体构建模型的方法为：

采用Solidworks或AutoCAD建3D模型，并存储为STL格式；

利用3D模型编辑方法，对STL文件建立面，然后导出；

利用3D模型转换方法，将STL文件转化为IGES格式，并设置实体输出为IGES MSBO用于后续过程读取；

或

采用利用ADV_CAD建立3D模型，则利用ADV_Tetmesh生成IGES格式的3D文件，并设置实体输出为IGES MSBO用于后续过程读取。

在一种优选的方案中，所述步骤S2中进行区域分解的具体实现方式为：

并行计算服务器中的主进程读取IGES格式三维模型；

对IGES格式三维模型进行非重叠、非结构的区域网格划分，得到N个子模型，N为并行计算服务器中的总进程数；

将当前进程负责的区域内的元素信息，以及初始边界条件信息一并写入当前进程的输入文件中。

在一种优选的方案中，所述步骤S3的计算具体实现方式为：

S31.读入当前进程中对应的输入文件；

S32.利用并行特征曲线算法对控制方程（描述物理现象的方程：如流体的Navier-Stokes方程、对流扩散方程、磁流体的麦克斯韦方程等）中的非线性项进行线性化处理，得到正定、对称的局部线性系统；