科学计算可视化—突破技术壁垒！教你独立开发CAE后处理仿真软件

导读：随着中国制造业的智能化、数字化进程推进，以及政府对工业软件的重视和支持，国产仿真软件的市场需求持续增长。根据IDC 预测中国核心工业软件市场规模将从 2023 年的 273.6 亿元增长到 2027 年的 579.6 亿元，年复合增长率达到 20%。

随着工业化进程的不断加深，CAE软件越来越多地被应用到各个领域，如机械、建筑、水利等关乎国民经济的传统领域，航空航天、军事国防、爆炸爆破等具有战略地位的核心领域，以及生物化学、天文学等应用前景较大的新兴领域。CAE有限元分析过程中产生相当数量的结果信息，这些信息要被分析者理解，并加以利用，可视化技术是非常重要的途径。

一、科学计算可视化—突破技术壁垒

科学计算可视化是将通过模拟计算和实验所获得数据运用计算机图形学、图像处理技术和计算机视觉转换为图形图像并显示出来的理论、方法和技术。科学计算可视化涉及到的研究领域有计算机图形学、计算机视觉、图像处理、计算机辅助设计及图形用户界面等。科学计算可视化实现了人通过图像与海量数据之间的高效交流，使目前日益庞大的数据得到有效的处理，所以，科学计算可视化已成为当前计算机图形学研究的重要方向

图1后处理可视化分析

CAE数值仿真 主要包括前处理、求解和后处理三个阶段。其中，后处理是对仿真结果进行可视化和分析的重要环节。后处理不仅涉及到数据的可视化展示，还包括对结果的解读和决策支持。

商业软件如ANSYS、ABAQUS、COMSOL 等，因其强大的后处理功能和用户友好的界面，成为了许多工程师的首选。当前也有许多专业的后处理软件，例如：

1、Tecplot:支持多种科学计算数据格式，尤其在流体力学领域被广泛使用，功能强大且用户界面友好。

2、ParaView: 一个非常流行的开源可视化工具，支持大规模数据集的处理和可视化，适用于多种类型的科学和工程数据。

3、VisIt:LLNL开发的一个开源可视化工具，支持并行计算和大规模数据集的处理，适合多种数据类型的可视化。

然而，这些商业软件和开源软件的使用也带来了诸多局限性。 

图2使用商业软件后处理的弊端

使用商业软件进行后处理也可能面临知识产权和技术壁垒的问题。企业在使用这些软件时，可能会受到软件商的限制，无法自由访问软件的源代码或内部算法，这使得企业在开发新算法时受到了制约。此外，若企业在仿真过程中的核心算法与商业软件之间存在技术壁垒，可能导致技术创新的困难，影响企业的核心竞争力。

二、教你制作自己CAE后处理软件

那么如何完成一个自己的后处理软件呢？这里面涉及到了大量的技术，首先是计算机图形学的基本原理，C++ 编程水平、Qt图形界面编程能力，OpenGL/VTK等开源库的熟练掌握。

然而这方面的学习资料极少，学习成本极高，基于此现象，CAE前后处理高级工程师沐老师推出了以下课程《基于Qt VTK的CAE软件后处理数据可视化分析教程——面向工程实践》。

1、主要内容包括

（1）标量场可视化：物理量云图，等值线等值面，按照材料属性位置显示，模型几何变换，体渲染，数据探测，切面提取等。

（2）矢量场可视化：点图标法，矢量箭头，流线，流面，矢量场动画，纹理贴图等。

（3）包含软件架构、设计模式、可视化方法与理论，工程实现等。

图3课程成果展示

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2、关于作者-VTK后处理器专家

VTK后处理器专家，沐老师，高级工程师。长期从事CAE软件前后处理关键技术研究。在科学计算数据可视化领域经验丰富，擅长处理复杂的多维数据与高阶科学计算结果、计算机图形学、亿级大规模数值模拟数据并行渲染与分析。通过灵活运用自研算法实现高效的图形化展示。曾经完成过大型CAE软件的后处理架构与可视化算法的编写，基于C++、Qt、VTK/OpenGL编写了多套前后处理国产化可视化软件。可以实现与求解器的无缝衔接，形成具有前后处理、求解器的一体化软件。

笔者（沐老师）自主研发后处理器，支持VTK、tecplot、OpenFOAM、INP等标准格式及自定义格式文件的载入，能够全面涵盖结构化、非结构化、面网格、粒子点云及混合单元的可视化需求。该后处理器采用了前沿的高保真可视化算法，不仅支持标量场与矢量场的直观展现，还提供了详尽的仿真数据图表及曲线分析功能。

在标量场可视化方面，该后处理器支持物理量云图的精细绘制、等值面与等值线的精确描绘、材料属性的直观显示、数据探测的深入分析，以及隐函数截取平面的灵活应用。此外，该后处理器还提供了模型镜像、旋转、拉伸等几何变换方法，以及针对大规模标量场的先进体绘制渲染技术。

在矢量场可视化方面，后处理器展现了其卓越的性能，支持矢量颜色映射云图、矢量箭头、流线、迹线、脉线等多种可视化手段，为研究人员提供了丰富的选择。

针对大规模数据可视化面临的效率挑战，本后处理器采用了文件轻量化、数据下采样等优化策略，并结合OpenMP与MPI混合并行等可视化技术，成功实现了上亿网格数据规模场景的流畅渲染。

图4自主研发的前后处理可视化框架

3、用户得到

这个课程涉及C++ VTK进行图形学编程的理论与方法，内容涵盖了从基础环境搭建到具体的CAE软件后处理数据可视化分析的数据处理过程，包含丰富的矢量场与标量场可视化理论与方法。

（1）通过学习如何写自己的后处理算法，CFD工程师或相关从业者能够更好地处理复杂的流场可视化问题，例如自己实现流场流线的绘制等。

（2）掌握如何利用VTK进行仿真结果的可视化，航空航天、机械工程、能源领域的研究人员或学生可以更高效地进行设计优化和性能预测，减少使用商业后处理软件的繁琐步骤，定制自己的后处理可视化流程。

（3）通过自己学习VTK数据可视化，企业研发人员可以自定义可视化流程，从而快速评估设计方案，缩短产品研发周期，提高企业竞争力。

（4）可以将这个课程内容融入到自己的科学研究中，高校教师或研究人员将自研数值求解算法与VTK后处理结合；同时也能在科研项目中探索新的研究方向，例如开CFD定制化仿真系统。

（5）这个课程提供了从基础到进阶的完整学习路径，适合系统学习，通过实践操作加深对理论的理解。

（6）本课程为订阅用户提供持续加餐服务，VIP群，讲师答疑，后续还可以提供奖学金、仿真人才库内推就业机会等。

4、适合哪些人学习

（1）仿真工程师或相关从业者，已经具备图形学基础知识和实践经验，熟悉商业软件的后处理流程 、ParaView等工具，但希望自己写出一个定制化的后处理软件、提高可视化效率。

（2）C++ 工程师，熟练掌握Qt，但缺乏对于CAE软件后处理领域的实际应用经验。

（3）航空航天、机械工程、能源领域的研究人员或学生，这些领域的研究和设计工作经常涉及数值仿真，例如结构仿真、流体仿真、电磁仿真等。

（4）对跨学科技术感兴趣的学习者，对数据可视化有一定的兴趣，但缺乏系统的学习路径。

（5）希望提升仿真效率的企业研发人员，企业中从事产品研发的工程师，需要在短时间内完成大量仿真任务，但传统后处理可视化耗时较长。

（6）高校教师或研究人员，希望在教学或研究中引入数据可视化技术，结合自研求解器计算结果进行数据分析。

（7）对新技术有好奇心的自学者，对数据可视化有兴趣，希望通过自学掌握相关技能。

最后祝愿大家科研顺利，希望大家的科研旅程像穿越神奇森林，数据像小精灵自动排好队，实验就像煮咖啡一样简单，结果总能冒出出人意料的香气！愿每次熬夜都有披萨陪伴，每个灵感都像猫咪打呼噜一样温柔袭来。科研顺利，笑料不断，大家一起在学术海洋里乘风破浪，好运连连！

来源：仿真秀App