OpenGL在計算水力學后處理中的應(yīng)用

王 雷，張詩悅，吳東偉

（河海大學，江蘇 南京 210098）

通常水力學數(shù)值模擬的結(jié)果是一系列二進制數(shù)據(jù)或ASCII數(shù)據(jù)文件，為便于分析水流運動狀態(tài)需要把這些數(shù)據(jù)圖形化，這種數(shù)據(jù)可視化軟件稱為后處理軟件。目前常用的后處理軟件是Tecplot和Surfer軟件。他們提供了繪制流速矢量圖的簡單數(shù)據(jù)接口，但這些軟件一次僅能繪制一幅靜態(tài)矢量圖或標量圖，若想生成動態(tài)效果，需要事先準備大量數(shù)據(jù)。并且這些軟件不提供源代碼或通用數(shù)據(jù)接口，所以通常不能與水力學計算程序合并編譯。因此，開發(fā)一套較完善的計算水力學軟件必須研發(fā)其獨立的后處理模塊。本課題立足于此，根據(jù)水力學模型計算的數(shù)據(jù)結(jié)果，在通過OpenGL構(gòu)建的三維可視化虛擬場景中，利用底層圖形開發(fā)方式進行洪水流場的可視化模擬分析研究，在流速變化較大區(qū)域和需要重點觀測區(qū)域提取斷面，分析斷面和洪水淹沒情況，從而解決洪水流場數(shù)值可視化的問題，彌補目前存在的中間數(shù)據(jù)存儲量大、模擬時間滯后和采用商業(yè)軟件很難進行交互控制等不足。

1OpenGL概述

在計算水力學中常用的圖形有流速向量圖和流場內(nèi)物理量等值圖，這些圖須具有顯示準確、便于查看以及美觀等特點。計算機高級編程語言VB、VC++和Delphi等均提供了繪圖工具。從理論上講，這些繪圖工具可以滿足流場的圖形化，但對于復雜的圖形，尤其是三維圖形，繪圖算法往往很復雜以致于難以實現(xiàn)。為高效地開發(fā)流場圖形化軟件，須選用圖形應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，簡稱API）。圖形API是由計算機軟件或硬件公司開發(fā)的通用繪圖程序，其中包含了構(gòu)造景物模型和實現(xiàn)人機交互的圖形操作函數(shù)。程序員只需要調(diào)用API指令集進行布景、建模、光照與渲染，無須考慮圖形硬件和圖形效果的算法。

目前常用的計算機圖形API有DirectX和OpenGL。DirectX僅能用于Windows系列的操作系統(tǒng)，而OpenGL獨立于操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境，具有良好的可移植性和易用性。OpenGL的圖形操作函數(shù)十分靈活，用戶可從點、線、面等最基本的圖形開始構(gòu)造自己的模型。實際上，OpenGL可以看做圖形硬件的軟件接口，其中不包含任何窗口函數(shù)。在Windows系統(tǒng)中，OpenGL圖形庫封裝在一個動態(tài)鏈接庫內(nèi)（OPENGL32.DLL），因此，必須使用一個“窗口”系統(tǒng)來實現(xiàn)OpenGL的圖形顯示和操作。目前VB、VC++以及Delphi等高級編程平臺均可用于OpenGL的“窗口”實現(xiàn)。

2 流場圖形化軟件的設(shè)計和開發(fā)

2.1 流場圖形化軟件的設(shè)計

水力學計算程序大多是用FORTRAN或C語言編制，也有BASIC或PASCAL等語言。為保持軟件通用性，須采用多語言混合編程技術(shù)實現(xiàn)后處理模塊與計算程序間的數(shù)據(jù)傳遞。

由于VC++包含了功能強大的窗口開發(fā)框架，并易實現(xiàn)多語言混合編程，本文采用Visual C++調(diào)用圖形庫OpenGL實現(xiàn)流場的圖像顯示，使用計算機語言混合編程技術(shù)實現(xiàn)水力學計算程序與后處理模塊的數(shù)據(jù)傳遞，并基于VC++實現(xiàn)友好的人機交互界面。軟件框架如圖1所示。

2.2 流場圖形化軟件的開發(fā)

2.2.1 VC++調(diào)用OpenGL實現(xiàn)流場可視化

采用VC++調(diào)用OpenGL實現(xiàn)流場圖形化，首先須建立兩者之間的應(yīng)用接口，其具體方法是將支持OpenGL的動態(tài)鏈接庫函數(shù)添加到VC++預編譯頭文件中，然后調(diào)用OpenGL中的模型函數(shù)和功能函數(shù)進行建模。OpenGL能夠建立線框模型和表面模型兩種幾何模型。在進行建模時任意復雜的三維實體須用一個個小的多邊形面來近似表示。OpenGL的建模實質(zhì)上是根據(jù)所給定的頂點數(shù)據(jù)和面信息建立起各個多邊形面元，并將其存儲到顯示列表中，在需要時予以調(diào)用顯示。采用此方法可以方便地對水力學中起伏不平的河床和自由水面進行三維仿真。

繪制流速矢量圖時，可以采用3條線段組成的箭頭表示矢量；等值圖則可以采用對節(jié)點設(shè)置不同的灰度或顏色來實現(xiàn)。

2.2.2 基于VC++的多語言混合編程技術(shù)

為保證計算水力學后處理程序的通用性，應(yīng)實現(xiàn)VC++與其他編程語言的混合編程。本文以常用的計算程序編程語言FORTRAN為例進行闡述。

實現(xiàn)混合編程的方法通常有兩種：一種是動態(tài)鏈接庫法，即將FORTRAN程序在Fortran PowerStation 4.0開發(fā)環(huán)境中做成動態(tài)鏈接庫，然后VC++程序調(diào)用此動態(tài)鏈接庫，通過數(shù)據(jù)列表實現(xiàn)VC++程序與FORTRAN程序的數(shù)據(jù)傳遞。

第二種方法是VC++直接調(diào)用FORTRAN可執(zhí)行文件。這種方法簡單，不必對現(xiàn)有的FORTRAN程序進行任何改動。實現(xiàn)方法是在VC++程序塊中使用語句調(diào)用exe可執(zhí)行文件。這種方法實際上是用存儲介質(zhì)作為兩種語言數(shù)據(jù)交流的載體，代替了第一種方法中的參數(shù)列表。由于多了寫入、讀出環(huán)節(jié)，同樣的算例，第二種方法的耗時比第一種方法多，但是第一種方法要求VC++程序與FORTRAN程序?qū)?yīng)的變量字節(jié)數(shù)應(yīng)相同，否則可能得出不合理的結(jié)果，第二種方法就不必考慮這個問題。在數(shù)據(jù)量較小的情況下，兩種方法都具有較快的計算速度，均可采用。

3 以明渠水流為例

采用數(shù)值方法模擬寬淺河道中丁壩附近的流場。數(shù)值模擬方法為采用有限體積法離散求解基于坐標的準三維淺水方程，計算網(wǎng)格取為正交曲線網(wǎng)格，并采用FORTRAN語言編制計算程序。

采用第二種VC++與FORTRAN的混合編程方法，后處理程序可以清楚地顯示河床地形。圖2為河道地形高程的等值圖。丁壩布置在河床右岸，設(shè)定壩頂高程為4.0m，壩底高程0.0 m，上游河床來水流量為264 m3/s，下游恒定水位為6.4 m。這些參數(shù)通過VC++編制的用戶界面?zhèn)鬟f給FORTRAN程序，F(xiàn)ORTRAN程序計算穩(wěn)定后將計算結(jié)果以硬盤文件的方式輸出，再由VC++調(diào)用OpenGL將結(jié)果圖形化。圖3為丁壩附近水面處流場矢量圖。

通過實例分析可知，通過Visual C++調(diào)用圖形庫OpenGL可實現(xiàn)流場的圖像顯示，使用計算機語言混合編程技術(shù)可實現(xiàn)水力學計算程序與后處理模塊的數(shù)據(jù)傳遞，并可基于VC++編制友好的人機交互界面。