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在网页端的 CAE（计算机辅助工程）仿真软件中，使用 Three.js 作为渲染引擎需要结合图形学的多个方面来实现三维模型的显示、仿真结果的可视化、交互等功能。以下是主要会用到的图形学知识和相关领域：

1. 三维几何建模 ​

CAE 仿真通常处理复杂的三维模型，因此需要掌握以下几何建模知识：

  • 顶点、边、面：构建模型的基本单元。
  • 网格表示：通过 BufferGeometry 或 Geometry 定义三角网格。
  • 曲面和体建模：在需要表示复杂曲面或三维体（如 CAD 模型或仿真网格）时，需理解曲线（如贝塞尔曲线、B样条）和曲面（NURBS）表示方法。
  • 布尔运算：几何体的并、交、差等操作（常见于设计与仿真建模）。
  • 网格简化和细分：优化复杂模型，平衡性能与显示效果。

2. 坐标变换与矩阵运算 ​

在三维场景中，物体的位置、旋转和缩放需要通过矩阵变换来实现。需要了解：

  • 世界坐标系和本地坐标系：将物体从其自身坐标系变换到世界坐标系。
  • 模型矩阵、视图矩阵和投影矩阵：构成渲染管线的核心部分。
  • 四元数和欧拉角：用于表示旋转，避免万向节锁问题。
  • 摄像机视图：
    • 透视投影：适合三维仿真的自然视角。
    • 正交投影：常用于工程视图（如应力、变形图的展示）。

3. 光照与材质 ​

在 CAE 仿真中，光照和材质的使用主要为了清晰地展示模型和仿真结果：

  • 光照模型：
    • 平行光、点光源、聚光灯等（Three.js 提供了现成实现）。
    • 环境光照用于均匀照亮场景。
    • 需要了解 Phong、Blinn-Phong 和 PBR（物理基光照）模型。
  • 材质：
    • 利用 MeshBasicMaterial、MeshPhongMaterial、MeshStandardMaterial 等。
    • 应用颜色映射（例如仿真中的应力或温度分布）来显示结果。
  • 阴影：
    • 用于增强深度感。
    • 需要配置 Shadow Mapping，了解其原理及性能优化。

4. 数据可视化 ​

CAE 仿真中的重要任务是将仿真数据（如应力场、速度场、温度场等）可视化，这涉及：

  • 标量场可视化：
    • 使用颜色映射（colormap）将标量值（如应力或温度）转换为颜色。
    • 常用材质是 ShaderMaterial，通过自定义着色器实现颜色插值。
  • 向量场可视化：
    • 通过箭头、流线（streamlines）等展示方向和大小（可以使用 Three.js 的 ArrowHelper 或自定义几何）。
  • 等值面（Isosurface）：
    • 在三维空间中展示标量场的等值面，可以通过 Marching Cubes 算法实现。
  • 切片平面：
    • 渲染模型的特定截面，展示内部数据。
    • 需要使用裁剪平面（clipping planes）或动态切片技术。

5. 纹理映射与贴图 ​

纹理映射用于增强渲染效果或显示仿真数据：

  • 颜色纹理：
    • 应用仿真结果的标量场（如温度、应力）到模型表面，形成数据贴图。
  • 法线贴图：
    • 模拟模型表面的细节（如粗糙度或微结构）。
  • 动态纹理：
    • 显示随时间变化的数据，例如动画仿真中的动态应力分布。

6. 动画与变形 ​

CAE 仿真通常需要动态展示结果，这涉及：

  • 帧动画：
    • 通过逐帧更新顶点或纹理显示动态仿真数据。
  • 骨骼动画：
    • 用于展示结构的动态响应，例如机械结构的运动或变形。
  • 形变动画：
    • 动态更新网格顶点位置以展示变形（如材料在载荷下的形状变化）。

7. 交互技术 ​

交互是网页端仿真软件的重要部分：

  • 鼠标拾取：
    • 利用射线投射（Raycasting）实现对象拾取，允许用户选择模型或查看局部数据。
  • 相机控制：
    • 使用 OrbitControls 或自定义相机控制实现缩放、旋转、平移等功能。
  • 动态切片：
    • 用户通过拖动平面切片查看模型内部。
  • 数据查询与高亮：
    • 允许用户点击模型查询数据，或高亮显示选中区域。

8. 着色器编程 ​

Three.js 尽管提供了许多高层次的工具，但在高级渲染中可能需要编写自定义 GLSL 着色器：

  • 顶点着色器：
    • 用于动态变形模型（如根据仿真结果调整顶点位置）。
  • 片段着色器：
    • 用于实现自定义光照模型、复杂的颜色映射或屏幕特效。
  • 后期处理：
    • 使用 EffectComposer 实现模糊、边缘检测等效果。

9. 性能优化 ​

CAE 仿真涉及大量数据和复杂几何，需要优化以保证实时渲染性能：

  • 简化几何：
    • 减少模型多边形数量（LOD 技术）。
  • 实例化渲染：
    • 对重复几何（如粒子、箭头）使用 InstancedMesh 提高效率。
  • 数据流优化：
    • 使用 BufferGeometry 优化顶点数据的传输与存储。
  • GPU 加速：
    • 将部分计算任务（如数据插值、颜色映射）移至 GPU。

10. 渲染效果与真实感增强 ​

虽然 CAE 仿真注重数据准确性，但适当的渲染效果能提升用户体验：

  • 真实感渲染：
    • 使用 PBR 材质模拟真实世界的光学特性。
  • 边缘高亮：
    • 在模型边界上添加线条（例如 EdgesGeometry），便于用户观察结构。
  • 透明与半透明：
    • 在复杂模型中展示透明效果，观察内部结构或仿真结果。

总结 ​

使用 Three.js 作为 CAE 仿真软件的渲染引擎，开发者需要结合几何建模、坐标变换、光照、着色器编程、数据可视化等图形学知识。具体应用场景包括：

  • 构建与渲染仿真模型。
  • 动态展示仿真结果（如应力、温度分布）。
  • 提供高效的用户交互（如切片、选择、动态缩放）。 通过深度整合图形学技术，Three.js 可以为网页端 CAE 仿真提供强大的可视化能力和良好的用户体验。