麗臺顯卡: 專業圖卡加速工程數據可視化 Quadro FX570_第1頁

數據可視化（Data Visualization）技術指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互技術等多個領域。數據可視化概念首先來自科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing），科學家們不僅需要通過圖形圖像來分析由計算機算出的數據，而且需要了解在計算過程中數據的變化。隨著計算機技術的發展，數據可視化概念已大大擴展，它不僅包括科學計算數據的可視化，而且包括工程數據和測量數據的可視化。學術界常把這種空間數據的可視化稱為體視化（Volum Visualization）技術。

數據可視化技術的發展和應用對計算機硬件技術提出了更高的要求，特別是針對計算機系統的圖形處理能力，大規模數據可視化的過程（含二維和三維系統）需要顯示子系統處理大量的高精度矢量數據，并在顯示終端設備上得到完美的展現。因此，大規模數據可視化工作早期需要采用性能強大的小型機來完成，并且需要多路顯示系統聯合進行運算。近年來，隨著PC機性能的大幅度提高，特別Quadro系列等專業圖卡的圖形處理性能不斷攀升，使用單臺PC完成一般規模的數據可視化工作已經成為可能。以市場上常見的uadro系列圖卡為例，即使是目前入門級別的Quadro FX570，相比5年前的主流專業圖卡，顯存量提高了8倍，顯存頻率和核心頻率分別提高了3倍和4倍，數據處理帶寬更是提高了5倍之多。5年前，配置專業圖卡的PC系統很難在數據可視化方面有用武之地，而現在任何一款中高端專業圖卡均能獲得良好的圖形處理表現。因此，市場上很多數據可視化應用系統也在2006年前后，開始提供基于Windows系統的版本，并將原有系統的OpenGL圖形優勢轉移到PC+Windows系統上（這得益于OpenGL的跨平臺優勢）。相應的，基于專業圖卡多路圖形處理技術的進步，多路PC系統支持下的大規模數據可視化系統也在2006年前后逐漸與傳統的Powerwall系統分庭抗禮。

早期通常意義上的數據可視化技術大多采用二維圖形圖像學可視化方法，由于二維可視化含有較少的數據量，同時沿用了成熟的可視化理論方法，因此在空間信息遠程可視化（如網絡地圖）和交通導航等領域應用較為廣泛。而在工程計算、醫學、科學計算等領域，包含更多數據信息的三維可視化技術則必不可少。因為，從常識性的認知角度而言，現實世界是一個三維空間，使用計算機將現實世界表達成三維模型則更加直觀逼真，三維信息表達不再以符號化為主，而是以對現實世界的仿真手段為主。對現實世界的模擬，不僅需要精確表達三維幾何形體和曲面，還需要進行大量的紋理和場景處理工作，從而形成具有一定逼真度的三維圖。這也是現代三維數據可視化技術離不開專業圖卡等圖形加速設備的原因之一。

工程數據三維圖形可視化應用中的專業圖卡

三維圖形數據的可視化包含三維模型的創建和圖形數據的幾何運算兩大過程，幾何運算部分又包括物理運算、幾何轉換、光源、頂點標定和貼圖渲染等幾個階段，其中涉及大量的浮點運算和整數運算，需要圖卡提供強有力的圖形數據處理性能。因此，市場上一般的圖卡或入門級的專業圖卡都很難勝任大規模三維數據的可視化任務，只有少數高端專業圖卡才能得到專業人士的認可，并在實踐中得到應用（僅用于學習目的，不考量工作效率者除外）。

以麗臺Quadro FX 4600圖卡為例，容量高達768MB的DDR3高速顯存保證了大規模幾何數據及紋理數據的處理效率，67.2GB/s的內存帶寬則保證了高效的三維建模和大規模的三維圖形展示。特別是，麗臺Quadro FX 4600支持OpenGL和DirectX兩種圖形接口，既適合專業的工程和科學可視化應用，也能在一些上用的VR系統中得到良好的圖形表現。而且，麗臺Quadro FX 4600能提供2560×1600的高分辨率顯示，可以在30 英寸的大顯示屏或多塊顯示屏上同時復現大量三維數據。

筆者在裝備了麗臺Quadro FX4600 顯卡的計算機系統上運行交互式圖形可視化系統AVS/Express，并采用外源數據進行測試，以核實麗臺Quadro FX4600顯卡的專業效能和在圖形可視化領域的適用性。除麗臺Quadro FX 4600顯卡外，系統采用了酷睿2 E6400雙核處理器，配置了2GB DDR2 667內存，基于 Windows XP Professional SP1系統。

（麗臺Quadro FX 4600顯卡）

AVS/Express從6版本之后才提供成熟穩定的Windows版本，此前僅僅提供UNIX版本。考慮主機性能，相比之下，Windows版本的數據處理規模上限小于UNIX版本，但能滿足絕大多數用戶的需要，特別是64位PC平臺和高性能專業圖卡的大規模應用，Windows版的AVS/ Express 6.3已經可以處理最高20億點陣規模的圖形。AVS/Express提供了有關先進圖形、圖像、數據可視化、數據庫接口、注釋和硬拷貝等先進技術，因此被GIS、工程計算、醫療等廣泛領域的專業系統選為圖形可視化的標準。

工程計算結果的可視化是與CAD/ CAE技術相關聯的，AVS/Express在其中起到了主導作用。在AVS/Express的技術數據包中，采用了TMA的集成電路設計和制造數據，展現大量工程模擬數據的可視化效果。TMA的TCAD軟件幫助工程師在設計過程的前期階段，通過三維數據模擬技術預估產品的電子產品的性能和制造可能性、可靠性，以縮短設計周期，減少設計失誤，而利用嵌入的AVS/ Express三維圖形可視化系統，工程師可以在計算機的屏幕上直接觀看三維的模擬結果，直觀地進行對比評估。在麗臺 Quadro FX 4600平臺上，圖3所示的三維集成電路模擬圖得到了完美的展示，不存在任何阻滯。FX 4600在多視圖窗口下流暢處理動態變化的三維云圖，尤其體現了高端專業圖卡的價值所在。

在汽車設計過程中，麗臺Quadro FX 4600與AVS/Express的配合也是天衣無縫。圖4是梅賽德斯公司某車型的車身有限元非結構性網格，采用Nastran系統進行處理，其結果在AVS/ExpressViewer(多線程)中實現可視化，包括370萬以上的節點(未進行運算過程)，在FX4600的幫助下，采用標準的OpenGL接口，系統顯示的表現非常優秀，除數據檢算過程稍有延遲外，視圖的切換、視角的旋轉、模型的平移均非常流暢。在交互性圖形操作過程中，高精度圖形細節的展示尤其令人滿意。

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