交互式流体力学仿真的分布式异步模型：面向决策支持的严肃游戏平台王梦辰引用此版本：王梦辰。流体力学交互式仿真的分布式异步模型：面向决策支持的严肃游戏平台建模和模拟。巴黎萨克雷大学，2021年。法语。NNT：2021UPASG113。电话：03609841HAL ID：电话-03609841https://theses.hal.science/tel-03609841提交日期：2022年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire博士论文NNT：2021UPASG113流体力学交互式仿真的分布式异步模型：到一个严肃的游戏平台来决策的作出流体力学交互式仿真的分布式异步方法：迈向支持决策的严肃游戏平台巴黎萨克雷大学博士论文第580号博士学院通信（STIC）博士专业：计算机科学研究单位：巴黎萨克雷大学，CentraleSupélec，复杂性和系统的数学和信息学，91190，Gif-sur-Yvette，法国研究生院：计算机科学和数字推荐人：奥赛科学院论文在巴黎萨克雷大学发表和答辩，2021年12月20日，由王梦辰陪审团组成萨米尔·奥斯曼总统伊夫里巴黎萨克雷大学IBISC教授Pierre Boulanger报告员艾伯塔大学审查员教授Florian De Vuyst审查员报告贡比涅理工大学教授鲍勃·J·安托万 MENELAS考试员魁北克大学奇库蒂米分校讲师Mathieu Muratet考官索邦大学LIP6 INSHEA高级讲师论文方向Patrick BOURDOT博士生导师巴黎萨克雷大学CNRS LISN研究主任Frédéric MAGOULES博士论文联合主任巴黎-萨克雷大学中央高等教育中心多指标类集调查教授Nicolas FÉREY联合主管巴黎萨克雷大学CNRS LISN高级讲师交互式流体力学仿真的分布式异步模型：面向决策支持的严肃游戏平台关键词交互式仿真，严肃游戏，流体仿真，网络玻尔兹曼方法，异步计算，虚拟摘要：这个严肃的游戏旨在以一种有趣和合作的方式解决蛋白质折叠的除了巨大的教育潜力，一群Fold'It玩家成功地完成了寻找HIV病毒蛋白质结构的挑战，证明了这种以用户为中心的方法的实用性和有效性受分子生物学中交互式模拟方法学进步的启发，并确信其在流体力学中的许多应用潜力，本论文致力于研究严肃的交互式游戏模拟方法在流体力学中的应用程度和条件。流体力学中数值方法的进步与日益强大的计算能力相结合，使得有可能因此，本论文的目的是设计和评估一种交互式模拟和严肃游戏的流体力学方法。因此，这项工作的第一步是实施除了为了应对潜在的挑战，已经探索了不同的途径，以实现非常受限制的硬件和软件架构。这是一个提供交互性所需的这项工作的结果是提出了该方法已应用于Lattice-Boltzmann型计算方法，该方法具有高度并行性，在使用Palabos自适应的正在进行的模拟中对相互作用扰动不敏感最后，在此基础上，进行了三个实验，以衡量第一个实验是比较传统仿真和交互式仿真之间的性能。进行了第二个实验，以衡量沉浸在用户体验和性能方面的附加值最后，第三个实验试图测量流体力学交互式仿真的分布式异步方法：迈向支持决策的严肃游戏平台关键词：交互式模拟，严肃游戏，流体模拟，格玻尔兹曼方法，异步计算，虚拟现实它在很大程度上是由严肃的游戏Fold'It做出的，交互式模拟和严肃的游戏方法已经能够说服分子生物学领域的研究人员这个严肃的游戏旨在以一种有趣和协作的方式呈现和解决蛋白质折叠的问题。除了巨大的教育潜力，一组Fold'It参与者成功地发现了艾滋病毒前体的结构，证明了这种方法的有用性和有效性受分子生物学在交互式模拟方面的方法论进步的启发，并相信其在流体力学中数值方法的进步与高功率计算相结合，使得通过交互式流体模拟平台的设计提出潜在的转移成为可能，该交互式流体模拟平台包括用于设计具有初始条件的模型的功能、在进行中的模拟期间流体及其条件极限的可视化和交互式控制。因此，本文的目的是设计和评估一种致力于流体力学的交互式模拟和严肃游戏的方法因此，这项工作的第一步是建立一个专门的平台，同时对交互式模拟和严肃游戏在一般和流体力学中的应用进行持续的书目研究。超越技术技术方面和潜在的挑战，已经探索了许多方法来导致非常受限的硬件和软件体系结构。这实际上是一个如何提供交互性所需性能的问题，同时确保现象组的物理相关性--在其交互式编辑过程中没有模拟。这项工作提出了一个基于Unity 3D视频游戏设计工具的模块化架构，为可视化和交互功能的设计提供了极大的灵活性，并结合了一个允许与任何开源流体模拟代码耦合的基础设施该方法应用于Lattice-Boltzmann方法，该方法在Palabos库进行的模拟中具有高度可并行性，对交互式扰动不敏感。最后，已经探索了异步计算的新方法的使用，因为它们可能进一步优化已经由强- gly并行方法提供的性能。在上述工作的基础上，进行了三项实验，以衡量互动方法和严肃游戏的好处。第一个实验是比较传统仿真和交互式Si仿真之间的性能。进行了第二个实验，以衡量沉浸在用户体验和性能方面的附加值最后，第三个实验旨在测量异步计算导致的决策结果退化程度的影响，以预期使用这种类型的方法来避免与交互式环境相关的性能问题。谢谢你首先，我要感谢我的论文联合主任帕特里克·布尔多（Patrick Bourdot）和弗雷德里克·马古莱斯（Frédéric Magoulès），感谢他们在这四年里对我的欢迎和指导。我还要感谢Nicolas Férey的有效指导、宝贵的建议、耐心以及充满激情和令人兴奋的讨论。最后，我要感谢Bénédicte和Sophie在后勤和行政方面的帮助。我衷心感谢我的评审团成员，特别是报告员，感谢他们的仔细审查和建设性意见。我还要感谢威尼斯团队的所有成员，感谢他们最后，我要感谢我的父母，是他们手稿计划导言8背景和动机8论文的组织111交互式、沉浸式模拟和严肃游戏：流体力学1.1交互式模拟141.1.1交互式模拟：14个定义1.1.2交互式仿真的应用151.2流体力学中的交互式模拟181.2.1Navier-Stoke方程，一种精确但昂贵的1.2.2稳定流体、LBM、SPH：1.2.3L’apport des GPU pour les simulations en mécanique des fluides1.2.4L’apport de l’apprentissage aux performancesde calcul1.2.5交互式模拟在流体231.3可视化和1.3.1流体力学的2D和3D可视化技术271.3.2交互式仿真专用的交互式技术1.4从数字模拟到严肃游戏341.4.1严肃游戏的定义351.4.2严肃游戏与军事应用361.4.3致力于健康和医疗应用1.4.4促进体育活动和运动的严肃游戏1.4.5关于石油和天然气开采的严肃游戏1.5虚拟现实中的交互式模拟401.5.1多模态421.5.2虚拟现实在教育中1.5.3石油领域的虚拟现实441.6结论452一个交互式、沉浸式和分布式架构，致力于严肃游戏环境中的流体力学。2.1强耦合与弱耦合482.2计算、可视化和交互2.2.1每个文件系统的弱耦合限制-之间的反馈Fluent和Unity 3D492.2.2坐标系和标准在不同组件中的重要性512.2.3仿真和交互/可视化模块之间分布式架构的弱耦合2.2.4CFDriver，用于通信仿真组件和可视化/交互532.2.5CFDriver55中的结构化数据管理2.3Unity 3D作为交互式流体模拟的严肃游戏平台的基础2.3.1模拟结果的选择和可视化562.3.2局部物理参数和条件的交互式修改边界的限制592.3.3模拟现象初始条件的交互式定义2.3.4办公室环境中的交互方式2.3.5交互式流体模拟平台在沉浸式环境中的适应632.4交互式流体652.4.1基于网络的玻尔兹曼方法：交互式模拟的2.4.2LBM66方法中的离散化2.4.3反弹边界条件692.4.4型号69的示例2.4.5异步计算模型702.5结论733基于网络的交互式玻尔兹曼流体模拟在决策中的应用比较研究3.1导言763.2实验的目标和期望3.2.1目标模拟的持续时间和规模773.2.2初始条件的描述783.3实验设计793.3.1任务说明793.3.2参与者813.3.3测量数据813.3.4程序823.4假设843.5实验结果3.5.1定量结果853.5.2主观结果853.5.3第86章3.6结论884沉浸式在交互式流体模拟环境中对决策支持的贡献4.1导言914.2使交互式流体模拟平台适应沉浸式环境91 4.2.1使用的沉浸式设备................................ 914.2.22D交互技术对沉浸式环境的适应.................................................................................924.3实验的目标和期望4.4实验设计934.4.1任务934.4.2参与者934.4.3测量数据944.4.4程序944.5假设954.6结果964.6.1定量结果964.6.2主观结果984.6.3讨论984.7结论1005交互式流体模拟环境中异步计算模型的使用研究5.1交互式仿真与异步计算模型：首次应用与反馈5.1.1将异步计算方案应用于热扩散模拟的初步工作5.1.2异步模型在极限情况下的应用的实际说明. 1045.1.3交互式条件版本对极限的影响的现实场景基于域性1065.1.4结论1065.2异步计算结果的局部性对捕获的影响研究交互式流体1075.2.1导言1075.2.2实验的目标和期望5.2.3作为Unity中集成仿真的2D LBM计算模型3D1085.2.4实验设计1095.2.5测量数据1125.2.6假设1135.3结果1135.3.1定量结果1135.3.2讨论1145.4结论116结论118插图列表1.1Fold'it 14的游戏1.2现有交互式模拟171.3用SPH21方法模拟沙堡1.4使用该方法制作落入流体表面的单个液滴的动画LBM221.5具有实时231.6使用SPH方法（用于大血管）和1D方法（用于小血管）进行血流模拟。1.7一位艺术家使用Fluid Sketching 25应用程序进行素描会话1.8在现实世界中创建的墨水飞溅模拟系统......................................................................................................................................261.9能量2D271.10 应用于相同2D流体的1.11 应用于相同流体的1.12 特征提取技术的示例311.13 平移-缩放321.14 3个手指的旋转技术331.15 严肃游戏与好玩游戏351.16 CatCare 37的3D环境概述1.17 石油行业的严肃游戏401.18 两次专题分析中数百篇文章的应用领域1.19 ClinivaVR：教室和干扰器4361.20 致力于交互式流体模拟的严肃游戏的目标、优点和问题概述：全球观点2.1通过文件50在ANSYS-Fluent和Unity 3D之间进行简单耦合2.2从间接参考到直接参考的转换操作512.3说明交互式仿真平台体系结构的部署UML图2.4通过特征提取57渲染水和真空之间的2.5VOF渲染和切割平面的结果2.6速度结果示例592.7模拟现象的交互式修改模式602.8编辑本地物理参数和修改条件的过程模拟方面的限制602.9修改场景的612.10 将Unity 3D的初始条件传播2.11 单元格标签表2.12 图像格式中的边界条件示例2.13 交互式仿真模型的设计632.14 虚拟现实耳机的接口642.15 将虚拟现实功能集成到2.16 网络小区的传播过程2.17 LBM 69底层算法的过程分解2.18 Bounce-back70程序的示例2.19 同步和异步733.1交互式模拟结果的表面可视化793.2交互式模拟的实验任务在正在进行的模拟中给出避免洪水的最佳大坝高度3.3参与者分布：24名参与者分为两组。其中12个以交互式模拟开始，然后以非交互式模拟结束。对其他人来说，情况正好相反。为了平衡这两个条件和所选择的3个字母的顺序，构建了一个拉丁正方形设计。场景8473.4定量结果报告：TST平均值（a），失败次数和观察时间（b）。误差条表示标准误差................................................................................863.5NASA-TLX问卷结果：总负荷（a）、心理需求（b）、身体需求（c）、时间需求（d）、表现（e）、努力（f）和挫折感-（g）。错误条表示错误类型87............................................................................................... 。4.1沉浸式耳机类型设备OculusQuest 2924.2参与者分布954.3定量结果974.4NASA-TLX问卷结果：总负荷（a）、心理需求（b）、身体需求（c）、时间需求（d）、表现（e）、努力（f）和挫折感-（g）。错误条表示错误类型99............................................................................................... 。5.1Unity 3D104场景中的传热模拟可视化5.2具有不同处理器数量的良好分布模拟的计算时间5.3每个处理器上的计算时间，其中一个计算处理器专用于与可视化工具105的通信5.4处理器负载计划，其中计算处理器专用于与可视化工具106的通信5.52D流体中物体运动模型的插图1105.6呈现给用户的流体110中的对象的可视化5.7我们的流体1115.8参与者分布1135.9定量结果：在条件0（实时）、条件1（20 ms延迟）、条件2（40 ms延迟）、条件3下采集的对象百分比（60毫秒延迟），条件4（80毫秒延迟）1145.10 定量结果：任务不同强度之间的差异。 100个对象（第1部分）与200个对象（第2部分）............................................................................................................................................ 1155.11 定量结果：相同异步率之间的差异115个模拟区域中的不同异步速率5.12 定量结果：对象轨迹与光标之间的距离由简介背景和动机交互式模拟方法通过证明其在科学和工业中的有用性，正在逐渐获得新的用途交互式模拟可以粗略地定义为用户可以在正在进行的模拟期间对其对象或参数进行交互式最好的学术例子强调了潜在的力量，特别是在科学领域，是应用程序Fold'It。[78] 该应用程序通过结合交互式分子模拟和严肃游戏的方法，为用户提供了找到蛋白质折叠和3D结构的机会，在能量方面是最佳的。这导致了一组参与者对HIV病毒蛋白质结构的正确建议受分子生物学领域这一成功的启发，我们认为应用于流体力学的交互式模拟可以成为解决许多科学、工业和教育问题的工具此外，它还具有自相矛盾的是，流体力学中的交互式模拟方法并不普遍，因为由于潜在物理现象的复杂性，其开发和使用存在许多障碍和障碍。事实上，在流体力学中实施交互式模拟方法需要结合几个组成部分，即模拟和计算，以及9可视化和交互。这些组件中的每一个都需要物理学、数字科学、科学可视化和图形渲染以及人机交互方面的特定专业知识。计算和可视化组件还必须满足交互式环境强加的许多先决条件，即能够在模拟侧每秒生成几个时刻，并在可视化侧以至少接近10Hz左右的视网膜持久性的频率以图形方式呈现这些结果，但理想地超过几十Hz。通常，这些工具是顺序移动的，需要返回计算结果，完成的或中间的，以使用可视化工具可视化和分析它们，除了2D或3D导航和修改渲染属性或可视化模态之外，可视化工具通常交互式流体模拟系统的开发必须从设计阶段就集成与模拟、可视化和交互相关的功能在文献中，流体力学中的交互式模拟方法经常重新开发计算代码以使其与交互式时间兼容。从技术角度来看，这种方法是合理的，因为它允许在利用最新处理器或图形卡方面处于进步的前沿。它还允许在计算、可视化和交互组件之间进行软件优化的接口然而，这种方法与用法相反。事实上，专业或科学用户依赖于由科学界或其用户验证和测试的历史计算代码，以获得专有代码。此外，由于不可能在大型数据中心上部署，这些代码很难扩展。因此，这些技术建议往往仍然是示范性的，既没有纳入研究工作，也没有纳入工业生产过程。我们强调除了尊重使用之外，我们的方法还可以很容易地用一种计算代码替换另一种计算代码，就像分子生物学中的实践一样。遵循这种方法的设计和开发工作花了很多个月的时间，包括10交互式组件，然后实现软件和网络层以接口这些组件。虽然交互式仿真方法在力学领域的应用和使用前景看起来很有希望，但它们需要伴随着评估其在学术和工业部门的有用性和优势的工作。 很少有科学工作试图证明一个人的兴趣来描述这些方法。L’objectif de cette thèse est donc de proposer plusieurs expéri- mentations qui posent lespremières briques d’un travail d’évaluation de l’utilité, de l’utilisabilité, de l’intérêt我们选择将这项工作置于与决策相关的应用程序框架中，并采用简化的洪水场景。其目的是为特别针对两种工作环境，一种是具有屏幕、鼠标和键盘的经典环境，另一种是虚拟现实环境，以比较这些不同环境可能带来与传统的交互环境相比此外，这种背景经常被认为特别适合于现象模拟的背景。由于所研究的数字对象周围的高级导航功能，在大尺度上。最后，该上下文提出了更多的直接交互技术在这两种情况下，我们的实验工作都基于严肃的游戏方法，将设计、模拟、可视化和交互的基本功能结合在一起，作为我们洪水场景研究的一部分。 此选项允许使所有配置文件都可以进行实验，并避免必须只动员专家的陷阱，每个专家都精通特定的可视化现象或工具，如模拟。这种严肃的游戏方法还允许受试者专注于在观察模拟现象时做出的决定此外，作为对流体力学中交互式模拟的两种相互作用背景下的研究的补充，我们研究了11最适合交互式仿真所施加的严格约束的计算。交互式模拟方法确实改变了计算技术，特别是使其与交互性的要求兼容。除了为我们的实验工作选择这种方法可以更快地获得结果，但代价是结果因此，为了预测异步方法与交互式模拟相结合的未来使用，我们试图找出结果的片面性在多大程度上可能干扰交互式模拟环境中的活动，特别是论文组织结构本论文主要由三部分组成：第一章介绍了本论文的背景和一些与交互式模拟和严肃游戏有关的工作，特别是应用于流体力学领域的工作。本章还概述了从严肃游戏到虚拟现实等不同环境中使用的模拟、可视化和交互技术。第2章介绍了我们在开发将流体模拟计算工具与可视化工具耦合的log-ciel架构方面的技术贡献。和交互。本章特别解释了如何通过模拟工具Palabos和视频游戏开发工具Unity 3D成功地实现了这种耦合这种耦合对于我们的实验方法是必要的，遵循严肃游戏的方法，以评估交互式模拟方法的兴趣第3章介绍了我们基于大坝设计的实验所选择和设计的场景。通过交互式模拟，本实验旨在研究使用交互式仿真系统的优点和缺点第4章12沉浸式虚拟现实。使用虚拟现实头戴式设备来研究与传统环境相比，这种环境是否能够最后，第5章，这一次，着眼于计算方面，更具体地说，使用异步计算技术作为交互式流体模拟的系统优化。异步计算确实可以交互式、沉浸式模拟和严肃游戏：流体摘要本章介绍了本博士工作的背景，概述了交互式模拟、严肃游戏和虚拟现实的方法，介绍了一些关键概念以及表征这些方法的最新技术水平的元素。它提供了一个广泛的，但不详尽的概述选定的例子，1141.1交互式模拟1.1.1交互式模拟：定义从广义上讲，交互式模拟是一个术语，指的是以交互方式集成数字科学现象的建模、模拟、在本手稿中采用的更严格的定义中，该术语是指一种方法，包括允许用户控制正在进行的模拟的数字对象及其参数的所有技术，在最高级的情况下，包括在计算期间按交互式模拟已被证明可用于解决许多科学问题。L’exemple le plus illustratif est l’application在流体力学中，计算的复杂性和基础物理学长期以来一直是阻碍交互式模拟的传播和使用的因素，而这种类型的方法是支持研究的有力候选者。在大量的应用环境中进行决策、问题解决和优化。此外，这种类型的方法允许以更以用户为中心的方法来解决问题，图1.1：Fold'it游戏的界面[78]15在流体力学中，就像在所有其他领域一样，模拟中处理的数字对象的大小和复杂性随着计算和存储能力的爆炸式增长而增加，使得分析和可视化大量数据的过程变得越来越麻烦和乏味。传统上，数据的分析和可视化是在运行模拟之后进行的。然而，这种使用需要数据传输，这在时间、材料和人力资源方面越来越昂贵。然而，这一传统过程很难被更合理的方法所取代，特别是那些被称为原位方法的方法，这些方法有利于直接在存储和计算位置产生交互式仿真方法也符合对非常精细的计算机控制的需求，控制被定义为控制数字科学中数据生产管道的所有方面的能力。最后D’un point de vue applicatif, cette approche situant l’humain comme acteur et observateurdu phénomène simulé, est aussi présentée comme susceptible de faciliter la prise de décisionrapide 约翰尼斯·G·莱斯肯斯和其他人[74]开发了一种交互式模拟洪水的工具，目的是制定在气候变化背景下更快地减轻或适应洪水事件的1.1.2交互式仿真的应用医学领域的交互式模拟交互式模拟方法在医学研究和卫生服务管理领域的发展已经有了很好的记录[26]。这些众多的工作主要是为了帮助护理人员在日常工作或培训中解决复杂或关键的这类方法的发展与信息技术
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