基于OSG的实时烟雾模拟的研究与应用
基于OSG和Bullet的海上消防三维仿真系统
基于OSG和Bullet的海上消防三维仿真系统陈姚节;朱兴亮;叶峰;吴乔【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2017(034)003【摘要】针对海上消防实训困难,费用昂贵的问题,基于开源场景图形(OpenSceneGraph,OSG)渲染引擎和Bullet物理引擎开发了海上消防三维仿真系统.设计中使用事故船舶视口和消防船舶视口双视口的观察形式来增强仿真效果;运用OSG粒子系统模拟实现爆炸失火和消防水柱的粒子效果;通过实时计算火焰和水的粒子参数并根据碰撞力学运用Bullet检测水粒子和火源的碰撞,从而来实现对火势的控制.实验结果表明,OSG和Bullet的结合实现了实时控制粒子系统来模拟消防场景,并具有逼真的仿真效果.上述仿真系统使受训人员在近似实战的环境中训练,提高训练效率,实现训练数字化,降低训练成本,同时提升受训人员的灭火救援和指挥决策能力.%In view of the difficulty and high cost of the marine fire training,the three-dimensional simulation system of the marine fire protection based on OpenSceneGraph(OSG) rendering engine and Bullet physics engine is developed.During the design,the form of double viewport observation including accident ship viewport and fire ship viewport is used to promote the simulation effect;OSG particle system is applied to achieve the explosion of fire and fire-fighting water column particle effects;the particles parameters of flame and water are calculated in real time,and the Bullet is used to detect the collision between water particles and fire source according to the collision mechanics,thus the firecontrol is achieved.The experimental results show that the combination of OSG and Bullet can realize real-time control of particle system to simulate the fire scene,and has the realistic simulation results.The simulation system allows trainees' training in an environment which is similar to actual,which can improve training efficiency,realize the training of digital and reduce training cost,while enhance the trainees' abilities of fire rescue and command.【总页数】5页(P268-272)【作者】陈姚节;朱兴亮;叶峰;吴乔【作者单位】武汉科技大学计算机学院,湖北武汉430065;智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室,湖北武汉430065;武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉科技大学计算机学院,湖北武汉430065;智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室,湖北武汉430065;武汉科技大学计算机学院,湖北武汉430065;智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室,湖北武汉430065;武汉科技大学计算机学院,湖北武汉430065;智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室,湖北武汉430065【正文语种】中文【中图分类】TP391.9【相关文献】1.基于OSG和Bullet的船舶碰撞响应三维仿真 [J], 关克平;江靖楠;吴天裕;陈锦标2.一种基于OSG的双旋翼直升机仿真系统与程序实现 [J], 刘春;李翔;王巍3.基于OSG的漫游仿真系统的设计与实现 [J], 张海建;李红;孙丹4.基于OSG的隧道口仿真系统设计与实现 [J], 胡常英;张宇琴5.一种基于OSG的双旋翼直升机仿真系统与程序实现 [J], 刘春[1];李翔[2];王巍[1]因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于OSG的粒子效果仿真与优化
第18卷 第10期 中 国 水 运 Vol.18 No.10 2018年 10月 China Water Transport October 2018收稿日期：2018-06-08作者简介：龙鑫涛（1993-），男，湖北黄冈人，上海理工大学硕士研究生，研究方向为精密测量与智能控制。
基于OSG 的粒子效果仿真与优化龙鑫涛，党文君，黄振鑫（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）摘 要：主要研究了基于OSG 中粒子系统的火焰及气流的动态模拟。
首先介绍了粒子系统方法，然后根据粒子系统原有模型，对传统粒子系统的火焰模型进行了增加限制区域和设置区域形状等方面的改进。
之后讨论了改进后控制参数和函数的依据和相关设置方法，并研究了火焰或气流的形状、大小、发射区域等各个控制参数对于显示效果的影响，模拟结果能够生成不同情形下的火焰燃烧的现象。
最后给出了本文研究中一些已经实现的粒子效果在实际场景中的应用。
关键词：OSG；粒子系统；火焰模拟中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）10-0081-03一、引言火焰现象的模拟可以大大增强三维场景的真实性，在游戏，三维动画，广告等领域有着广泛的应用。
火焰像其他形状不规则的物体，如烟雾和云，是流体和不规则的，不能用精确的数学语言描述。
因此，如何高效率地用计算机模拟真实的火焰是该领域亟待解决的问题之一。
本文对传统OSG 粒子系统方法中的相关参数进行了一定的改进和增添，从而一定量的降低了其控制参数的随机性；进而使该领域使用者能对其进行较为精准的控制，使其应用更加灵活、方便。
我们对改进以后的粒子系统渲染出来的效果，以及相关参数的设置方法和用途，进行了简要的讨论分析。
二、粒子系统大多数粒子系统的模拟是基于Billboard 技术和颜色融合技术来生成粒子，OSG 中粒子系统的操作是在osgparticle 命名空间中产生的。
OSG 的粒子系统功能强大，并且使用起来较为方便。
一种基于三维烟雾的实时模拟研究
一种基于三维烟雾的实时模拟研究
邓定胜
【期刊名称】《电脑知识与技术》
【年(卷),期】2018(014)013
【摘要】随着当前电影行业及动画行业不断发展,对于烟雾模拟技术也有着越来越大的需求,因而研究烟雾实时模拟也就十分必要.在当前烟雾模拟中,在利用GPU的基础上可实现三维烟雾模拟,从而可使三维烟雾模拟真实感得以增强,达到更加理想的效果,使人们产生更好的视觉体验.本文主要就在GPU基础上实现三维烟雾模拟进行分析,以保证三维烟雾实时模拟能够得到更加理想的效果,增强其真实性.
【总页数】2页(P211-212)
【作者】邓定胜
【作者单位】四川民族学院理工学院,四川康定626001
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
【相关文献】
1.一种基于模糊特征的火灾烟雾实时识别算法 [J], 曹希锋;梅真硕;张曦;于春雨
2.一种基于可编程GPU的实时烟雾模拟算法研究 [J], 邓定胜
3.一种基于GPU的实时烟雾模拟体绘制算法研究 [J], 邓定胜
4.一种基于改进SSD的烟雾实时检测模型 [J], 刘丽娟;陈松楠
5.基于GPU编程的三维烟雾实时渲染 [J], 陈阁;何伟;李云飞
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一种基于GPU的实时烟雾模拟体绘制算法研究
一种基于GPU的实时烟雾模拟体绘制算法研究作者：邓定胜来源：《电脑知识与技术》2019年第32期摘要：文章以怎样才能在大规模场景中渲染出高效率和高真实感的烟雾效果为出发点，以GPU渲染管线流程为可编程基础，利用以纳维一斯托克斯流体动力学方程（Navier-Stokes equations：简称NS方程）为基础，用大规模场景中的烟雾形态表现为密度场，通过基于光照的计算和硬件加速的体绘制算法来实时模拟场景中的烟雾效果。
在实时渲染过程中，随机的加入风的扰动来使渲染效果更加真实。
实验表明，该方法能高效真实的渲染出烟雾模拟效果，具有较高的绘制效果和真实感。
关键词：GPU;体绘制;NS方程;实时烟雾模拟;物理模拟中图分类号：TP31 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2019）32-0245-03近年来，随着计算机硬件的发展，特别是图形硬件的蓬勃发展，使得在微型机上绘制图形的速度和质量有了显著的提升。
但是由于绘制场景越来越复杂，致使很多自然效果模拟出来不够真实和高效。
这里，大规模场景中烟雾模拟的真实渲染就是其中的热点研究之一。
灰蒙蒙的雾霾、浮动的云彩、奔腾的海浪、激情燃烧的火焰等流体现象的模拟在虚拟现实、歌舞剧场、电影特效、电子游戏等领域具有重要作用，能有效衬托环境气氛，而流体模拟的计算开销较大，难以保证实时效果;而且烟雾运动规律复杂，形状也随机发生变化，所以如何真实模拟烟雾效果很是一个值得挑战的课题，具有非常实现的意义。
1烟雾模拟算法要渲染出高真实感的烟雾效果，先前图形学研究者们已经提出了很多方法。
烟雾的模拟技术要考虑到场景中所有表面与烟雾颗粒相互的效果，相对于只考虑烟雾颗粒之间的相互作用要繁杂得多，计算量也大很多。
1.1烟雾模拟的方法与设计方案烟雾模拟的方法与设计方案主要包括三大部分：1）基于粒子系统的烟雾模拟：该模拟是流体类物体模拟的经典模拟方式之一，采用粒子系统绘制出烟雾颗粒，并且利用物理运动学的运动规律来控制粒子的运动，但是现在的绘制场景中都较为复杂和大规模化，这样生成的粒子数就很多，使得渲染频率急剧降低。
一种基于三维烟雾的实时模拟研究
一种基于三维烟雾的实时模拟研究作者：邓定胜来源：《电脑知识与技术》2018年第13期摘要：随着当前电影行业及动画行业不断发展，对于烟雾模拟技术也有着越来越大的需求，因而研究烟雾实时模拟也就十分必要。
在当前烟雾模拟中，在利用GPU的基础上可实现三维烟雾模拟，从而可使三维烟雾模拟真实感得以增强，达到更加理想的效果，使人们产生更好的视觉体验。
本文主要就在GPU基础上实现三维烟雾模拟进行分析，以保证三维烟雾实时模拟能够得到更加理想的效果，增强其真实性。
关键词：GPU；三维烟雾；实时模拟中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0211-02A Real-Time Simulation Study Based on Three Dimensional SmokeDENG Ding-sheng（School of Science and Technology，Sichuan University Nationalities， Kangding 626001，China）Abstract： with the continuous development of the film industry and animation industry， the smoke simulation technology is also becoming more and more demanding， so it is necessary to study the real-time simulation of smoke. In the current smoke simulation， 3D smoke simulation can be realized on the basis of GPU， which can enhance the realistic sense of 3D smoke simulation，achieve more ideal effect， and make people have better visual experience. This paper mainly analyzes the 3D smoke simulation on the basis of GPU， in order to ensure that the real time simulation of three-dimensional smoke can get more ideal effect and enhance its authenticity.Key words： GPU； three-dimensional smoke； real time simulation三维烟雾实时模拟技术属于十分重要的一种计算机技术，并且在很多领域内均有着十分广泛的应用，发挥着十分重要的作用，因而进一步提升三维烟雾实时模拟技术水平也就十分必要，同时也是必然需求。
基于OSG的三维实时场景模拟系统的研究
基于OSG的三维实时场景模拟系统的研究张桂花;延伟勤【摘要】以雷达目标信息的三维实时显示为背景，文章在OSG框架下研究了三维实时场景模拟的关键技术，包括三维场景的组织和管理、实时显示与更新、交互漫游以及三维地形的生成。
结合MFC实现了三维实时场景模拟系统，应用于雷达目标信息的三维显示领域，效果良好，在未来信息战争环境下有着重要的应用价值。
%In this paper, three-dimensional radar target information real-time display as the background, the key technologies of three-dimensional real-time scene simulation are researched under the OSG framework, including three-dimensional scenes＇ organization and management, real-time display and update, interactive roaming and generated three-dimensional terrain. Then, the three-dimensional real-time scene simulation systems is designed with~FC, and used in the area of three-dimensional display for radar information with well effect. In the future information warfare environment, this will play an important application role.【期刊名称】《大众科技》【年(卷),期】2011(000)010【总页数】4页(P80-82,103)【关键词】场景图形BVH树;实时场景;三维地形;雷达三坐标信息;OSG【作者】张桂花;延伟勤【作者单位】中国兵器装备集团成都火控技术中心,四川成都611731;中国兵器装备集团成都火控技术中心,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TP391.9虚拟场景是指通过模仿真实世界的景观，由计算机生成的仿真世界[1]。
虚拟飞行场景中事故特效的实时仿真
虚拟飞行场景中事故特效的实时仿真王新翔;赵罡;肖文磊【摘要】针对飞机的虚拟飞行仿真中,飞行事故仿真的真实感不强的问题,基于粒子系统,结合动力学模型,实时渲染了爆炸、火焰、烟雾等飞行事故常见特效.使用四边形粒子代替传统点粒子,结合纹理映射技术和融合技术,将真实感较强的纹理贴图与背景的帧缓存按照预设的融合因子进行深度融合,提高了特效的真实感和实时性.通过粒子系统碰撞检测的方法,模拟烟雾在飞机机舱内扩散,与舱壁发生碰撞的效果.搭建出模拟飞行的虚拟现实仿真系统,实现真实感和沉浸感都很强的飞机爆炸、起火和冒烟等事故场景实时仿真.【期刊名称】《图学学报》【年(卷),期】2016(037)002【总页数】6页(P243-248)【关键词】虚拟现实;事故特效;粒子系统;碰撞检测;实时仿真【作者】王新翔;赵罡;肖文磊【作者单位】北京航空航天大学大型飞机高级人才培训班,北京100083;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TP391在虚拟飞行仿真中，飞行事故的仿真是尤为重要的一部分，特别是在面向飞行员、机务和乘务人员的培训中，真实感强的事故场景仿真可以为培训带来更好的沉浸感，提高培训的效率和效果。
然而，在多数的飞行仿真中，飞行事故的真实感并不是很强，其重要的原因是事故场景中的爆炸、火焰、烟雾等特效的渲染效果不够真实[1-2]，缺少与环境真实交互的物理效果仿真[3]。
因此，爆炸、火焰、烟雾等特效的仿真对于提高虚拟飞行事故场景的真实感至关重要。
但这些特效具有不规则的外形和运动的随机性，很难通过欧几里得几何学对其进行精确建模，因此，模糊物体的可视化仿真也一直是虚拟现实仿真中的一个难点[4]。
目前，国内外对于模糊物体的仿真主要有2种方法：①基于粒子系统的方法，这种方法由美国的 Reeves[5]提出，1983年，Reeves[5]通过粒子系统来模拟火焰等模糊物体。
烟雾检测仪的研发与应用
烟雾检测仪的研发与应用一、引言烟雾检测仪是一种能够监测室内烟雾浓度的设备，广泛应用于居家、商业、工业等场合中。
它能够在烟雾浓度超过预设阈值时，产生声音警报并自动启动喷水装置或其他紧急应对措施，有效减少火灾的损失。
本文将依次介绍烟雾检测仪的研发历程、原理、技术特点及其应用领域。
二、研发历程20世纪60年代末期，烟雾检测仪开始在美国航空航天、电子、电气工程等领域中应用。
70年代开始，烟雾检测仪在欧洲国家和日本也开始广泛使用，如在欧洲的公共建筑、购物中心、写字楼等场所中。
中国大陆开始生产烟雾检测仪是在上世纪80年代末期，最早是通过引进国外技术，而现在的国内烟雾检测仪技术已经相对成熟，生产厂家对其技术性能和质量要求也越来越高。
三、原理烟雾检测仪是一种被动型安全装置，它通过光束或离子化原理来检测室内的烟雾浓度。
光束原理是烟雾生产后吸收光线从而造成光密度变化，从而触发警报。
离子化原理是将室内空气电离并产生离子，当室内烟雾浓度超过预设阈值时，烟雾粒子吸附离子从而导致电流变化进而触发警报。
两种原理各有优缺点，但都应用广泛。
四、技术特点1.高精度：烟雾检测仪能够快速准确地检测烟雾浓度，并能够精确地识别烟雾的特征信号。
2.高可靠性：烟雾检测仪有自诊断和自检测功能，在设备故障或者烟雾检测仪自身需要维护时，能及时报警提醒维护人员进行处理。
3.高稳定性：烟雾检测仪不易受外界温度、湿度等环境因素影响，并具有对温度变化和湿度变化的自适应性。
4.高灵敏度：烟雾检测仪可以精确地识别烟雾，即使在低温低湿度的环境下也能正常工作。
五、应用领域1.住宅：烟雾检测仪能够在家庭灾害中及时发出警报，对消防研究员进行预警并提供恰当的反应，使得火灾损失降到最低。
2.商业建筑：烟雾检测仪广泛应用于商业建筑物中，如购物中心、酒店、医院等场所。
一旦发生火灾，烟雾检测仪能够快速准确地发出警报，帮助人们及时逃离并减少火灾损失。
3.工厂和生产线：烟雾检测仪是工业生产过程中必不可少的装置，因为它能够在发生火灾时快速响应并采取措施，保护工人的生命安全。
OSG在消防模拟训练中的应用前景
Ｄ Ｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １０ － ９２ ２ １ ．．４ Ｏ ０ ３６ ／ ． ｓ ．０ １ ８ ７ ．０ １１０ ４ ｓ
Ｏ Ｇ在 消 防模 拟 训练 中的 应用 前景 Ｓ
沈剑荧
中国人 民武 装 警察 部 队学 院研 究生 二 队 ０ ５ ０ ６００
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在 当代 社会 ，随着 计算 机 与 网络 的
中 ，使受 训 人 员进 入虚 拟 的训 练 环境 ， 通过 对现场 信息 的接收 ，针 对不 同情 况 进行 判断 ，并通 过人机 交互 采取 相应 的
解 决 措 施 ， 从 而 达 到 训 练 的 目的 。
质等属性状态的分类排序 。 从 开 发 效 率 上 看 。 完 成 了 许 多 原 来 需 要 用 户 自 己完 成 的 琐碎 而 复 杂 的 工 作 ，
Ｖ Ｒ 技 术 应 用 于 消 防 模 拟 训 练 培 训
架 ， 它 主 要 使 用 了 两 种 关 键 技 术 。 一 是 对 不 可 见 物 体 的 剔 除 ；二 是 对 纹 理 、 材
５ 结束语
当 前 消 防 部 队 所 承 担 的 任 务 越 来 越 重 ， 相 对 的 平 时 的 训 练 时 间也 就 减 少 了 ， 如何在短时 间取得高效率 ， 消防部队模 是 拟 训练 的 一 个 重 要 课 题 ，虚拟 现 实 技 术 在 消 防 部 队 的 应 用 ， 改 进 了 我 们 的 训 练 方 法 ， 高 了训练 的效 率 。Ｏ Ｇ的 作 为 一 款 提 Ｓ 开 源 免 费 的 高 级 图 形 渲 染 引 擎 ，为 我 们 做 消防模拟 训练的相关软件系统提供 了一个 强 大 的 工 具 ， 在 虚 拟 现 实 技 术 中 展现 的 其 优 势 ， 会 成 为 消 防 部 队 模 ￣，ｑ 开 发 中 将 ｌＪ练 Ｊ ： Ｊ 的 佼 佼者 。
基于QT与OSG的战场环境雾效模拟
｛
Ｌ Ｉ ＮＥ ＡＲ ＝ Ｇ ＬＬ Ｉ Ｎ Ｅ ＡＲ ， ∥ 线 性 雾
Ｅ Ｘ Ｐ ＝ ＧＬ Ｅ Ｘ Ｐ ， ∥ 全 局 雾
Ｅ Ｘ Ｐ ２ ＝ Ｇ ＬＥ Ｘ Ｐ ２／ ／ 力 口 强 全 局 雾
）
全局雾 （ ｇ ｌ ｏ ｂ ａ ｌ ｆ ｏ ｇ ）图像 效果 可 以创 建基 于相机 的渐 变 雾 ，所有 的计算 均在世界 空间 内完 成 ，从 而有可 能创建 出基 于高度雾模式 的效果 。但是它不 能控制局部地 区的雾化效果 。 其 中，第一种 全局雾 Ｅ Ｘ Ｐ是雾效 的最简单 的一种 模式 ．可以
同 １ 所示
｛
Ｆ ＯＧ ＣＯＯＲＤＩ ＮＡＴ Ｅ ＝ ＧＬ Ｆ ＯＧ
— — — —
Ｃ ＯＯＲ Ｄ Ｉ Ｎ Ａ Ｔ Ｅ ， ∥ 雾坐标
Ｆ Ｒ ＡＧＭ ＥＮ Ｔ Ｄ Ｅ Ｐ Ｔ Ｈ：Ｇ ＬＦ Ｒ Ａ ＧＭＥ Ｎ Ｔ ＿ ＤＥ Ｐ Ｔ Ｈ／ ／ 眼坐 标
｝
雾的坐标 源在使州 同定管道 的顶点 处理 时 ，雾效 的值可 以是 眼坐标 系 中的 Ｙ坐标 值 ，也 町以是 经过 差值 的雾 坐标 ，
模拟 。在 分析 Ｏ Ｓ Ｇ下雾效实现方 法的基础上 ，给 出了一个嵌入 Ｑ Ｔ的仿真模拟示例。
关 键 词 ：虚 拟现 实 ； 战场 环 境 ； 雾效 ；Ｑ Ｔ软 件 ；Ｏ Ｓ Ｇ 图形 库
１ 引 言
Ｏ Ｓ Ｇ是一 个开放 源代码 、跨 平 台的场景 图形开 发库 ，它 基于场景 图的概念 ，提供一个在 Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ之 上的面向对象的框 架 ，能为 战场环境 的开发提供 方便 的场景管 理和渲 染优 化功 能ｌ ３ Ｉ 。基于 Ｏ Ｓ Ｇ图形库 ，搭 配跨 平 台开发 软件 Ｑ Ｔ实 现了视景 中的雾效模拟 ，有效解决 了虚拟战场环境对雾气效 果的需求 。
欧拉模型中多烟雾自由融合实时仿真算法
第28卷第5期计算机辅助设计与图形学学报Vol. 28 No.5 2016年5月Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics May 2016欧拉模型中多烟雾自由融合实时仿真算法唐勇1,2), 毛菊珍1,2), 赵静1,2)*, 吕梦雅1,2), 张利卫1,2), 唐川宁1,2)1) (燕山大学信息科学与工程学院秦皇岛 066004)2) (河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室秦皇岛 066004)(zhaojing@)摘要: 为了弥补传统烟雾模拟在一个力场作用下运动态势的单调性, 提出一种基于欧拉模型的多烟雾自由融合实时仿真算法. 首先根据场景和烟源位置等初始条件提出域划分算法, 从结构上解决烟雾自由融合问题; 然后以动量守恒与能量守恒定律为依据, 采用局部控制与整体调整相结合的方式解决多烟雾融合时边界的不连续问题; 并针对多烟雾的密度颜色绘制问题, 提出了多种颜色融合策略来表现烟雾的绘制细节; 最后利用GPU并行计算方法和D3D 技术提高仿真效率, 获得多个烟雾自由融合过程的实时绘制效果. 实验结果表明, 该模型能够快速逼真地表现出烟雾自由融合的过程.关键词：欧拉模型; 烟雾自由融合; 域划分算法; 局部控制; GPU中图法分类号：TP391.41Research on Real-Time Simulation Algorithm for Multi-smoke Freely Fusion with Eulerian ModelTang Yong1,2), Mao Juzhen1,2), Zhao Jing1,2)*, Lu Mengya1,2), Zhang Liwei1,2), and Tang Chuanning1,2)1) (The College of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004)2) (The Key Laboratory for Computer Virtual Technology and System Integration of Hebei Province, Qinhuangdao 066004)Abstract: To address the limitation of using single force field in the traditional smoke simulation method, we propose a real-time simulation algorithm for the multi-smoke freely fusion process with an Eulerian model. First, we present a domain decomposition algorithm on the initial setting of the scene and the smoke source position which solves the problem in the structural layer. Second, based on the law of conservation of momentum and en-ergy, we combine the method of the local control with the integral adjustment to solve the discontinuous boundary problems. Third, we utilize a multi-color tactic to exhibit the smoke details on the density rendering issues. Fi-nally, we improve the simulation efficiency with the GPU parallel computing and D3D techniques to get a real-time rendering effect. The experiments demonstrate the proposed model simulates the smoke freely fusion result in an efficient and vivid way.Key words: Eulerian model; smoke freely fusion; domain decomposition algorithm; local control; GPU收稿日期: 2015-05-25; 修回日期: 2015-10-15. 基金项目: 河北省自然科学基金(F2012203084); 国家自然科学基金(60970073). 唐勇(1964—), 男, 博士, 教授, 博士生导师, CCF高级会员, 主要研究方向为虚拟现实技术及其应用; 毛菊珍(1991—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为虚拟现实技术及其应用; 赵静(1981—), 女, 博士研究生, 助理研究员, 论文通讯作者, 主要研究方向为虚拟现实技术及其应用; 吕梦雅(1965—), 女, 博士, 教授, 主要研究方向为计算机图形学, 多媒体技术; 张利卫(1990—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为虚拟现实技术及其应用; 唐川宁(1994—), 女, 在校学生.778 计算机辅助设计与图形学学报第28卷对烟雾、水面、海洋等自然现象进行模拟是计算机图形学研究中具有挑战性的课题. 随着计算机硬件性能的不断提升, 流体仿真技术广泛地应用于影视、游戏动画、虚拟战场以及空气中有害气体运动态势的监测等众多领域. 多烟雾融合现象在日常生活中非常常见, 例如, 工厂中相邻烟囱冒出不同质量、不同密度的烟雾融合, 汽车尾烟的融合, 日景烟花等, 每个例子中烟雾相遇融合的界面都是平滑过渡的. 尽管当前流体动力学中模拟烟雾的方法很多, 但是要捕捉复杂环境下栩栩如生的多烟雾融合运动形态依旧非常困难.在一个空间网格中进行多种烟雾融合运动仿真时, 同一时间步中只能受一个力场, 相应地也只能产生一个速度场, 其融合运动态势单一无趣; 多烟雾融合时边界的不连续性、不同密度融合平流等问题有待解决; 同时，模拟过程中需对每个空间点的数据变化进行实时记录, 数据庞大且复杂, 每帧运动都需要大量的计算来更新信息, 严重影响实时性, 而通过降低网格精度提高实时性, 真实性又难以满足仿真的现实需求, 二者难以权衡.针对上述问题, 本文提出一种基于欧拉法的实时有效的多烟雾自由融合模型, 能够实现在同一场景中多种不同属性的烟雾融合. 首先提出域划分算法, 并为每个划分子域提供不同的速度场, 解决多烟雾融合运动单一的难题; 其次利用高斯函数平滑过渡融合边界, 避免出现不符合自然规律的边界跳跃现象; 再根据动量守恒与能量守恒定律实现不同的速度场的融合策略, 累加不同比例密度使其跟随速度场平流, 模拟出生动有趣的融合烟雾的运动态势, 提高了模拟的真实性; 最后利用改进的流体力学的经典模型N-S方程对其进行优化求解, 保证了模拟的实时性.1 相关工作从Stam[1]与Fedkiw[2]等开始, 人们为提升烟雾模拟的真实感与实时性做了大量研究, 不断促进计算机图形学的发展. 2010年, Lentine等[3]通过在粗网格上计算压力项, 有效地降低求解泊松方程所用时间, 提高了现有的流体模拟的性能; 然后投影到精细网格渲染, 模拟出流体逼真效果. 2013年, Zhu等[4]实现用动态自适应网格突出表现烟雾局部有趣的细节[4]. 2014年, Setaluri等[5]提出一种新的稀疏均匀网格结构, 通过优化数据存储方式来加快烟雾模拟的速度. 在国内, 许多计算机图形学领域的研究者在烟雾仿真领域也取得了非常丰硕的成果[6-9]. 然而上述工作只是注重单股烟雾的模拟, 并未对多种烟雾融合进行研究探索.随着流体模拟技术的迅猛发展及其带来的优势条件, 多流体交互融合模拟得到了人们的广泛关注. 2003年, Premoze等[10]提出一种基于粒子的方法模拟出多种不可融合的流体交互; 2006年, Losasso等[11]在欧拉网格上通过扩展粒子水平集方法对多种不可融合流体进行仿真: 但是, 他们的工作均未涉及多种可融合流体的模拟, 只对常数密度的流体进行处理, 没有不同流体之间密度融合的变化与计算. 2006年, Zhu等[12]提出了双流体格子玻尔兹曼方法来模拟2种流体之间的融合相互作用, 然而该方法在处理双流体自由表面时无法保持稳定, 且不能处理散度自由的流体. 2008年, Park等[13]提出一种基于格子玻尔兹曼的方法模拟更加复杂的流体融合, 但这个方法存在体积损失、存储需求大和数值求解困难等缺陷. 2010年, Kim[14]使用区域水平集方法模拟多种流体融合, 获得流体光滑界面, 但容易损失细节表现; 同年, Kang等[15]结合体积分数和水平集函数的方法使得融合流体之间能够平滑过渡, 用N-S方程描述散度自由流体. 2014年, Ren等[16]提出一种基于光滑粒子流体动力学模拟方法的混合模型处理多个流体的交互融合, 获得了非常逼真的模拟效果，但针对大量粒子模拟将会降低实时性, 每个时间步最小平均时间为0.247 s.当前对流体融合模拟的研究多集中于液体之间, 鲜有对多股烟雾间融合运动的模拟. 综合液体融合模拟的各种方法, 充分考虑烟雾融合与液体融合的共性与区别, 本文建立了一种基于欧拉法的实时有效的烟雾融合模型, 提出域分解算法描述多种烟雾在同一网格中的速度瞬时变化; 针对多烟雾融合边界不连续的问题, 采用局部控制方法实现平滑过渡, 并依据烟雾本身的固有属性对全局密度进行调整; 根据不同浓度烟雾在网格中占据的不同比例处理整个模拟空间中的浓度平流; 控制烟雾运动影响因子, 灵活地表现多种烟雾融合时的真实有趣细节.2 构建烟雾融合模型烟雾融合运动是本文研究的重点, 实时性第5期唐 勇, 等: 欧拉模型中多烟雾自由融合实时仿真算法 779与真实感是最高目标, 核心任务是建立合理有效的烟雾融合模型.2.1 多烟雾自由融合仿真流程整个仿真过程基于欧拉网格的方法, 分为数据处理, 仿真过程以及渲染几个步骤. 数据处理阶段基于烟雾包围盒以及烟雾仿真效果设置多烟雾分区域划分策略, 并设置烟源的位置、初始速度等基础数据; 在仿真阶段包括对流项、压力投影项、外力项等基本的烟雾仿真流程的计算, 并对烟雾进行边界处理, 采用狄利克雷边界模型; 最终利用GPU 并行加速技术完成实施渲染绘制. 整个流程如图1所示.图1 仿真过程示意图2.2 域划分算法的数学描述域划分算法是实现多烟雾融合的核心算法. 将整个模拟空间看作一个长方体, 并离散为若干小的立方体网格(欧拉网格); 在所有网格结点处对N-S 方程组进行求解, 采用线性插值算法得到结点间物理量的值, 获得真实自然的烟雾融合现象. 2.2.1 区域划分原则1) 本文提出的区域划分策略与烟源的位置、包围盒区域形状大小相关;2) 区域划分方式与烟源个数, 即速度场个数没有直接关系, 可放置任意多个烟源, 烟源的数量与仿真速度相关;3) 根据包围盒形状及烟源位置预先为每个烟雾设置烟源的独立区域以及烟雾的融合区域;4) 整个区域划分方式是在笛卡儿网格上进行了再一次划分, 可在预处理阶段完成, 不占用仿真时间, 易于执行且无硬件要求, 时间耗损低, 有较好的扩展性.求解域被离散为欧氏空间, 网格分辨率为M N O ⨯⨯. 基于动量和能量守恒定律, 多种烟雾融合前后的速度11n ni i i i i i m m =='=∑∑u u ,22111122nni i i i i i m m =='=∑∑u u ;其中, i u 是融合前的各个烟雾源的速度场, i 'u 是融合后的速度场, i m 是每股烟的质量.烟雾区域划分方式如图2a 所示, 箭头线代表每个区域的速度矢量.图2 4股烟雾融合速度分布图图2中共设置了4个烟源, 将全局网格划分为5个子求解域, 上方为融合区域, 下方设置4个独立子域. 为完成4种烟成一定角度相遇交互, 在全局求解域中满足动量与能量守恒定律的前提下, 分析烟雾受融合力产生的速度为4m 1i i i =a =∑u u .其中, m u 为分力场作用后的速度; i a 是相邻域对速度的影响因子, 01i a <<. 2.2.2 速度局部调整自定义划分区域边界处的烟雾相遇瞬间会产生速度停滞现象, 渲染效果上表现出明显不连续性, 本文通过局部控制来消除这种现象. 如图2b 所示, 对于2股相互融合的烟雾, 设置一个以r 为半径的区域L , 在这个区域中施加控制力, 即加入新的速度add u . 为保证局部区域边界处内部的变化与外部区域的连续性, 并且不改变烟雾融合的整体运动趋势, 加入关于影响范围的半径r 的高斯函数()g r 进行平滑过渡,22()/()e r b c g r a --=. 其中, r 为局部区域L 的半径;,,a b c 为实数常数, 且0a >.L 区域添加的速度与原来的速度叠加得到新的速度, 投影到全局网格中, 得到新速度场.now old add (())()r g r g r =-+u u u .2.2.3 全局速度平衡多流体流动过程中速度场分布不均匀, 即多烟雾融合时, 不同的区域会以不同的速度流动,780计算机辅助设计与图形学学报 第28卷此差异运动会导致相对浓度迁移. 为提升烟雾融合的真实性, 本文在全局范围中进行速度的平滑过渡. 烟雾总是从高密度区流向低密度区, 因此在该模型中定义驱动力所产生的理想速度方向与烟雾的密度梯度相反, 大小与网格点当前的速度大小相同, 烟雾可以在融合过程中按照一定的速度和规则进行浓度的补充扩散.图3所示为内部驱动力改变速度的过程. 其中, m i u 为当前网格点x 处的速度,want u 为大小与m i u 相同、方向与密度梯度方向相反的理想速度,d u 为驱动力产生的速度,new i u 为加入驱动力后的新速度. 即()want m d want m new m di i i i ρρλ∇⎧=-⎪∇⎪⎨=-⎪⎪=+⎩u u u u u uu u ; 驱动力系数(0,1)λ∈用于控制烟雾在全局网格中从高密度区向低密度区的运动速度, 值越大, 速度方向改变越大; 1λ=时, 当前速度是理想速度, 方向刚好与密度梯度的方向相反;0λ=时, 则驱动力不起任何作用, 当前速度没有变化.图3 驱动力改变速度方向由上述分析看出, 域划分算法可实现整个求解域上多个力场相互作用, 为烟雾融合提供了最基本的融合力merg f , 能够很好地表现多种烟雾的自由随机运动.2.3 建立烟雾融合控制方程组为模拟空气中的烟雾融合, 本文对流体力学的经典模型基本N-S 方程进行改进; 同时, 采用易于在可编程GPU 上求解的欧拉法流体模拟方法计算. 由于烟雾粘性很小, 粘性项可以忽略, 因而简化的N-S 方程即欧拉方程表示为1()t ρ∂=-⋅∇-+∂u u u u ,0∇⋅=u . 其中, u 为速度矢量, (,,)x y z u u u =u ; ρ为密度;p 为压力; f 为合外力; ⋅为矢量点积; ∇⋅为散度算子; ∇为微分算子, 也是梯度算子.为了形象生动地绘制烟雾融合的动态效果, 加入随速度场流动的浓度场平流方程2()S tρργρ∂=-⋅∇-∇+∂u ; 其中, γ表示浓度扩散系数, S 表示浓度源.外力f 的影响使烟雾运动更加有趣, 描述为热浮力buoy f 、漩涡力conf f 以及融合力merg f 合成, 即buoy conf merg =++f f f f . 烟雾的上升速度受到温度的影响, 温度越高, 气体上升越快; 另外, 烟雾微粒受到重力的影响会向下运动. 热浮力buoy amb ()T T αρβ=-+-f z z ;其中, ,αβ为非负系数,amb T 是当前环境温度, 方向为(0,1,0)=z .为提高烟雾融合模拟的真实性, 增加烟雾融合的细节, 引入文献[2]提出的漩涡力进行补偿,conf h h N ε⎛⎫=⋅⨯ ⎪ ⎪⎝⎭f u ωωω.其中,h ε是无量纲漩涡系数;h 是网格大小, 限制网格精细程度;⋅u ω是螺旋性强度. 同时, 考虑螺旋性强度、网格大小及漩涡系数的共同作用, 避免了文献[2]单纯依赖网格大小带来的细节缺陷, 获得的小尺度漩涡, 更好地展现不同属性烟雾融合时的漩涡细节, 保证烟雾运动更加真实自然.完成流体动力学基本N-S 方程的以上改进, 为科学准确描述烟雾融合过程建立了数学基础.2.4 求解烟雾融合控制方程 2.4.1 数值求解过程采用有限差分法分步求解烟雾融合控制方程. 速度场从0U 逐步更新为123,,U U U , 过程如下:Step1. 求解合外力采用一阶导数前向差分格式, 更新速度为10t-=∆U U f . Step2. 求解对流项. 引入MacCormack 方法求解对流项[17], 可在提高模拟速度的同时保留烟雾细节真实感. 首先利用前向对流算子A 计算得到中间量1ˆn +=φ ˆ()n A φ, 其中n φ表示对流前的速度; 然后用逆向对流算子R A 获得另一个中间量1ˆˆ()n R n A +=φφ, 即可获得最后用来调整对流初始条件的评估对流步误差, ˆ()/2n n =-e φφ. 如果前向对流算子A 是线性的, 则默认为能够及时对方程和前向误差进行求解, 可得1()()n n n A A +=-=-e φφφ()A e , 化简为1n +=φ1ˆ()n n A +-=-e e φφ. 最终求得对流后的速度场12n +=U φ.第5期唐 勇, 等: 欧拉模型中多烟雾自由融合实时仿真算法 781Step3. 求解压力项. 采用一阶导数中心差分格式和二阶导数中心差分格式分别展开泊松方程的左边和右边(沿X 轴方向)2(1,,)2(1,,),1,,,1,,,,,222i j k i j k x i j k x i j k x i j kp p p x x +-+----=∆∆U U ;再用雅可比迭代法求解此方程, 得到压力值, 利用压力场修正速度场得32t p =-∆⨯∇U U .2.4.2 GPU 优化方法结合D3D 中的计算着色器, 实现GPU 并行计算. 在整个运算过程中数据在GPU 内存和CPU 内存之间进行传递, 同时对每个网格点的数据读取与写入, 数据量越大效率会越低. GPU 通过创建多个线程并行计算, 由于采用基于物理的方法模拟烟雾融合, 计算域被离散为M N O ⨯⨯的规则立方体网格, 在对N-S 方程的每个计算步骤进行求解 时, 创建888M N O⨯⨯个线程组, 每个线程组设置888⨯⨯个线程, 相当于每个网格对应一个线程, 多线程并行执行, 加快N-S 方程的求解速度.3 光线投射法渲染烟雾采用体绘制技术中传统的Ray-casting(光线投射)算法进行烟雾渲染. 多种烟雾渲染不同颜色以及透明度的计算式为0(1)i i i C C α=-其中, i C 为经过渲染的烟雾颜色; 0i C 为烟雾初始颜色值; i α为透明度, 密度值传入着色器并计算, 浓度的取值影响着色透明度, 即1i i iA αρ∝, i A 是光线吸收因子, i 代表不同种类的烟. 浓度场平流带动烟雾颜色属性变化, 由此实现多烟雾融合效果. 将浓度的取值限制在01 , 浓度值为0表示没有烟雾, 绘制时不做任何处理; 浓度值为1表示烟雾最浓, 绘制时颜色渲染得最深.将n 种烟雾的颜色累加, 得到0ni i C C ='=∑.多种烟雾颜色累加后, 会造成颜色属性中红绿蓝分量的值大于1, 融合后的颜色有白色边界, 为避免这一现象, 用()()..ax .,.,.ax .,.,,,m .m C r C g C r C g C b C r C g C b C ''''''''⎛= ⎝().ax .,m .,.C bC r C g C b ''''⎫⎪⎪⎭进行限制. 采用以上颜色混合累加策略, 实现n 种不同种类烟雾运动的不同融合状态.4 实验结果与分析在Windows 平台下, 结合Unity3d 建立了实时有效的多烟雾融合模型, 并进行实验与对比, 充分验证多烟雾融合的真实感与实时性. 硬件环境: Intel(R) Core(TM) i7-5820K CPU @3.30 GHz, 16 GB, 显卡为GeForce GTX 970 (4 GB/ NVIDIA). 实验中模拟了多种烟雾融合的效果, 验证本文方法的真实性和有效性.图4所示为2股烟雾受互成45︒、不同大小融合力的烟雾碰撞融合效果, 若施加相同大小的融合力, 则碰撞融合过程中将形成2个相同大小, 互为反向的漩涡. 区域划分方式如图4a 所示, 共3个子域, 上方为融合区域, 下方为独立子域. 图4b 中红色与绿色2股烟雾的密度和速度分别为red green 8ρρ==,red 3=u ,green 6=u .图5所示为3股烟雾在球体中融合的过程, 刻画了无粘性烟雾的飘散效果. 随着时间的推进, 烟雾受融合力影响在球体中产生涡流效果, 而且融合边界平滑自然, 同时融合烟雾的颜色累加效果也得到充分体现. 区域划分如图5a 所示, 共划分为4个子域, 3股烟雾沿切线方向运动, 相邻2股烟雾互相影响, 中间黄色区域为3股烟雾的共同融合区域. 图5b 中3股烟雾的密度均为4, 速度均为2.图6所示为舞台上沿舞台圆周直径上并排放置7个烟源, 整个舞台以一定的角速度顺时针旋转, 烟雾随舞台旋转螺旋上升, 模拟多个烟源在外力作用下形成的多彩烟雾融合效果. 区域划分方式如图6a 所示, 7种颜色烟雾在xy 平面上根据烟源位置划分为7个同心圆子域, 相邻子域互相作用, 并在y 方向上受力融合, 模拟得到的烟雾融合运动态势在视觉上十分逼真, 图6b 中4幅图分别为不同时间的仿真效果, 实验中烟雾的浓度1ρ=, 速度1=u .图7a 所示为4股烟雾在初始状态下分别在各自封闭的子域中运动, 上方用一块挡板隔离, 烟雾无法相互融合. 设置初始烟雾密度3ρ=, 速度2=u , 当仿真进行一段时间4股烟雾充满格子的区域后, 撤掉上方的挡板, 体现烟雾融合的效果, 如图7b 所示. 实验对应的域划分方式如图2所示, 下方划分为4个独立子域, 挡板上方为融合区域.782 计算机辅助设计与图形学学报第28卷a. 区域划分方式b. 融合效果图4 2股烟雾碰撞融合a. 区域划分方式b. 融合效果图5 3股烟雾在球体中融合a. 区域划分方式b. 融合效果图6 旋转舞台带动多彩烟雾融合为刻画烟雾融合的多变性与真实性, 在烟雾融合的过程中加入障碍物, 如图8所示, 图8a展示3种烟雾从密闭空间底部上升并与障碍物交互融合漫延消散过程, 图8b模拟2种烟雾从不同的出口产生并绕过障碍物快速向下运动融合过程. 从实验结果颜色的变化上也可以看出, 本文不同颜色混合策略的正确性及其在烟雾融合模拟中的价值.图9模拟了烟囱在无风和有风情况下的2股轻柔烟雾融合效果, 刻画了虚拟场景中农舍袅袅炊烟的情景. 图9a所示为农舍全景图, 黑色烟雾与白色烟雾互相融合, 风速为0.8; 图9b所示为粉色a. 挡板隔离b. 撤掉挡板图7 4股烟雾融合第5期唐勇, 等: 欧拉模型中多烟雾自由融合实时仿真算法 783a. 烟雾上升b. 烟雾下降图8 与障碍物交互的烟雾融合与白色烟雾融合近景图, 风速为‒0.5; 图9c所示为无风时的烟雾融合效果.为检测多烟雾融合模型的可行性与有效性, 多烟雾融合可视化绘制的帧率如表1所示. 表中展示的是在仿真的过程中, 每个实例中划分的区域个数, 每个实验对应2种欧拉网格分辨率, 在不同分辨率下仿真流程中的数据处理、对流项、压力项、外力项以及渲染绘制在GPU运算过程中分别占用时间的百分比, 以及整体仿真的帧率. 可以看出, 绘制与计算压力投影项占用时间最多, 这是因为在计算压力项时需要计算雅克比迭代, 迭代次数对仿真速度有一定的影响; 绘制时间消耗则和场景中的设置有关, 如实验8中因为有障碍物会占用一定的绘制时间. 同时, 网格分辨率越大, 烟源个数越多所用的仿真时间越多, 帧率越低. 上述实验结果表明仿真效率达到了实时性的要求, 同时真实性也满足实际需求.a. 风速=0.8b. 风速=-0.5c. 风速=0图9 虚拟场景下的烟雾融合表1 不同精度网格上多种烟雾融合的帧率实验图区域网格分辨率预计算/% 平流项/% 压力项/% 外力项/% 渲染绘制/% 帧率/(帧/s) 64⨯128⨯64 1.95 13.99 18.78 8.33 56.95 59.924 3128⨯256⨯128 3.73 27.74 36.29 16.39 15.85 35.18128⨯128⨯64 2.62 11.39 48.37 7.75 29.87 54.625 4256⨯256⨯128 3.64 15.37 61.75 9.57 9.67 37.0264⨯128⨯64 2.43 5.63 6.78 2.21 82.95 30.416 7128⨯256⨯128 5.93 17.29 19.43 6.32 51.03 19.3764⨯128⨯64 1.57 4.22 7.74 2.79 83.68 56.537 5128⨯256⨯128 5.32 13.15 25.18 8.60 47.75 41.1664⨯128⨯64 1.76 6.29 11.47 4.88 75.6 57.21 8a 1128⨯256⨯128 4.67 19.63 35.21 11.41 29.08 41.2264⨯128⨯64 1.19 5.02 14.51 5.00 74.28 60.319 1128⨯256⨯128 3.13 16.04 37.31 15.21 28.31 36.745结语针对烟雾可视化过程中烟雾模拟多为单一力场的问题, 本文提出一种基于欧拉法的多烟雾自由融合的实时仿真方法. 在传统的烟雾流体力学模型基础上提出一套多烟雾区域划分策略, 并采用局部控制与整体调节相结合的方法平滑处理了多烟雾融合边界的问题, 快速稳定地刻画多烟雾在交互过程中的运动态势, 提高了仿真的真实性. 同时利用光线投影算法提出了颜色融合方法表现多烟雾自由融合的绘制方式. 利用GPU并行策略和D3D技术提高模拟效率满足实时仿真的需求.784 计算机辅助设计与图形学学报第28卷实验结果表明, 本文方法能够实现多种烟雾在复杂仿真环境下, 不同属性的烟雾受力融合的逼真效果.在整个的区域划分和烟雾融合的仿真过程中, 本文提出的区域划分方式只适用于拥有固定区域的烟源, 虽然图6中移动的舞台导致烟源位置发生改变, 但是由于本文针对这个场景设置的烟源区域划分方式仍然适用, 因此对仿真并未产生影响; 而当烟源移动导致烟雾的区域发生变化时, 考虑到仿真效率的问题, 没有采用移动区域来跟踪烟源的策略. 因此, 如何在保证实时仿真的同时追踪烟源移动区域, 将是我们未来工作的重点.参考文献(References):[1] Stam J. 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基于OSG图形系统的车站消防系统场景仿真
基于OSG图形系统的车站消防系统场景仿真陆扬;钱雪军【摘要】介绍了基于OSG(OpenSceneGraph)虚拟现实技术的地铁车站火灾报警系统的火灾场景仿真.主控机在处理外部输入火灾信息的同时,通过串口将主控机处理后的数据传入到一台下位机,再利用OSG技术将现场的三维火灾场景虚拟现实化,并根据上位机传输的数据进行场景的动态控制.该系统可预演各种灾情,从而提高车站工作人员对火灾的预防和处理能力.%The fire-scenario simulation of metro station fire - fighting alarm system of the virtual reality technology based on OSG is introduced. When the master computer is dealing with the external input fire information, the data will be passed to a slave computer through the serial port at the same time. In this slave computer, through the use of OSG technology, the three - dimensional field fire scenarios would be turned into the virtual reality and the dynamic controls of the scenes would be taken according to the data transmitted by the master computer. This system can preview a variety of disasters so as to improve the fire prevention and treatment ability of the station staff.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2012(015)001【总页数】4页(P62-65)【关键词】地铁车站;火灾报警系统;OpenSceneGraph;三维仿真【作者】陆扬;钱雪军【作者单位】同济大学电子与信息工程学院,200092,上海;同济大学电子与信息工程学院,200092,上海【正文语种】中文【中图分类】U231+.961 车站火灾报警系统简介火灾报警系统（Fire Alarm System，简为FAS）的主要功能是自动捕捉监测区域内火灾发生时的烟雾或热气，发出声光报警，通知输出接点，控制自动灭火系统、事故照明、事故广播、消防给水和排烟系统等实施救灾，以实现监测、报警和灭火的自动化。
基于粒子系统烟雾的模拟
基于粒子系统烟雾的模拟
李松维;周晓光;王润杰;熊壮
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2007(24)9
【摘要】传统基于粒子系统烟雾的模拟无法模拟烟雾的扩散行为,而且需要大量粒子,因此满足不了虚拟战场逼真度和实时性的需要.提出一种基于粒子系统理论和离散浓度场相结合来模拟烟雾的算法.在粒子的属性中加人浓度属性,利用三维扩散方程的有限差分建立浓度场,浓度场的变化由浓度场内空间粒子的位置和扩散方程决定,通过浓度场的变化使粒子分裂来模拟烟雾的扩散,通过粒子的运动反映风场的作用.与传统的粒子系统相比,增加了对烟雾扩散的描述,大大降低粒子的数量,该算法保证了生成烟雾的逼真效果,满足了虚拟战场实时性需要.
【总页数】4页(P199-201,231)
【作者】李松维;周晓光;王润杰;熊壮
【作者单位】空军航空大学军事仿真技术研究所,吉林,长春,130022;空军航空大学军事仿真技术研究所,吉林,长春,130022;空军航空大学军事仿真技术研究所,吉林,长春,130022;空军航空大学军事仿真技术研究所,吉林,长春,130022
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.1
【相关文献】
1.基于粒子系统的烟雾和爆炸模拟 [J], 范乃梅;马军霞
2.基于粒子系统的虚拟战场烟雾特效仿真 [J], 周迎春;房凌晖;郑翔玉;陈晓磊
3.基于粒子系统的爆炸烟雾模拟 [J], 陈建刚;徐守祥;黄国伟
4.基于粒子系统的烟雾模拟 [J], 郝学娟
5.基于粒子系统的煤层自燃烟雾模拟研究 [J], 巩志敏;翟波;李光亮;李刚
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基于计算机视觉的烟雾报警技术研究的主要内容
基于计算机视觉的烟雾报警技术研究的主要内容
本研究基于计算机视觉技术，旨在研究开发一种可靠的烟雾报警系统。
主要内容包括以下几个方面：
1. 烟雾检测算法的研究：本研究将探索多种烟雾检测算法，如基于颜色、纹理、形状等的算法，并对比分析其优缺点，选取最适用的算法。
2. 视频图像预处理：为了提高烟雾检测的准确性，本研究将对视频图像进行预处理，提取出有用的特征信息，并去除干扰因素，如光线、噪声等。
3. 模型训练与优化：本研究将采用深度学习方法，建立烟雾识别模型，并通过对大量数据的训练与优化，提高模型的准确率和稳定性。
4. 报警机制与应用：基于所建立的烟雾识别模型，本研究将设计报警机制，并将其应用于实际场景中，如公共场所、工业生产等，以提高人们对于火灾的预警能力。
通过对以上几个方面的深入研究，本研究将提出一种基于计算机视觉的烟雾报警技术，为火灾预防和安全管理提供有效的技术支持。
- 1 -。
基于可编程图形处理器的实时烟雾控制模拟
基于可编程图形处理器的实时烟雾控制模拟
湛永松;杨明浩;石民勇;费广正
【期刊名称】《图学学报》
【年(卷),期】2008(029)004
【摘要】提出一种基于可编程图形处理器(GPU)有效控制烟雾模拟过程的实时算法.对于给定的烟雾当前状态和目标状态,该算法以自然的烟雾流动方式实现状态之间的转换.根据Navier-Stokes方程定义烟雾流体场的物理模型,通过调整方程中的风力项以达到控制目的.风力项由驱动力和聚合力组成,驱动力促使烟朝着目标密度分布运动,聚合力则用于抵消烟的扩散现象.烟雾的速度和密度参量被整合为纹理颜色通道,并传送到像素程序中由GPU完成计算.该算法无需保证两状态之间转移为最优,从而消除了非线性优化所带来的计算成本.实验表明该算法能实时高效地模拟两种烟雾状态之间的转换.
【总页数】5页(P60-64)
【作者】湛永松;杨明浩;石民勇;费广正
【作者单位】中国传媒大学数字技术与艺术研发中心,北京,100024;中科院自动化所数字互动媒体实验室,北京,100080;中国传媒大学数字技术与艺术研发中心,北京,100024;中国传媒大学数字技术与艺术研发中心,北京,100024
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
【相关文献】
1.一种基于三维烟雾的实时模拟研究 [J], 邓定胜
2.基于物理模型的实时烟雾模拟 [J], 汪继文;杨贤达
3.一种基于可编程GPU的实时烟雾模拟算法研究 [J], 邓定胜
4.一种基于GPU的实时烟雾模拟体绘制算法研究 [J], 邓定胜
5.基于可编程图形处理器的实时景深模拟 [J], 周强;彭俊毅;戴树岭
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基于物理模型的烟雾实时模拟
基于物理模型的烟雾实时模拟
秦培煜;陈传波;吕泽华;夏晖
【期刊名称】《小型微型计算机系统》
【年(卷),期】2007(28)8
【摘要】本文提出了一种基于物理模型的烟雾的实时数值模拟方法.真实感和实时性是计算机图形学追求的两个目标.传统的动画技术生成的物体运动是虚拟的,并不能完全反映物体的真实运动.与传统的动画技术相比,基于物理的动画更能表现运动的真实性.在用非粘性不可压欧拉方程表示烟雾的物理模型的基础上,利用破开算子法将其分解成外力项、对流项和投影项分别进行求解,每一步都稳定,因而整个求解也就稳定.求解过程的稳定性保证了模拟可以用大时间步长,也就保证了模拟的实时性.与传统的方法相比,能同时满足计算机图形学的真实感和实时性要求.
【总页数】3页(P1486-1488)
【作者】秦培煜;陈传波;吕泽华;夏晖
【作者单位】华中科技大学,计算机学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学,计算机学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学,计算机学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学,计算机学院,湖北,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.基于直接投射扩散的烟雾阴影实时模拟 [J], 湛永松;杨明浩;石民勇;费广正
2.基于物理模型的实时卡通烟雾模拟算法 [J], 湛永松;石民勇;费广正
3.一种基于三维烟雾的实时模拟研究 [J], 邓定胜
4.基于物理模型的烟雾模拟 [J], 孙萌阳;巴力登
5.基于物理模型的实时烟雾模拟 [J], 汪继文;杨贤达
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（． 四川 大 学 计算机 学院 ，四川 成都 ６ ０ ６ ； １ １０ ５
２ ．四 川 大学 视 觉合 成 图形 图像 技术 重 点学科 实验 室 ，四 川 成都 ６ ０ ６ ） １０ ５
摘 要 ：为 了模 拟 出具 有 实 时 性 和 真 实感 的 烟 雾 效 果 ， 析 了传 统 烟 雾 的模 拟 方 法 ， 出 了一 种 基 于 Ｏ Ｇ 平 台 下 的 实 时 烟 分 提 Ｓ
方 法 生 成 的 烟 雾 效 果 不 具 有 真 实 感 ， 以令 人 信 服 。 后 来 人 难
为 此 本 文 在 以 ＮＳ方 程 为 烟 雾 模 拟 的 基 本 物 理 模 型 的基 础 上 ， 更 好 的体 现 烟 雾 模 拟 的 实 时 性 和 真 实 性 ， 值 计 算 上 为 数
侯美华 ，吴志红，陈楷 民：基于 ＯＳ Ｇ的实时烟雾模拟 的研究与应用
１ 烟雾 模 拟 方 法 分析
１１ 非物 理 模拟 方 法 ．
早 期 的 烟 雾 模 拟 主 要 是 基 于 粒 子 系 统 的 ， 拟 在 粒 子 系 模
∞＝ ＋
２ １， ｏ．２ Ｎ ． ０ ９ ０ １ Ｖ １ ， ｏ６ ３ ２ ８
们 发现 纳 维 一 托 克斯 方程 （ ａ ｉ－ｔｋｓｅｕｔ ｎ ＮＳ ， 称 斯 Ｎ ｖｅ Ｓｏｅ ｑ ａ ｏ ， Ｅ 简 ｒ ｉ ＮＳ 程 ）可 以 很好 的 模 拟 烟 雾 的 真 实 效 果 。Ｆ ｓ ｒ 三 维 空 方 ｏｔ 对 ｅ 间 的烟 和 气 流 进 行 了模 拟 ， 生 成 了栩 栩 如 生 的 漩 涡 状 烟 雾 并 运 动 效 果 ， 在 求 解 ＮＳ方 程 时采 用 显 示 方 法 ， 法 保 证 算 法 但 无
的稳 定 性 ， 算 速 度 也 慢 ， 响 模 拟 实 时性 “ ｔｍ 结 合 半 拉 运 影 ａ 。Ｓ 格 朗 日法 求 解 该 方 程 ， 高 了模 拟 速 度 和 稳 定 性 ， 力推 动 了 提 有 真 实 感 流 体 模 拟 的发 展 。 是 上 述 工 作 只 是 针 对 Ｎ 】但 Ｓ方 程 的 数 值 计 算 方 法 进 行 改进 和 创 新 ， 无 法 解 决 基 于 物 理 方 法 的 仍 烟 雾 模 拟 效 率 的 瓶 颈 问题 ， 法 更 好 的 满 足 实 时性 的 要 求 。 无
稳 定 的 求 解 方 法 ， 结 合 体 绘 制 技 术 来 实现 实 时 烟 雾 的 模 拟 。 实验 结 果 表 明 ， 方 法 能 快 速 模 拟 出 实 时 、 真 的 烟 雾 效 果 。 并 该 逼 关 键 词 ：基 于 物 理 模 型 ； 纳 维 一 托 克 斯 方 程 ； 半 拉 格 朗 日方 法 ； 漩 涡 约 束 力 ； 可 编 程 图形 处 理 器 ； 体 绘 制 斯 中 图法 分 类 号 ： Ｐ ９ ． Ｔ ３１ ９ 文献标 识码： Ａ 文 章 编 号 ：００７ ２ ２ １） ６２ ８—４ １０ 。０４（０ １０ —０ ８０
采 用 半 拉 格 朗 日法 对 平 流 项 进 行 求 解 ，用 隐 式 方 法 求 解 扩 散
项 ； 加 强 烟 雾 的 湍 流 效 果 ， 用 漩 涡 约 束方 法 ； 解 决 烟 雾 为 采 为
模 拟 效 率 的 瓶 颈 问题 ， ＮＳ 程 的 求 解 过 程 应 用 于 Ｇ Ｕ上 ， 将 方 Ｐ
ｓ ｃ ｔ ｂ ｅｓ ｌ ｉ ｇ ｍｅｈ ｄａ ｅ ｉ ａ ｒ ｎ ｉｎ ｓ ｈ ｍｅ Ｊ ｃ ｂ ｔｒ ｔ ｎｍ ｅｈ ｄ ｉ ｅ ｉｎ ｄ Ｔ ｅｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｅ ｕ ｈ ｓａ ｌ ｏｖ ｎ ｔ ｏ ｓＳ ｍ — ｇ ａ ｇ ａ ｃ ｅ ， ａ ｏ ｉｉ ａ ｉ ｔｏ ｓｄ ｓｇ ｅ ． ｈ ｘ ｅ Ｌ ｅ ｏ ｉ ｎ ａ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔｔ ｒ ｓ ｈ ｈ ｍｅｈ ｄ ｉ ａ ｌ ｉ ｌ ｔ ｍｏ ｅｑ ｉｋ ｙｗｉ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ｌ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ． ｔ ｏ ｂ ｅｔ ｓｍｕ ａｅｓ ｋ ｕ ｃ ｌ ｔ ｒ ａ— ｍｅａ ｄｒ ａ ｉ ｉ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｓｃ ｉ ｃ
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＝∞一 （） ５
统 中 粒 子 数 量 的多 少 足 影 响 粒 子 系 统 算 法 实 时 性 和 真 实 性 的
重 要 因素 。粒 子 数 较 少 会 导 致 严 重 失 真 ； 予 数 较 多又 会在 粒 很 大 程 度 上 影 响绘 制 的 速 度 ，使 得 在 真 实 性 和 实 时 性 之 间很 难 达 到 平 衡 。 后 来 人 们 为 了增 强 模 拟 的视 觉 真 实 感 ， 用 二 。 采
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ｃｌ ｌ ｉ ，ｉ ｕ ｒ ａ ｃｌ ｌｔ ｎ ａ ｈｃ ｒｃｓ ｎ ｎｔ （ Ｐ ）一ａｅ ｔｏ ｉ ａｉ ｄ ｈ ａ・ｍｅ ｉ ｌｉｎ ｙ ｓ ｇ ａ ｕａ ｏ ｃ ｔ ｎ ｎ ｍｅ ｃｌ ａ ｕａ ｏ ，ａ ｒｐ ｉｐｏｅｓ ｇ ｉ Ｇ Ｕ ｂｓｄ ｈ ｄ ｎ ｉ ｃ ｉ ｇ ｉ ｕ ｍｅ ｗｈｃ ｒ ｌ ｅ ｅ ｅｌｉ ｍｕａ ｏ ｉ ｈｅ ｚ ｔ ｒ ｔ ｓ ｔ ｂ ｕｎ
（） ４
我 们 知 道 在 解 方 程 （） 得 出的 新 速 度 是 散 度 非 零 的 矢量 １时 场 ∞， 方 程 （） 求 在 每 次 求 解 时 得 到 的速 度 场 散度 为 零 。 但 ２要 所 以利 用 Ｈ ｌ ｏｔ Ｈ ｄｅ分 解 定 理 ， 到 的 结 果 减 去 压 力 场 的 ｅ ｍｈ ｌ— ｏ ｇ ｚ 得 梯 度 就 能 得 到 正 确 的 结 果
雾模拟 方法 。该方 法采用流体 力 学纳 维 斯托 克斯 方程组作 为基本 物理模 型， 通过 添加漩 涡约束 力来达到真 实性的要 求 。由 于 ＮＳ方程求解 的复杂性 和 Ｃ Ｕ计 算的限 制性 ， Ｐ 在方程 解算上 ， 出一种 基 于 Ｇ Ｕ 的采用半拉格 朗 日方法 、 提 Ｐ 雅克 比迭代 法等
并 且 通 过 体 绘 制 技 术 对 烟 雾 进 行 实 时 的绘 制 。 实 验 表 明 ， 该 算 法 能 够 以较 快 的 速 度 实 时 的 模 拟 具 有 真 实 感 的 烟 雾 效 果 ， 并 将 其 运 用 到 复 杂 三 维 场 景 塔 台模 拟 机 系 统 中 。
收稿 日期 ：２ １—７０ ：修订 日期：２ １．９ １ 。 ０ ００ ５ ０ ００ —６ 基 金 项 目 ： 国家 ８３高 技 术 研 究发 展 计 划 基金 重 点 项 目 （０ ９ ６ ２ ０ＡＡＯｚ ３ ） 国家 自然 科 学基 金 重 点 项 目 （０ ３０ １ １ ３ ２； ６ ８２ １） 作者简介 ：侯美华 （９ ４ ） １８ － ，女，山东郓城人 ，硕士研究生，研究方向为计算机图形学 、图像处理： ＋ 通讯作者： 吴志红 （９ ４ ） １６ － ，女 ，四川 成都人，副教授，硕士生导师 ，研究方 向为虚拟现 实、计算机仿真； 陈楷 民 （９ ７ ，男 ，四川成都人，讲师 ，研究方 向为虚拟现实、计算机 １７ 一） 仿 真 。Ｅ ｍａ ：ｓｈ ｕ ｉｕ＠ １３ｃｍ — ｉ ｄ ｏ ｍｅ ａ ６ ． ｌ ｈ ｏ
２ ８ ０１ Ｖ１ ２ Ｎ ． 计 算机 工 程 与设 计 Ｃ ｍ ｕ ｒ ｎｉ ｅｎ ｄ ｅ ｇ ０８ ２ １ ｏ ３， ｏ ， ． ６ ｏ ｐｔ Ｅ ｇ ｅ ｉ ａ Ｄ ｓ ｎ ｅ ｎ ｒｇ ｎ ｉ
基于 Ｏ Ｇ的实时烟雾模拟的研究与应用 Ｓ
侯 美 华 ， 吴 志 红 ， 陈楷 民 ‘ 外 ’
机 场塔 台 模 拟 机 等 仿 真 系 统 中 也 有 着 广 泛 的应 用 前 景 。 早 而
期 的烟 雾 模 拟 建 立 的模 型主 要 是 基 于 简 单 的粒 子 系 统 。 于 由 烟 雾 具 有 流 体 物 质 所 特 有 的 多 变 性 和 无 规 则性 等 特 性 ， 该 用