基于粒子系统和纹理绘制的火焰模拟

不规则物体的模拟一直是计算机图形学的研究热点和难点,而火焰在时间和空间上的多变性,更具有挑战性。本文详细讨论了火焰模型中火焰粒子属性的变化和纹理图片的选取。粒子系统是模拟不规则物体的有效方法,结合纹理映射增强绘制结果的真实感,可大大降低粒子数量,提高了绘制效率。实验表明,这种方法满足真实感和实时性的要求。     

基于包围盒和空间分割的混合碰撞检测算法

针对碰撞检测算法实时性较差的缺陷,提出基于层次包围盒和空间分割的混合碰撞检测算法。该算法采用构造对象的AABB包围盒,快速排除不可能相交的对象进行空间分割,实现虚拟环境对象的碰撞检测。实验结果表明,与经典的Rapid算法对比,该算法能够节省检测时间,提高碰撞检测的效率。     

卡通风格雨的实时模拟

提出一种硬件加速的算法模拟三维场景中的卡通风格雨，利用图形处理器的并行性和可编程性实现了实时交互．该算法采用碰撞检测、定制纹理及旋转point sprite的方法模拟雨点的泼溅效果；基于牛顿动力学自由地控制雨点粒子的运动，以模拟风力作用的效果，还可以使用不同纹理或改变point sprite大小，动态地控制雨点的大小．实验结果表明：该算法可有效地解决复杂地理环境中卡通风格雨的实时模拟问题．     

基于粒子系统的模糊物体间交互模型设计

考虑粒子间碰撞的原理性与碰撞检测的计算实时性要求,提出两种模糊物体粒子间交互的模型思想.通过引入像素投影链表,设计出一套主动粒子检测碰撞,被动粒子维护链表的近似优化算法,该算法在不丢失感官真实性前提下有效约减系统时间复杂度并与被动粒子数成线性关系,实现了满足动画帧频要求的喷雾水珠与火焰粒子交互的原型系统,进而将该思想推广到其他基于粒子系统的模糊物体粒子间交互的模型中.     

基于SPH方法的流体粒子与软体碰撞检测

针对虚拟手术系统中流血粒子与软组织器官碰撞检测的问题进行了研究.虚拟手术中流血与软体器官组织进行碰撞检测不同于传统的刚体或者软体之间的碰撞检测,流血模型的拓扑结构变化较大,传统方法通过更新拓扑结构来进行碰撞检测的方法不能够保证碰撞检测的实时性和准确性.提出一种基于空间划分的流血粒子与软体碰撞检测算法,能够处理基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）模拟的流体与任意动力学模型模拟的软体之间的碰撞检测.同时,提出了对SPH算法进行最近相邻粒子搜索过程中建立起的均匀空间网格进行重复利用,使空间网格用于碰撞检测的空间划分与流体粒子的定位,从而减少了时间和空间资源的重复消耗.实验结果表明,该算法能够满足虚拟手术中流血粒子与软体之间的碰撞检测对精确性和实时性的要求.     

基于粒子系统方法的三维火焰模拟

文章设计了粒子系统火焰模型,详细讨论了模型中粒子的属性及其变化,实现了具有较强真实感的颜色变化和动态摇曳等火焰特性,采用纹理映射和视线跟踪技术进行三维火焰渲染;同时,采用了层次化的编程结构,用以提供简单实用的交互性火焰模拟。最后提供了篝火、烛火、火箭尾焰以及战场火焰模拟的效果图。     

动画烟雾动态模拟算法研究

随着计算机动画技术的发展,烟雾等自然场景的动态模拟在仿真虚拟研究中占有越来越重要的地位.对各种计算机生成动画烟雾的模拟、动态控制等算法技术进行了深入研究,在总结相关算法技术的基础上,利用粒子系统作为基于物理规律的模拟,采用平滑粒子动力学(SPH)模型,将姻雾建模为102～103数量级个数的平滑粒子,并根据粒子密度推导出粒子受到的扩散力,将关于外力的物理参数直接定义在烟的粒子上,提出了动画中烟雾的实时动态模拟算法和模拟步骤.     

三维场景漫游中碰撞检测问题的研究与实现

碰撞检测问题是三维场景漫游的技术难点。论文在对国内外已有碰撞检测算法进行分析比较的基础上,针对三维城市景观系统的数据特点,提出了基于回避三角形分割的二叉空间分割算法的碰撞检测算法。经实践证明,该算法对于场景漫游过程中产生的碰撞问题,可以进行快速有效地检测。     

基于微粒群优化的烟雾扩散的实时研究

在粒子系统的基础上研究了烟雾微粒浓度扩散和微粒内部之间碰撞检测相结合的方法。通过扩散方程建立了烟雾扩散力场,以确保扩散运动轨迹的精确性;为了降低微粒之间的碰撞检测时间,引入了基于空间哈希表的碰撞检测技术。经仿真实验结果证明了该算法不仅能够提高模拟速度以达到实时控制要求,而且能够展示烟雾扩散的真实性。     

作物可视化中的碰撞检测及响应研究

将碰撞检测与响应技术引入作物可视化生长模拟,针对以NURBS曲面表示的作物叶片,提出了一种基于曲面分割技术及混合层次包围盒实现作物叶片间碰撞检测的方法.首先采用节点插入技术分割叶片曲面,然后为分割后的叶片曲面建立轴向包围盒(AABB)与固定方向凸包(FDH)的混合层次包围盒树:根节点采用AABB包围盒,以快速排除不可能相交的叶片;其它层节点采用FDH包围盒,以保证精确地判定距离较近的叶片间碰撞状态.在此基础上,根据作物叶片形态变化规律,提出了较合理、有效的冲突响应机制.实例分析表明,所建立的算法可有效地应用于作物叶片碰撞的模拟实现.     

基于无线传感器网络的大型场所火情检测与定位算法

针对商场等大型场所火灾监控存在的火情态势估计不明、监控节点孤立、预警准确率低、火源定位不准确等问题,提出一种基于 无线传感器网络的大型场所火灾检测与定位算法。采用人工神经网络对火灾检测节点数据进行学习训练和火情估计,并经过模糊推理决策,给出火灾报警信息。利用受限空间烟雾扩散模型、气体温度扩散模型实现火源定位,并准确估计火情,以提供消防人员灭火决策。从单节点神经网络火灾报警仿真实验得出单节点火灾检测概率较高,同时从多节点火情定位实验得出,火情的覆盖范围描绘准确,火源定位精度较好。理论分析和实验结果表明火灾检测和定位算法是可行的。     

基于无线传感器网络的大型场所火情检测与定位算法

针对商场等大型场所火灾监控存在的火情态势估计不明、监控节点孤立、预警准确率低、火源定位不准确等问题,提出一种基于无线传感器网络的大型场所火灾检测与定位算法。采用人工神经网络对火灾检测节点数据进行学习训练和火情估计,并经过模糊推理决策,给出火灾报警信息。利用受限空间烟雾扩散模型、气体温度扩散模型实现火源定位,并准确估计火情,以提供消防人员灭火决策。从单节点神经网络火灾报警仿真实验得出单节点火灾检测概率较高,同时从多节点火情定位实验得出,火情的覆盖范围描绘准确,火源定位精度较好。理论分析和实验结果表明火灾检测和定位算法是可行的。     

基于多智能体的森林火灾人员疏散仿真

森林火灾发生时, 对在林火蔓延过程中灾区人员疏散进行建模与仿真能够检查疏散方案是否合理, 从而为合理救灾提供指导意义. 目前对人员疏散模拟与仿真虽然有很多研究, 但对于森林火灾下人员疏散尚缺乏合适的仿真模型, 给科学救助决策带来很大困难. 为此, 提出将多智能体引入森林火灾蔓延及灾区人员疏散模型研究中, 并借助于Repast平台进行仿真, 实验结果表明本文方法能够为森林火灾人员疏散模拟与仿真提供正确的解决途径.     

Fire accident reconstruction based on LES field model by using orthogonal experimental design method

The main objective of fire accident reconstruction is to determine the fire source and find out the fire spread. The temperature and the fire spread mark are the most important information in a fire accident, the information can be fully utilized based on Large Eddy Simulation (LES) field model, which has been widely used as simulation model for fire analyses. However, this model is not popular in fire accident reconstruction because it needs lots of simulation runs, which increases the reconstruction time and cost. The use of orthogonal experimental design (OED) method as a tool to reduce the simulation runs in fire accident reconstruction is proposed in this research. An orthogonal array is selected on a discrete design space and levels are chosen from candidate values. Matrix experiments with the orthogonal array are conducted and range difference analysis is used to find out the optimum levels. The method proposed in this research is applied to a typical house fire accident as a validation. A group of optimum levels was obtained and the corresponding simulation was studied. The reconstruction results can provide a scientific foundation for accident judgements.     

基于虚拟现实技术的灾难事故仿真系统

根据对灾难仿真系统的实际构建经验,运用虚拟现实技术设计了灾难事故仿真系统.该系统可模拟化工系统灾难事故的发生、发展,是灾难仿真用于研究和演练的有效平台.将虚拟现实技术用于石化系统的灾难事故的仿真,这属于新领域的探索.引入泄露、扩散、爆炸等模型呈现事故的动态发展过程,体现化工灾难的特点.对于如何运用虚拟现实技术结合灾难仿真机理模型进行仿真实现的思路上进行了有益的探索.技术成果对今后基于灾难仿真的应急预案的研究、制定和演练工作提供了基础平台.文章对于灾难事故分析、预防、制定和应急演练都有应用前景.北京华康达公司研制出的该仿真系统能较好的模拟出化工企业的灾难事故发生、发展的过程.在大型石油、石化企业得到了应用,并取得较好的仿真效果.     

化学品贮罐火灾爆炸模拟评价方法的研究及软件开发

大多数危险化学品都具有火灾爆炸危险特性，尤其是化学品贮罐，一旦发生泄漏事故，遇到火源，极有可效预防和扑灭贮罐火灾爆炸的关键。应用计算机来模拟评价危险化学品贮罐火能发生灾难性的火灾爆炸事故。研究火灾的发生、发展规律，预测其危险性是有灾爆炸事故的后果及其对环境的影响已成为更为可行的手段。针对化学品贮罐的危险特性，研究了贮罐火灾爆炸模拟评价的方法，并据此开发一种化学品贮罐火灾爆炸模拟评价软件。软件系统主要由贮罐重大危险源辨识系统、火灾爆炸模拟评价系统和后台数据库系统等3个子系统组成。应用表明，本软件可进行重大危险源辨识和快速分级，能够对每种事故伤害模型的后果（危险区域范围、人员伤亡和经济损失等）进行定量的模拟计算和定性的等级划分。     

森林场景可视化和林火模拟仿真技术研究综述

森林是生态环境系统的重要组成部分。随着气候变暖,恶劣气候气象条件造成全球森林火灾频繁发生,给国民经济和消防救援带来巨大挑战,森林火灾已成为全球主要的自然灾害。因此,森林场景可视化建模、3维场景仿真、林火模拟仿真、火场复现、预测和灾害评估成为林业虚拟仿真研究热点。本文对树木形态结构建模技术、森林场景大规模重建和实时渲染、森林场景可视化、林火模型和林火模拟仿真等前沿技术和算法进行综述。对相关的林木、植被的形态结构表达和真实感可视化建模方法进行归纳分类,并对不同可视化方法的算法优劣、复杂度、实时渲染效率和适用场景进行讨论。基于规则的林木建模方法和基于林分特征的真实场景重建方法对大规模森林场景重建技术进行分类,基于物理模型、经验模型和半经验模型对森林火灾的林火模型、单木林火、多木林火模拟和蔓延进行总结,对影响林火蔓延的不同环境气象因子（如地形地貌、湿度、可燃物等）和森林分布对林火发生、扩散和蔓延的影响进行分析,对不同算法的优劣进行对比、分析和讨论,对森林场景可视化和林火模拟仿真技术未来的发展方向、存在问题和挑战进行展望。本文为基于森林真实场景的森林火灾模拟仿真和数字孪生沉浸式互动模拟系统的构建提供了理论方法基础,该平台可以实现森林场景快速构建、不同火源林火模拟、火场蔓延模拟仿真以及不同气象影响条件的火场预测,可对森林火场救援指挥、火场灾害评估和火场复原提供可视化决策支持。     

基于RTW的空间机器人遥操作实时仿真系统

搭建了一套实时仿真系统以作为空间机器人遥操作的研究平台.系统以两台PC机分别模拟主从端的运行情况,主端PC连接通用力反馈游戏手柄作为主手输入设备,从端PC挂接嵌入式处理器(PC/104)用作空间机械手的实时仿真;主从端信号传输时延根据TCP/IP协议由软件模拟产生.利用Madab中的RTW/xPC Target工具箱将空间机械手模型编译为实时可执行代码,下载到嵌入式处理器(PC/104)实时执行,保证了手柄输入和空间机械手Simulink模型间的时钟同步.结合给定模型数据,完成了空问机械手实时位置跟踪实验,证明了系统搭建方案的可行性.系统对空间机器人遥操作的研究起到了很好的支撑作用.     

油气储罐火灾爆炸风险模拟评估方法研究及软件系统开发

油气储罐由于固有的火灾和爆炸危险性,一旦发生泄漏会导致火灾和爆炸事故的发生,因此研究油气储罐的风险评估方法对于预防和控制事故的发生具有十分重要的意义.随着计算机技术的发展,运用计算机模拟技术模拟危险化学品储罐事故后果,以及对环境的危害过程成为可能.针对油气储罐的火灾爆炸特性,在对现有各种火灾爆炸损伤模型总结分析的基础上,对几种常见事故选择和确定了其模拟数学模型,并开发了火灾爆炸事故评估的软件系统,详细介绍软件系统的功能和组成框架.软件系统由储罐危险源识别系统、火灾爆炸分析评估系统、油气储罐事故预防和控制训练系统和数据库系统组成.该系统可以对事故后果包括危险区域、人员伤害范围、经济损失等进行量化计算和分级,通过对模拟结果的分析与比较可以得剑火灾爆炸事故的等级,软件系统可以完成风险评估,从而大大提高了评估的效率和科学性.     

点火系对环形线圈车辆检测器辐射干扰的仿真

环形线圈车辆检测器是利用电涡流检测原理工作的一种车辆检测设备,存在易受电磁干扰影响的缺陷.汽车点火系是环形线圈车辆检测器工作环境中存在的强大宽带电磁干扰源.针对汽车点火系对环形线圈车辆检测器可能产生的辐射干扰,采用基于有限积分技术的仿真软件进行了数值仿真.仿真结果表明,在不考虑汽车金属外壳屏蔽作用,并且点火系恰好位于环形线圈正上方的情况下,汽车点火系产生的辐射电场对环形线圈车辆检测器正常工作有严重影响,必须对其采取一定的屏蔽措施.