可视化隧道火灾仿真系统开发

FDS(Fire Dynamics Simulator)作为一种高效的火灾模拟软件,前处理操作集中在一个data文本文件中,需要操作人员熟知各输入数据参数的格式,而且在对非规则边界隧道进行火灾模拟时有很大局限性.为了简化操作,实现非规则边界隧道的建模,通过应用一种由矩形方块拟合圆弧墙或斜线墙的算法来实现非规则边界隧道建模,并通过实现与DXF文件的接口来简化建模过程,大大改善了软件的可操作性能;最后给出了用该软件对非矩形边界隧道火灾的数值模拟应用.通过编制可视化软件并集成了非规则边界隧道建模算法,简化了隧道火灾仿真的建模操作,可以很好地解决隧道火灾仿真问题.     

基于非结构网格的Gas-Kinetic方法

为解决带有复杂几何边界条件的高速流体计算问题,提出基于非结构网格的Gas-Kinetic方法.对于二维非结构网格,以三角形网格作为计算单元,形成在该网格控制单元中物理量导数求解的新方法.通过物理量导数得到在控制体积元边界上的通量,然后用每个计算时间步中求出的边界通量和控制体积元中的物理量,求出下一计算时间步所需的新物理量,依次进行计算直到计算结果收敛为止.采用NACA0012翼型进行数值计算验证,结果表明该方法简单高效,适用于低速和高速流体的计算.     

虚拟战场环境中地形场景的实时简化技术

三维地形场景实时简化是构建虚拟战场环境中的基本问题,本文论述了一种基于限制四叉树的地形简化算法,实现对规则格网DEM的连续多分辨率表示,结合实时消隐技术,减少场景绘制的三角形数目,提高了大规模DEM地形场景的实时可视化和动态交互的速度。     

道路模型与TIN地形无缝融合算法研究

结合道路实时三维可视化系统的研发,本文提出了道路模型与TIN地形模型无缝融合的总体思路,并对融合过程中的几个关键算法进行了优化和改进.采用网格索引来组织地形数据,利用方向线段来优化查找点所在三角形算法,对约束多边形嵌入算法进行了优化和改进,并针对道路边界为任意多边形的特点,提出了快速删除道路边界多边形内的地形三角形的方法.经实例验证,本文提出的道路模型与地形模型无缝融合算法高效、稳定,可以满足实时三维可视化系统需要.     

基于特征保持的三角形折叠网格简化算法

针对模型简化过程中出现的特征细节丢失、简化结果过于均匀等问题,文中基于特征保持提出一种改进的三角形折叠网格简化算法。简化前对原始模型中的三角形预分类,简化中以二次误差测度度量简化过程,以三角形狭长度、局部区域面积以及局部区域尖锐度控制三角形简化顺序,对边界三角形和内部三角形采取不同的简化策略,以此保持模型特征和降低算法复杂度。本算法在Visual c＋＋6．0开发环境下,结合OpenGL编程语言实现。实验结果表明,改进算法采用延迟简化特征区域及形状好的三角形的方法,有效地保持了模型原始特征,且简化速度较快。     

面向辐射模拟的叶片模型的网格简化方法

针对冠层辐射模拟对模型精度要求高,而计算量大的问题,提出了一种适应于叶片模型网格简化的改进边折叠方法。在基于二次误差测度算法的基础上,在折叠代价中引入曲率变化及狭长三角形的判断,同时对于叶片模型边界的保持则采用半边折叠的方法。以枇杷为例,利用Artec手持激光扫描仪获取的叶片网格模型进行简化,并将简化后的叶片模型应用到辐射度计算,实验结果表明,在辐射度的模拟精度方面,相同模型简化前后的模拟结果变化幅度较小,可以满足辐射度模拟精度要求,而明显提高辐射度的计算效率;在可视化效果方面,简化后的模型能够保持叶片的主要形态结构特征,有着较好的可视化效果。     

近海海浪的建模与仿真研究

针对经典JONSWAP谱不适合模拟浅水海浪的问题,在研究水深与波形参数关系的基础上,提出了一种加入深度因子的改进JONSWAP谱。通过分析传统海浪分形算法,得出相邻插值点之间信息传递跨度过大是产生波浪折痕、尖峰现象的主要原因。为此提出了一种新的方形-方形细分阈值滤尖峰算法。OpenGL仿真结果表明,改进的JONSWAP谱适合于模拟近海,可以生成的逼真、平滑、柔和的浅水海浪。新的分形算法能有效地减少生成波浪的折痕、尖峰现象,具有较好的真实感和实时性,达到了近海浅水实时仿真的目的。     

大规模地形实时可视化算法

提出一种实现大规模三维地形可视化的算法。该算法主要通过地形数据分块和多线程数据动态调度技术实现海量地形数据的实时动态调度,利用四叉树结构来简化地形网格,通过引入Y型基元的方法消除边界裂缝。实验结果表明,采用该方法可以实时生成大规模地形,提高地形漫游的效率与可视化效果。     

基于体元投影的一种非规则数据场体绘制方法

随着科学计算可视化的发展及其在实践中的应用,非规则数据场的可视化已成为当前的研究热点之一。由于非规则场中样点的大小、形状和分布是不一致的,在成像时面临更多的困难。常用的方法有光线投射法,单元投影法,以及单元投影与光线投射相结合等算法。吸取了上述算法的优点,同时利用非规则数据场的一些特性,采用了一些加速措施来加速绘制。通过实验验证,可以达到比较理想的效果。     

体积平方度量下的特征保持网格简化方法

提出了一种基于体积平方度量的三角形折叠网格简化新方法.新方法通过极小化误差目标函数简化三角形网格.简化误差定义为三角形简化后产生的网格模型平方体积变化,并以三角形几何形状因子和法向因子作为约束.简化误差的表示形式为一个二次目标函数,因此,每次简化后三角形网格的新顶点是一个线性问题的解.与目前简化效率最好的QEM方法相比,新方法不增加算法复杂度.如果被简化的三角形是强特征三角形,则用其高斯曲率最大的顶点作为新顶点,以保持原始模型的细节特征;对于非强特征三角形,新顶点用极小化折叠误差确定.对于边界三角形,新顶点的位置由不同于内部三角形的方法进行计算,保持了网格的边界特征.最后用实例说明新方法的有效性.     

一种基于混沌和单纯形法的水波优化算法

水波优化(Water Wave Optimization,WWO)算法是一种基于浅水波理论的新兴元启发式优化算法,通过模拟水波的传播、碎浪、折射操作在解空间中进行全局搜索。为提高算法的收敛速度和精度,提出了一种基于混沌(Ch-aotic)优化和单纯形法(Simplex Method,SM)的水波优化算法,简称为CSMWWO。在CSMWWO算法中,引入了混沌优化策略来降低随机初始化的种群对收敛速度和求解精度的影响,在混沌优化策略的基础上又引入了局部搜索能力较强的单纯形法来提高WWO算法的收敛速度。将CSMWWO与包括WWO在内的4个启发式算法在12个基本测试函数上进行了测试,结果表明改进后的算法在计算精度和收敛速度上都有一定程度的提高,所提出的混合水波优化算法能改进水波优化算法的整体性能。     

基于物理模型的水波动画

近年来，自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。关于山、水、云、烟、火焰等自然景物的模拟，在计算机游戏、影视、广告等各种领域中有着广泛的用途。作为自然景物模拟的重要内容，对流水、波浪的模拟正日益引起人们的关注。本文基于二维浅水波方程模型，给出了一种实现水波动画的数值模拟方法。和以往的方法不同的是，本文既没有去特意构造具体的波形函数，也没有去求解复杂的Navier-Stokes方程，而是基于二维浅水波方程模型，采用隐式半拉格朗日积分方法进行求解，在保证稳定性的同时，可以允许大时间步长。实践证明，用该算法模拟水波，效果比较真实，而且在普通的PC平台上即可满足一般动画的实时需求。     

基于非均匀热扩散的交互式图像分割算法

交互式图像分割是图像分割中的重要分支,在现实生活和医学领域都有着广泛的应用。该文基于计算测地距离的热方法,引入了热扩散系数,提出了一种基于非均匀热扩散的交互式图像分割算法。该算法利用图像的颜色信息构造三角网格作为热扩散的媒介,首先由热方程找到距离增加的方向,再利用泊松方程还原测地距离。将前景中人工交互区域上的热流扩散速度增加,则前景不同部分之间的测地距离变小,消除了内部边界,通过设置外部边界分割限制条件,即可实现完整的前景分割。算法仅需求解两个稀疏线性方程组,鲁棒性强、精度高且更易于操作。同时,拉普拉斯算子和梯度算子的预计算可以被多次重用,减少了内存占用和时间消耗。大量交互式图像分割实验结果表明:该算法无需过多的用户交互信息,即可将现实图像中的复杂前景快速准确地分割出来。     

浅水动边界问题的位移法模拟

为精确模拟浅水波非线性演化过程中的动边界,提出一种基于位移的Hamilton变分原理,并进而导出一种基于位移的浅水方程（Shallow Water Equation based on Displacement,SWE D）.SWE D以位移为基本未知量,可以精确满足动边界处的零水深要求并精确捕捉动态边界位置,且解具有协调性.在Hamilton变分原理的框架下,分别采用有限元和保辛积分算法对该浅水方程进行空间离散和时间积分,可有效地处理不平水底情况,保证对非线性演化进行长时间仿真的精度.数值算例表明该方法适用于浅水动边界问题的数值模拟.     

基于双线性模型的动态系统优化和参数估计集成方法

针对双线性模型与实际系统之间的差异，提出一种基于双线性模型求解非线性动态系统最优控制的迭代算法。该算法通过重复求解修正的基于双线性模型的优化控制问题和参数估计问题，获得实际系统的最优解。同时提出求解修正的基于双线性模型的优化控制问题的一种新的分解方法，克服了非线性和双线性两点边值问题求解的困难。仿真例子表明该算法的有效性和实用性。     

正弦积分拟合的图像复原边界振铃效应抑制方法

目的 边缘振铃效应是影响运动模糊图像复原效果的重要因素之一。为了有效提高运动模糊图像复原的质量,针对运动模糊图像复原中由于图像边界截断而产生的振铃效应问题,提出一种正弦积分拟合的图像复原边界振铃效应抑制方法。方法 首先,对待处理的模糊图像根据模糊核的大小进行边缘延展;然后,分别利用正弦函数积分方法和双正弦函数积分方法对单向过渡区域和双向过渡区域进行窗函数计算;进而,将延展图像进行加窗处理;最后,对加窗图像进行复原处理并提取出原始图像的部分作为复原结果。结果 与现有的几种振铃效应抑制算法进行对比实验。在视觉效果方面,本文方法能有效抑制振铃效应;在峰值信噪比(PSNR)、归一化均方误差(NMSE)以及图像质量指数(Q)等图像质量评价指标方面,本文方法的PSNR值比最优窗算法提高了约0.170.76 dB,NMSE值比最优窗算法降低了约0.000 50.000 7,Q值比最优窗算法提高了约0.0230.029,本文方法在多数情况下得到的评价指标优于循环边界法;在耗时方面,本文方法对非迭代恢复算法的处理时间比循环边界算法降低了约0.040.11 s,对迭代恢复算法处理时间减少达到数秒。结论 通过大量实验发现,正弦积分拟合的图像复原边界振铃效应抑制方法在进行振铃效应抑制时,能有效控制计算量,且能完整地保留图像的边缘信息,图像恢复效果明显优于其他方法。     

基于机器视觉的最大内接矩形快速检测算法

在进行皮革裁切、板材边角料再利用、PCB板布线等过程时都会遇到求解不规则图型最大内接矩形的问题;当前工厂的裁定手段普遍由人工估测来完成,这种作业方式不仅主观性强,而且效率低下;在研究了基于数字图像处理的遍历法、中心扩散法、遍历中心扩散法后,结合以上方法提出一种高效实用的最大内接矩形快速检测算法:边界排序生长法;实验结果证实:遍历法无法正确适用于凹多边形;中心扩散法虽然可适用于任意不规则图型,但其检测效果不够理想;遍历中心扩散法的检测结果较为理想,但该方法耗时巨大;而边界排序生长法在保证高效率的同时依旧可以拟合出理想的内接矩形.     

Numerical solution of potential flow equations with a predictor-corrector finite difference method

We develop a numerical solution algorithm of the nonlinear potential flow equations with the nonlinear free surface boundary condition.A finite difference method with a predictor-corrector method is applied to solve the nonlinear potential flow equations in a two-dimensional (2D) tank.The irregular tank is mapped onto a fixed square domain with rectangular cells through a proper mapping function.A staggered mesh system is adopted in a 2D tank to capture the wave elevation of the transient fluid.The finite difference method with a predictor-corrector scheme is applied to discretize the nonlinear dynamic boundary condition and nonlinear kinematic boundary condition.We present the numerical results of wave elevations from small to large amplitude waves with free oscillation motion,and the numerical solutions of wave elevation with horizontal excited motion.The beating period and the nonlinear phenomenon are very clear.The numerical solutions agree well with the analytical solutions and previously published results.