基于OpenGVS战场火焰烟雾的模拟

战场特效有助于虚拟战场环境气氛的烘托,其模拟质量直接影响着整个战场仿真的质量.对于战场上的烟雾、火焰等不规则物体,不能采用传统的几何方法建模,而只能采用粒子系统等复杂的数学模型进行模拟.但在战场环境模拟时,同一场景中常常会出现多处火焰、烟雾的情况,这时巨大的计算量势必大大影响场景仿真的实时性.文章对基于OpenGVS的特效实现方法进行了研究,提出一种基于OpenGVS开发平台,将粒子系统模型与二维纹理动画模拟相结合的实现方式,明显减少了模拟所需计算量.将此方法运用到某型高炮训练仿真器的场景模拟中,实际应用表明,保证实时性的同时使战场特效得到了高质量的模拟.     

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.     

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。     

分区域变尺度网格的社区火灾场景数值仿真

目的 火灾场景数值仿真对消防救援和应急疏散具有重要意义。火灾场景仿真需要对室内外地物及环境进行精细建模和大量数值计算,而传统地图和空间分析无法满足日趋复杂的建筑物消防场景表达。为此本文基于室内外地图研究基础,构建面向社区安全的火灾场景数值仿真模型。方法 通过传统制图技术建立社区地物分布模型,利用室内制图技术建立建筑物内部场景,利用3维建模技术重建社区室内外3维模型,引入火灾数值模拟方程进行仿真计算。根据社区建筑物分布和其内部结构复杂程度的差异,提出分区域变尺度的网格划分方法,以提高计算效率。结果 通过对红树湾社区进行"精细"、"粗糙"和"分区域变尺度"3种不同方法的仿真实验,分析火灾模型的计算速度、温度场及烟气扩散情况。与精细网格方法相比,分区域变尺度方法和粗糙网格方法的计算速度是其8倍和24倍,烟气最低能见度误差为2 m和13.5 m,分区域变尺度方法相较于粗糙网格方法与精细网格方法的温度变化曲线更加吻合。分区域变尺度方法的模拟精度更接近于精细网格方法,同时效率得到提升。结论 本文提出的火灾场景仿真模型将室内制图应用扩展到社区消防研究,实验结果表明,所提出的分区域变尺度网格划分方法能够在保证数值模拟精度的前提下提高仿真效率,具有重要的应用价值。     

Visual simulation of water currents using a particle-based behavioural model

Several CG researchers have simulated impressive ocean waves so far. Recently, other researchers have succeeded in simulating waterfalls by employing a mass of particles. However, visual simulation of water currents having complex surfaces, such as mountain streams and turbulent water, still remains a challenging problem thanks to their complicated patterns of behaviour. Effective simulation methods for water currents are expected to have abilities to represent the following remarkable behavioural visual features of water: the appearance of a pool, an obstacle avoidance flow, a fluent flow, a flow into an open space, the collision and the confluence of flows and the occurrence of splashes. In this paper, we present a new type of particle-based simulation method for complex water currents which is not based on strict fluid dynamics but rather classified into a ‘quasi-physically-based’ simulation method constructed on the basis of algorithmic approaches. We first present a simple behavioural model of a ‘water-particle’. Next, we propose a method for generating CG images of water currents from a set of water-particles. Finally, we demonstrate the ability of our method by showing several examples of the simulation.     

Chain Shape Matching for Simulating Complex Hairstyles

Animations of hair dynamics greatly enrich the visual attractiveness of human characters. Traditional simulation techniques handle hair as clumps or continuum for efficiency; however, the visual quality is limited because they cannot represent the fine‐scale motion of individual hair strands. Although a recent mass‐spring approach tackled the problem of simulating the dynamics of every strand of hair, it required a complicated setting of springs and suffered from high computational cost. In this paper, we base the animation of hair on such a fine‐scale on Lattice Shape Matching (LSM), which has been successfully used for simulating deformable objects. Our method regards each strand of hair as a chain of particles, and computes geometrically derived forces for the chain based on shape matching. Each chain of particles is simulated as an individual strand of hair. Our method can easily handle complex hairstyles such as curly or afro styles in a numerically stable way. While our method is not physically based, our GPU‐based simulator achieves visually plausible animations consisting of several tens of thousands of hair strands at interactive rates.     

字典神经网络方法快速湍流烟雾合成

目的 基于物理的烟雾模拟是计算机图形学的重要组成部分,渲染具有细小结构的高分辨率烟雾,需要大量的计算资源和高精度的数值求解方法。针对目前高精度湍流烟雾模拟速度慢,仿真困难的现状,提出了基于字典神经网络的方法,能够快速合成湍流烟雾,使得合成的结果增加细节的同时,保持高分辨率烟雾结果的重要结构信息。方法 使用高精度的数值仿真求解方法获得高分辨率和低分辨率的湍流烟雾数据,通过采集速度场局部块及相应的空间位置信息和时间特征生成数据集, 设计字典神经网络的网络架构,训练烟雾高频成分字典预测器,在GPU（graphic processing unit）上实现并行化,快速合成高分辨率的湍流烟雾结果。结果 实验表明,基于字典神经网络的方法能够在非常低分辨率的烟雾数据下合成空间和时间上连续的高分辨率湍流烟雾结果,效率比通过在GPU平台上直接仿真得到高分辨率湍流烟雾的结果快了一个数量级,且合成的烟雾结果与数值仿真方法得到的高分辨率湍流烟雾结果足够接近。结论 本文方法解决了烟雾的上采样问题,能够从非常低分辨率的烟雾仿真结果,通过设计基于字典神经网络结构以及特征描述符编码烟雾速度场的局部和全局信息,快速合成高分辨率湍流烟雾结果,且保持高精度烟雾的细节,与数值仿真方法的对比表明了本文方法的有效性。     

连续图卷积视频烟雾检测模型

目的 视频烟雾检测在火灾预警中起到重要作用,目前基于视频的烟雾检测方法主要利用结构化模型提取烟雾区域的静态和动态特征,在时间和空间上对烟雾信息作同等或相似处理,忽略了视频数据在时间线上的连续性和特征的非结构化关系。图卷积网络（GCN）与神经常微分方程（ODE）在非欧氏结构与连续模型处理上具有突出优势,因此将二者结合提出了一种基于视频流和连续时间域的图烟雾检测模型。方法 目前主流的视频烟雾检测模型仍以离散模型为基础,以规则形式提取数据特征,利用ODE网络构建连续时间模型,捕捉视频帧间的隐藏信息,将原本固定时间跨度的视频帧作为连续时间轴上的样本点,充分利用模型的预测功能,补充帧间丢失信息并对未来帧进行一定程度的模拟预测,生成视频帧的特征并交给图卷积网络对其重新建模,最后使用全监督和弱监督两种方法对特征进行分类。结果 分别在2个视频和4个图像数据集上进行训练与测试,并与最新的主流深度方法进行了比较,在KMU （Korea Maritime University）视频数据集中,相比于性能第2的模型,平均正样本正确率（ATPR值）提高了0.6%;在2个图像数据集中,相比于性能第2的模型,正确率分别提高了0.21%和0.06%,检测率分别提升了0.54%和0.28%,在视频单帧图像集上正确率高于第2名0.88%。同时也在Bilkent数据集中进行了对比实验,以验证连续隐态模型在烟雾动态和起烟点预测上的有效性,对比实验结果表明所提连续模型能够有效预测烟雾动态并推测烟雾起烟点位置。结论 提出的连续图卷积模型,综合了结构化与非结构化模型的优势,能够获得烟雾动态信息,有效推测烟雾起烟点位置,使烟雾检测结果更加准确。     

结合注意力机制的火灾检测算法

鉴于现有的火灾检测手段大多依赖于感温探测器和感烟探测器,但感温探测器和感烟探测器的探测具有一定的滞后性,无法实时准确地检测出初期火灾的问题,因此,构建了一个大规模多场景的火灾图像数据集;同时对图像数据集进行了火焰和烟雾目标标注,并提出了一种具有注意力机制的火灾检测算法,采用颜色分析的方法检测出图像中火焰和烟雾的疑似区域;再对火焰和烟雾目标的疑似区域进行关注,通过结合深度网络的特征提取能力,得到火灾目标的检测模型;实验结果表明,此方法在检测火灾任务上取得了更优的效果,相比于基于YOLOv3的火灾检测模型,mAP(mean average precision)提高了5.9%,同时满足了实时检测的需求。     

火焰、烟、云等不规则物体的建模方法研究综述

对计算机图形学领域的火焰,烟、云等不规则物体建模及模拟方法的研究动态进行了综述性介绍,在介绍描述云的分形几何模,描述火焰的细胞自动模型,描述气体现象运动特征的扩散过程及粒子系统模型,纹理映射模型和光照模型的基础上,分析和总结了几个主要方法的特点及使用场合。     

Physically-based modeling,simulation and rendering of fire for computer animation

We give an up-to-date survey on techniques and methods for fire simulation in computer graphics. Physically-based method prevails over traditional non-physical methods for realistic visual effect. In this paper, we explore visual simulation of fire-related phenomena in terms of physically modeling, numerical simulation and visual rendering. Firstly, we introduce a physical and chemical coupled mathematical model to explain fire behavior and motion. Several assumptions and constrains are put forward to simplify their implementations in computer graphics. We then give an overview of present methods to solve the most complicated processes in numerical simulation: velocity advection and pressure projection. In addition, comparisons of these methods are also presented respectively. Since fire is a participating medium as well as a visual radiator, we discuss techniques and problems of these issues as well. We conclude by addressing several open challenges and possible future research directions in fire simulation.     

Modeling of Skylight and Rendering of Outdoor Scenes

Photorealistic animated images are extremely effective for pre-evaluating visual impact of city renewal and construction of tall buildings. In order to generate a photorealistic image not only the direct sunlight but also skylight must be considered. This paper proposes a method of high-fidelity image generation for photorealistic outdoor scenes based on the following ideas:

• 1 The intensity distribution of skylight taking account of scattering and absorption due to particles in the atmosphere which coincides with CIE standard skylight luminance functions is sought, and realistic images considering about spectrum distribution of skylight for any altitude of the sun can be easily and accurately displayed.
• 2 A rectangular parallelepiped with a specialized distribution of intensity simulating the skylight is introduced for efficient calculation of illumination due to skylight, and by employing a graphics hardware calculation of the skylight illuminance taking into account shadow effects is obtained with high efficiency; these techniques can be used to generate sequences of images, making animations possible at far lower calculation cost than previous methods.

     

Integrating fire spread patterns in fire modelling at landscape scale

Fire spread modelling in landscape fire succession models needs to improve to handle uncertainty under global change processes and the resulting impact on forest systems. Linking fire spread patterns to synoptic-scale weather situations are a promising approach to simulating fire spread without fine-grained weather data. Here we present MedSpread—a model that evaluates the weights of five landscape factors in fire spread performance. We readjusted the factor weights for convective, topography-driven and wind-driven fires (n = 123) and re-assessed each fire spread group's performance against seven other control simulations. Results show that for each of the three fire spread patterns, some landscape factors exert a higher influence on fire spread simulation than others. We also found strong evidence that separating fires by fire spread pattern improves model performances. This study shows a promising link between relevant fire weather information, fire spread and fire regime simulation under global change processes.     

公路隧道火灾通风数值模拟分析及逃生研究

利用数值模拟技术和pyrosim软件,对火灾功率为20 MW的中型规模隧道火灾进行了仿真,通过对火灾烟流蔓延模拟结果的分析,得出了该火灾规模的临界风速,并在临界风速下,通过对隧道内的温度、CO浓度的分布进行了数值模拟分析,得出了其分布规律。然后以修正后的克拉尼公式及FED窒息模型作为火灾时人员逃生的判定条件,综合考虑了火灾时隧道各断面温度和CO浓度分别与人员极限忍受时间的关系,最后得出隧道火灾时人员的安全逃生方向及火源下游人员的最大安全逃生时间和最远逃生区域。     

雾天条件下基于机器视觉的森林火灾监测

基于机器视觉的森林火灾监测已成为森林火灾监测的一个重要发展方向。烟雾是森林火灾监测的重要指标。然而,诸如云雾和类似烟雾的诸多干扰物降低了火灾识别精度,为此提出了一种结合去云雾和烟雾检测的基于机器视觉的森林火灾监测方法。首先,提取视频中若干帧图像作为样本图像,采用基于Haze-Line的去雾算法对样本图像进行去雾处理。然后,利用基于Horn-Schunck光流法的烟雾检测算法进行烟雾检测,并利用最大类间方差法去除相邻2帧图像间像素质量差异对烟雾检测的影响。最后,利用扩散性分析进行火灾判断。仿真实验及对比分析结果表明,本文方法能够检测出烟雾区域随时间逐渐增加的趋势,从而有效地进行雾天条件下的森林火灾监测,具有更高的准确性和鲁棒性。     

基于物理的流体模拟动画综述

基于物理的流体模拟近年来成为计算机动画领域的一个研究热点.回顾了该领域中基于物理的流体模拟的发展情况,总结了该研究方向所采用的各类方法,并结合各种现象的特点分门别类地详细展开.其方法总体上可以分为欧拉法和拉格朗日法,涉及的现象包括烟雾、火焰、爆炸、波浪、气泡以及自由运动界面等.最后展望了未来发展的3个重点：细节策略、加速策略和控制策略,以使整个模拟能够更好地满足人们对真实感、实时性以及灵活性的需求.     

数字化三维蹦床运动模拟与仿真系统——VHTramPoline

设计和实现了一个用于辅助蹦床运动科学训练的计算机模拟与仿真软件系统VHTrampoline.其原理是:在人体运动生物力学数据和真实人体运动捕获数据的基础上,通过运动编辑技术实现技术动作的修改和成套技术动作的模拟,并用人体运动方程分析和验证模拟结果;同时,基于虚拟现实方法将模拟结果与真实视频同步对比实现可视化的分析.除了必须的交互操作,文中涉及到的计算都是实时的.与传统训练方法相比,该系统具有直观、量化等优点.     

基于Pyrosim对天然气管道泄漏火灾后果的模拟研究

为探究天然气管道泄漏对周围人员和建筑物所造成的影响,提高管道火灾的人员逃生率,采用Pyrosim火灾仿真模拟软件,首先,按照管道火灾的特点设置火源及反应类型,对火灾模拟的过程、热辐射强度范围和温度分布范围进行分析;其次,将火灾模拟时间设为100 s,截取观察15 s、25 s、35 s、45 s、55 s、65 s、7...     

新的RoboCup救援仿真分区消防策略

在RoboCup救援仿真的消防策略中,火势蔓延的控制对救援的效果有着重要的作用。大多数队伍采用基于单个建筑的各种指标的单目标选择法,该方法在着火建筑较多或者火势蔓延快时难以对火势进行有效控制。提出一种新的基于密度聚类的分区方法,根据火势蔓延速度将所有建筑进行聚类分析形成建筑簇并分开成为不同的区域,然后综合建筑的属性作为权值选择目标区域和灭火建筑,从而有效地控制火灾的蔓延甚至将火灾完全扑灭。最后通过仿真实验和比赛验证了该方法的有效性。     

地下矿CA粒子系统火灾蔓延仿真

为了对火灾在地下矿巷道中的蔓延情况进行仿真,提出了一个元胞自动机理论和粒子系统理论相结合的地下矿巷道系统中火灾蔓延仿真方法。针对地下矿巷道这个特殊环境,采取可变邻域半径的元胞自动机模型来仿真火焰在巷道中蔓延的情景;同时,引入基于粒子系统的烟雾模型,把燃烧着的元胞作为烟雾模型的粒子发射器。整个仿真系统基于同一时钟运行,把时间、空间、火烟的物理行为有效地结合起来,不仅能非常直观地仿真出火势蔓延态势和烟雾扩散运动过程,并且通过在仿真过程中计算记录不同时刻火灾蔓延距离和入侵巷道烟雾粒子数量等数据,可以获取大量巷道环境相关信息,为逃生决策和火灾预防与控制提供依据。