虚拟场景生成系统

虚拟场景生成系统（精选3篇）

虚拟场景生成系统 第1篇

1.1 科学计算可视化技术

科学计算可视化, 后来被简称为“ 科学可视化” 、“ 可视化”。科学计算可视化通过借助计算机的图形图像处理能力, 将科学计算的结果以非常直观的图形或图像输出, 而不是单纯的、大量的数字输出, 即实现了将计算中涉及与产生的数学信息转变为以图形或图像表示的物理现象后, 呈现在研究者面前, 使研究者能够一目了然地获得被研究现象的变化规律及分布情况, 从而使人们不需要再对计算输出的大量数据进行抽象分析, 进而摆脱了这种费时而繁琐的过程, 缩短科学研究周期的同时, 提高了研究的效率。

1.2 虚拟现实技术

VISC的3个应用之中, 虚拟现实 (Virtual Reality) 是其中之一, 近几年更是得到了迅猛的发展。虚拟现实是综合利用计算机系统和各种特殊软、硬件来产生一种可以替代现实世界的仿真环境, 这个环境对用户感官角度来说是真实和可信的”。虚拟现实具有沉浸性、实时性和交互性等特点, 所以一经提出便在制造业中得到了广泛应用。虚拟现实能实现交互式的视景仿真和信息交流, 是一种先进的数字化人机接口技术。

虚拟现实具有超越现实的虚拟性, 与网络、多媒体技术并称为21世纪最有应用前景的3大技术, 它正在改变和影响着我们的生活。目前在此领域应用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设, 目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能, 包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等等。

根据用户参与形式和沉浸的程度不同可以把各种类型的虚拟现实技术划分为4种类型:桌面虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统、增强虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。

本文开发的就是一个桌面虚拟现实系统。主要是利用个人计算机和低级工作站进行仿真, 将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口, 通过各种输入设备 (主要是鼠标) 实现与虚拟现实世界的充分交互。桌面虚拟现实系统的参与者缺少完全的沉浸, 但是成本相对较低, 因而, 应用比较广泛。

1.3 虚拟视景构建技术

虚拟视景的建立是虚拟现实技术的核心内容。它是产生沉浸感和真实感的条件:场景太简单, 会使用户觉得虚假;而复杂逼真的场景又势必会增加难度, 并降低绘制的速度, 影响实时性。目前围绕虚拟视景构建问题的方式主要有3种:基于计算机图形学的三维几何模型建模与绘制, 又叫做基于图形的建模与绘制, 是传统的虚拟视景构建技术;高级建模技术、基于图像的建模与绘制技术及基于图像的绘制技术。

根据以上对虚拟视景生成主要方法的介绍, 图1显示了GBMR, IBMR和IBR等技术的实现方法及与涉及的相关学科的关系。

2 地形生成原理及方法

2.1 地形可视化建模的原理

在自然景物中, 地形是自然界中最为复杂的景物之一, 三维地形的模拟同时也是可视化系统中最基本也是最重要的技术之一。目前, 常见的地形可视化有两种类型:一种是将地学图形数据进行精确的描述, 来完成真实地形的仿真;第二种是模拟自然场景中的真实地形, 常用于具有真实自然视觉效果的虚拟环境中。

在地形可视化建模方面大致可以分为如下3类:数据拟合生成三维地形、利用分形技术生成三维地形和基于数字地形模型的地形可视化。

本文提出了一种动态地形的仿真生成方法, 这种方法首先利用了层次细节简化思想和分形理论的原理, 通过静态拼嵌高度场数组, 进而生成静态地形, 生成的地形逼真程度很高。最后根据实际的虚拟场景的需要, 分别测试了不同的迭代次数及有关参数产生的效果, 生成了一个简单的、具有动态特性的、三维的真实感地形模型。

2.2 细节层次模型思想

细节层次模型思想是指, 对虚拟场景中的各种物体分别使用具有不同细节的描述方法, 得到同一物体的一组模型, 在绘制时可以选择性地使用。在满足了基本的画面视觉效果的前提下, 层次细节简化技术主要是不断地去简化景物的表面细节, 从而达到减少场景的几何复杂性的目标, 进而提高绘制算法的效率。此技术对原多面体模型建立几个逼近精度不同的几何模型, 相对于原模型, 每个模型的细节, 都保持了不同的层次。从附近观察该对象时, 我们通常的做法是利用精细模型, 而当从远处观察该对象时, 采用的模型就是粗糙模型。

近年来, 提出了几种多边形网格简化算法, 其目的是将一个多边形网格表示的模型使用一个近似模型。该模型除了具有原模型的可视特征外, 主要特点是顶点数量比原始网格的顶点数目要少。通常的做法是, 一些 (顶点、边和三角形) 这些不重要的图元, 都被从多边形网格中去除掉了。

3 分形地形的实现

3.1 自然景物模拟方法

对于使用计算机来进行模拟自然景物而得出相应的模型, 已经成为计算机图形学中的一个重要应用。这一系列的模型丰富多彩, 对应于自然中千变万化的景物, 如生长模型、粒子模型、分形模型都是应用于此。

用于自然景观的建模方法通常可分为3种:具有规则景观外形的建模;基于自然景观特征的建模;具有非规则景观外形的建模。

3.2 分形的地形模型

自然界中很多现象都无关, 根本无标度特性, 来源是自相似。阿Mandelbrot分形表面的主要特征是其自相似性和平稳递增。自然地形是物理作用在不同的空间尺度, 最终结果复杂的系统, 所以它很可能是一个典型的分形表面。

3.3 基于分形的地形模型

自然界里许多现象都具有自相似的特征。Mandelbrot指出一个分形曲面的主要特征是其自相似性和平稳递增。自然地形很有可能是一个典型的分形曲面。在Berry和Hannayca建立的地形描述模型中, 就给出了著名的变异差 (variograms) 函数

E[X (x) -X (x+d) ]2=k (|d|) 2H (1)

及有关地形剖面的功率谱密度:

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以上两式中, X (x) 为地形高程, E[]为统计期望, H为描述地形变化的统计参数。式 (1) 和 (2) 已在地学领域得到了广泛的应用, 是一个经典模型, 主要应用于表示地形模型。

基于此原理, 分形地形建模大致可分为为泊松阶跃法、逆Fourier变换法、中点位移法、逐次随机增加法和带限噪声累积法等几类。

4 中点位移法 (midpoint displacement)

1920年, Wiener就提出了运用递归中点技术来完成地形的构建。在此基础上, 后来提出了一系列利用递归点细分技术实现计算机地形的模拟, 此种方法就是中点位移法。

中点位移法的基本原理是基于Λx方差幂律关系:

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式中X (t) 是满足高斯分布N (0, σ2) 的随机变量。中点位移通过对线段中点处的高程进行位移, 然后将分割的线段再细分出中点, 并进行进一步的位移, 以此过程递归进行, 直到满足一定的空间分辨率。

中点位移法是标准的分形几何法, 可用作快速地景生成, 并产生了真正的分形地表.它的高速度以及具有为已有形状增加细节的能力, 使其成为一个有用的面向应用的分形算法。

二维分形地形模型可以由最简单的一维随机分形曲线推广得到, 因此首先要了解一维随机分形曲线的构造模型。

假定给定的初始线段的两端点分别为Pi和Pi+1, 通过随机扰动该线段的中点来完成一次迭代, 其迭代的公式为:

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其中roughness用于控制当前层次的扰动量, 它可以决定每次循环中随机数值域的减少量, 这意味着它决定了分形结果的粗糙程度, 用公式可以表示为:

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依据表面构网方式的不同, 其模拟可分为三角形细分法、方形细分法、菱形-方形法等方法, 其实现思想与一维类似。

4.1 Diamond-Square算法

基于分形技术的地形生成仿真主要是利用了分形的自相似原理, 用递归算法使复杂的大块地形可用简单的小块特征地形经过一定的规则来生成。用分形法进行自然景物建模能有效地表达自然界中许多非线性现象, 也是迄今为止能够描述真实地形的最好的随机过程。一般用于非真实感地形的模拟。

Diamond-Square算法最初是由Fourniew、Fussell和Carpenter提出的, 又称“钻石-四边形”算法。该算法的思想是:从一个很大的空的2D数组开始, 维数为2n+1 (如33*33、65*65、129*129) 等。将四个角设置为相同高度。如果查看所得到的空间, 是一个正方形。

递归细分过程可分两步:①diamond步:取4个点的正方形ABCD, 在正方形的中点生成一个随机值M, 中点M即为正方形的两对角线的交点。中点高程 (属性) 值由4个点的高程 (属性) 的平均值再加上一个随机位移量计算得出。这样就得到了一个棱形 (非常像一颗钻石) 网格。如图2 (b) 中, 新值显示为黑色, 已经存在的点显示成白色;②square步:取每个4点形成的棱形, 在棱形的中心又生成一个随机位移值。平均角点高程 (或属性) 值再加上与diamond步相同的随机量, 计算出每条边中点值。这样又得到一个正方形格网 (如其中的AEFM) 。如图2 (c) , 其中黑色显示新值, 现有值为白色。再重复diamond步 (如图2 (d) ) 和square步 (如图2 (e) ) n=2次, 直到得到整个 (22+1) (22+1) 网格, 即5×5网格。

4.2 纹理图生成及生成结果

通过在平面上划分正方形网格, 随机给出4个角点的颜色;然后根据4个角点的颜色的平均值, 产生中点M的颜色;根据A、B、M点和网格外一虚拟点取平均, 得到边中点E的颜色, 根据B、C、M点和网格外一虚拟点取平均, 得到边中点F的颜色, 同理取得G、H的颜色;根据小正方形BEMF四角点颜色的平均, 取得小正方形中点以及边中点的颜色;以此类推;再通过递归, 使正方形网格不断细化, 直到达到预期的递归深度。根据以上的Diamond-Square算法也可以生成地形纹理图。经过人工着色之后, 山峰为白色, 山谷为绿色, 两者之间为灰色。

摘要：虚拟现实技术 (VR) 一直是信息领域研究、开发和应用的热点方向之一。地形是自然界最复杂的景物之一。分形地形的生成是三维自然景物模拟的重要组成视景之一。从三维地形的生成方法入手, 重点介绍了基于分形技术的三维地形的模拟生成相关技术.在地形模型的建立过程中, 利用了分形地形建模方法中的中点位移法中的菱形-方形法, 实现了分形地形模拟。上述方法取得了预期的效果, 基本符合工程的要求。

关键词：可视化,虚拟现实,分形地形,中点位移法

参考文献

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虚拟三维场景下渲染技术的研究 第2篇

1 三维场景

1.1 三维的概念

三维是指在平面二维系中又加入了一个方向向量构成的空间系。

所谓三维，按大众理论来讲，只是人为规定的互相交错（垂直是一个很有特性的理解）的三个方向，用这个三维坐标，看起来可以把整个世界任意一点的位置确定下来。原来，三维是为了确定位置。

三维既是坐标轴的三个轴，即x轴、y轴、z轴，其中x表示左右空间，y表示上下空间，z表示前后空间，这样就形成了人的视觉立体感，三维动画就是由三维制作软件制作出来的立体动画，实现再发展的趋势。

所谓的三维空间是指我们所处的空间，可以理解为有前后--上下--左右 如果把时间当作一种物质存在的话再加上时间就是四维空间了。但是不难理解为，你可以在时间里任意往来 回到过去，只是应该理解为"刚才"和"现在"是不同的物质存在，可是你不可能回到"刚才"和"过去"。

三维是由二维组成的，二维即只存在两个方向的交错，将一个二维和一个一维叠合在一起就得到了三维。

三维具有立体性，但我们俗语常说的前后，左右，上下都只是相对于观察的视点来说。没有绝对的前后，左右，上下。

三维技术主要多运用于动漫产业，我国三维动画主要有《探索地球村》（据说是中国第一部三维动画），《魔比斯环》等。

1.2 三维地图

2004年11月，阿拉丁在全球创造性地提出三维仿真城市的概念，并推出全球首个三维仿真网络城市-E都市杭 州。公司从创办之日起，凭借全球领先的三维仿真技术和工艺、一流的创业团队和文化、巨额的风险资本注入，一直保持着高速发展。

通过三维实景模拟的表现方式，E都市网站无缝集成了城市电子地图、三维电子黄页、生活资讯、电子政务、同城电子商务、同城交友、虚拟社区等服务内容。该平台是以一种全新的人性化WEB界面表现，为城市百姓的生活、工作、旅游、出行参考、网上办事、网上创业等活动提供便捷的解决方案；为城市政府机关、事业单位、商家企业提供面向市民宣传互动的快速通道，从而更方便地实现电子政务、地图查询、黄页查询、电子商务、推广宣传等社会活动和经济活动。

E都市的建立和发展，开拓了全球WEBGIS行业应用的新方法和新思路，催生了一个新的技术领域，E都市模式已经成为事实的行业标准。作为中国目前最大的虚拟仿真电子地图，E都市为普通人提供最优秀的电子地图和本地搜索服务；为众多商家提供出了企业标注、地图广告、定位广告、商务地图、API地图租赁等多种产品服务；同时为3000多家合作网站提供了优质的三维位置地理信息服务。

2 渲染技术原理

渲染，英文为Render，也有的把它称为着色，但我更习惯把Shade称为着色，把Render称为渲染。因为Render和Shade值两个词在三维软件中是截然不同的两个概念，虽然它们的功能很相似，但却有不同。Shade是一种显示方案，一般出现在三维软件的主要窗口中，和三维模型的线框图一样起到辅助观察模型的作用。很明显，着色模式比线框模式更容易让我们理解模型的结构，但它只是简单的显示而已，数字图像中把它称为明暗着色法。在像Maya这样的高级三维软件中，还可以用Shade显示出简单的灯光效果、阴影效果和表面纹理效果，当然，高质量的着色效果是需要专业三维图形显示卡来支持的，它可以加速和优化三维图形的显示。但无论怎样优化，它都无法把显示出来的三维图形变成高质量的图像，这时因为Shade采用的是一种实时显示技术，硬件的速度限制它无法实时地反馈出场景中的反射、折射等光线追踪效果。而现实工作中我们往往要把模型或者场景输出成图像文件、视频信号或者电影胶片，这就必须经过Render程序。

2.1.1 渲染单元

渲染管线也称为渲染流水线，是显示芯片内部处理图形信号相互独立的的并行处理单元。在某种程度上可以把渲染管线比喻为工厂里面常见的各种生产流水线，工厂里的生产流水线是为了提高产品的生产能力和效率，而渲染管线则是提高显卡的工作能力和效率。

渲染管线的数量是决定显示芯片性能和档次的最重要的参数之一，在相同的显卡核心频率下，更多的渲染管线也就意味着更大的像素填充率和纹理填充率，从显卡的渲染管线数量上可以大致判断出显卡的性能高低档次。但显卡性能并不仅仅只是取决于渲染管线的数量，同时还取决于显示核心架构、渲染管线的的执行效率、顶点着色单元的数量以及显卡的核心频率和显存频率等等方面。一般来说在相同的显示核心架构下，渲染管线越多也就意味着性能越高，例如16×1架构的GeForce 6800GT其性能要强于12×1架构的GeForce 6800，就象工厂里的采用相同技术的2条生产流水线的生产能力和效率要强于1条生产流水线那样；而在不同的显示核心架构下，渲染管线的数量多就并不意味着性能更好，例如4×2架构的GeForce2 GTS其性能就不如2×2架构的GeForce4 MX440，就象工厂里的采用了先进技术的1条流水线的生产能力和效率反而还要强于只采用了老技术的2条生产流水线那样。

2.1.2 像素渲染

像素渲染可在功能上取代传统的多纹理阶段，它位于光栅化阶段之后。它从光栅器、顶点渲染器、应用程序、纹理贴图几处获取数据。像素渲染器的计算结果可以写入一个渲染目标，然后将该渲染目标设置为后续渲染的输入纹理，这种技术称为渲染到目标。像素渲染器通常输出一个float4类型的值。如果像素渲染器同时对几个渲染目标进行渲染，则最多可以输出4个float4值，这种技术称为多渲染目标。

2.1.3 顶点渲染

顶点渲染可在功能上取代传统的变换与光照阶段，它位于镶嵌阶段之后，剔除与裁剪阶段之前。镶嵌阶段结束后，便将一个顶点数据传递给顶点渲染器，顶点可能包含位置、纹理坐标、顶点颜色、法线等数据。顶点渲染器不能创建或删除顶点，它处理结束后至少要输出顶点中的位置数据。

2.1.4 渲染纹理

色彩是光的一种特性，我们通常看到的色彩是光作用于眼睛的结果。但光线照射到物体上的时候，物体会吸收一些光色，同时也会漫反射一些光色，这些漫反射出来的光色到达我们的的眼睛之后，就决定物体看起来是什么颜色，这种颜色在绘画中称为“固有色”。这些被漫反射出来的光色除了会影响我们的视觉之外，还会影响它周围的物体，这就是光能传递。当然，影响的范围不会像我们的视觉范围那么大，它要遵循光能衰减的原理。另外，有很多资料把RADIOSITY翻译成“热辐射”，其实这也蛮贴切的，因为物体在反射光色的时候，光色就是以辐射的形式发散出去的，所以，它周围的物体才会出现“染色”现象。

虚拟场景生成系统 第3篇

1 计算机模拟训练系统涉及的相关技术

开发面向灭火救援领域的基于计算机的模拟训练系统,涉及两方面的技术基础,一是如何利用分布式网络技术,构建网络环境下“人在回路”的个人技能和多人协同战术仿真训练环境;二是如何利用计算机视景仿真技术,实现虚拟灾害场景仿真。实际灭火救援行动中,现场指挥员和消防官兵需要根据火场中各种建筑设施的形态,烟、火的特征和发展蔓延态势,以及灾害中人(个人或群体)的行为模式,做出相应的人员和灭火装备部署。这种行动映射到虚拟训练空间,可以看作是由“虚拟火场”驱动的训练,由计算机生成的虚拟灾害环境的视听效果和逼真度,将直接影响训练对象的判断和决策,从而影响整个模拟训练的效果。训练组织者应将注意力更加集中到“灾害发生、蔓延状态过程”设计中,将接警、调度出动、任务分配、判断烟火蔓延形势的能力、灭火救援装备运用等实战流程,贯穿于整个训练过程,加强战术意识修养的培训,加强装备技能的使用培训,在模拟实战中锻炼训练对象的战术意识和装备操作技能。

视景仿真技术是计算机仿真技术的重要分支,是通过综合运用计算机图形学、多媒体、信息合成、显示、网络等技术,合成构造出类似真实世界行为特征的一种仿真模拟。合成的虚拟世界可以对用户的输入作出响应,实现实时的交互功能,让用户有置身于虚拟情节中的感觉。视景仿真建模技术和实时渲染技术是可视化仿真技术的基础,实时渲染和交互性是视景仿真两个最基本的特征。利用视景仿真技术动态生成二维或三维交互式虚拟灾害全景或局部场景,涉及到的关键技术包括虚拟灾害环境的建模技术、烟火等特殊效果的实时渲染技术、视听渲染合成技术等。总的原则是在满足实时性的前提下,尽可能真实,使训练对象产生身临其境的感觉。

目前,在视景仿真领域,场景建模技术主要有基于几何图形的渲染技术和基于图像的渲染技术。基于几何图形的建模技术是以计算机图形学为基础,用多边形构造虚拟对象三维几何模型,然后进行纹理映射、模型的可见消隐和控制参数的设定等。采用几何图形建模方法,从场景的几何模型出发构建场景,三维特性非常突出,逼真度高,但随着场景复杂度增加,所需处理的数据量和计算量迅速增加,制作过程复杂,制作维护成本和对软硬件运行环境要求很高,要达到实时要求,还需要降低场景逼真度,因而不利于在消防部门大面积推广应用。

基于图像的建模技术,主要是针对现实世界已经存在的客观对象,利用照相机采集的静态图像或摄像机采集的动态图像等预先生成好的真实感图像作为基础数据,通过一定的插值、混合、变形等图像处理操作,在计算机上生成不同视点处与实际视觉效果一致的二维虚拟世界。此建模方法较适合真实自然场景的仿真,无需知道复杂场景的完全几何模型,需要的仅是与此场景有关的一些真实感图像。图形的绘制与场景复杂度相互独立,从而彻底摆脱几何图形建模场景复杂度的实时瓶颈。在这种技术中,绘制真实感图像的时间仅与图像的分辨率有关。预先生成好的图像是通过对真实场景摄影得到的真实照片,由于这个步骤是在预处理阶段进行的,因而构造足够复杂的场景不需要考虑时间因素,且真实度非常高。最重要的一点是,该方法对计算机的要求不高,可以方便地在通用PC机上实时生成真实感图像。

基于图像的绘制技术,能较好地解决场景的快速、简单建模和逼真性问题。笔者提出,采用基于图像的建模技术,结合数字图像合成技术,研究和开发专用的方法,用于处理各重点单位和场所的数字化图像,从而可以快速生成动态虚拟火场和其他应急救援场景。将虚拟灾害场景的简单、实时、快速建模和仿真,即开发、实现并提供一个虚拟灾害场景编辑工具平台,作为构建以场景为中心的灭火救援模拟训练系统的基础和目标。

2 虚拟灾害场景模型定义

(1)场景。

所谓“场景”,从静态来看,是真实世界在时、空域上映射的一个点或区域。从动态来看,表示在一个特定空域和特定时域内,人或事物的行为随时间发展变化的过程,用S表示。由定义可见,场景具有时间特征和空间特征,场景中应包括人、事物,以及他们之间的相互行为等,因而还具有实体特征和行为特征。场景是客观存在的,但需要通过人或观察者的感知才能反映出来。

(2)元素。

构成场景的基本要素、对象或单元,是场景实体特征和实体行为特征的具体表现,用E表示,S={Ei}。场景由多个元素组成,每个元素都是场景中的一个独立实体,不同的元素拥有不同的属性,反映不同的行为,执行不同的功能。

(3)窗口。

窗口是人或观察者对场景的感知,是观察者从某一特定的视角所观察到的场景及对该场景的可视化描述,用W表示。在窗口中,构成场景的元素和元素之间存在前后层次关系,形成遮挡效果,并且描述同一场景的同一元素在不同窗口中的效果并不相同。

(4)场景序列。

针对特定空间区域,多个场景按照时间流顺序组成的场景集合。是对人或事物的行为在一个时间段内发展变化过程的描述,是时空域上映射的一个特定区域。用S1,S2,…,Sn表示。多个场景的组合形成一个连续的变化过程。

(5)场景通道。

表现或展示一个特定完整的场景序列的场所。在场景通道中,可以描述人或事物的行为随时间从开始发生、发展蔓延到结束的完整的过程。用SCi={Sn}i表示第i个场景通道。

结合上述场景模型概念定义,针对构建灭火救援虚拟场景的特殊要求,笔者设计了虚拟灾害场景文件结构。火灾或泄漏事故的发生、发展、蔓延和灭火救援的过程采用项目场景文件保存和描述。

所谓场景文件,即采用特定符号描述的一个或多个相互独立的“场景通道”及其中的“场景序列”的集合,是以单个名称在计算机上存储的关于灭火救援虚拟场景通道和场景序列组成信息的符号集。用SF=[ SC1 ,SC2 ,…,SCi ,i=1,2,…,m ]= [{Sn}1 ,{Sn}2,…,{Sn}i ,i=1,2,…,m]表示。构成场景文件的不同场景通道中的场景或元素相互独立,互不干扰。

训练项目场景文件包含N个场景通道,表示此次灭火救援训练由N个子任务组成。场景在各个通道可以同时独立工作,相互对应,而又不互相干扰。每个通道包含不同的场景序列(M层)。总共有N×M个场景。根据子任务内容不同,N个场景序列的层数也可以不同,即M可以是i,j,k,m等。每个场景由4个窗口组成,表示从不同的视角观察场景。每个窗口包含大量不同元素,每个元素都是场景窗口中的独立实体,元素和元素之间存在前后遮挡关系,对某个元素属性或行为的控制不会影响其他元素。任何一个场景,都可以看成是由随时间变化不大的背景性静态元素,与随时间变化较大的前景动态元素进行叠加合成。场景、窗口、元素的属性,可以由用户动态编辑和控制。例如,通过线性(时间流、键盘控制)和非线性(导航控制)方式,可以控制场景序列的显示播放顺序和过程,体现场景的时间特征和行为特征。

3 基于数字图像合成技术的虚拟灾害场景构建方法

根据上述虚拟灾害场景模型,笔者使用图像建模和合成技术,体现场景的空间特征。对构成灭火救援虚拟场景的各种元素进行分类,对于背景性的、随时间变化不大的元素,利用数字静态图像或动态视频图像快速获取或建模;而将随时间变化较大的(如烟、火蔓延效果等)元素进行效果定制。最后通过图像合成和融合,构造出一个虚拟灾害场景。

3.1 数字图像合成技术

图像合成是指把两个或两个以上的视频或图像信号通过加工处理,叠加或组合在一起,创作出新的图像效果。数字图像合成主要是以层混合的方式来实现,即对存储各层图像信息的计算机帧存储器中的对应像素数据,进行各种方式的合成运算。数字图像合成主要包括3种方式。

(1)Alpha混合方式。

在帧缓存中,每个像素以R、G、B-Alpha 32比特结构存储,其中Alpha通道为8比特的透明度控制信息,可用作键信号。合成时,前景和背景按比例融合:合成图像=前景图像×Alpha/255+背景图像×(1-Alpha/255)。

(2)遮罩合成方式。

合成原理与Alpha混合方式相似,但遮罩是以独立层的形式参与合成,控制前景、背景的合成比例,而不是附属于前景图像的一个通道信息,因此应用更加灵活。

(3)三维空间合成方式。

三维空间合成又称为深度键合成,作为合成控制信息的Z轴数据即为深度键。处于三维空间中的各图像画面因观察视角的不同,因各自所处位置、角度即深度信息的不同会产生不同的遮挡关系、透视关系、聚焦关系和阴影,与二维合成相比较,能够产生空间感、透视感更强的合成画面。

笔者采用的主要是Alpha混合方式实现虚拟灾害场景的合成。

3.2 基于图像的虚拟灾害场景元素分类与创建

元素是构成可视化场景窗口的最小单元和实体。为实现基于图像的虚拟灾害场景的创建,笔者将元素类型分为背景、音效、前景动态和过渡等元素,按树形结构组成,见图1所示。元素的定义和生成是开放的,背景元素是用户根据生成虚拟灾害场景需要所采集的素材,由用户使用数码摄像机或数码照相机根据需要拍摄而成,可以是城市建筑物、石化企业生产车间或平台、地铁、飞机、汽车等有可能产生爆炸、燃烧、烟雾、液(气)体泄漏的场所,或所有消防部队及应急救援单位所需关注的重点保护单位定制的数字化照片或视频。音效元素是典型灾害现场常见的各种声音效果文件,如燃烧、爆炸、射水、排烟、人群呼救、消防车、救护车警笛等,可由用户根据需要定制采集,以*.wav格式保存。前景角色元素决定场景随时间动态变化的效果,其中的烟、火、水、泡沫等动态特效元素创建过程为:在3DSMax下利用AfterBurn、Phoenix等烟火特效插件调试出各类火焰、烟雾等动态效果,并输出64帧连续的带Alpha通道的*.tga格式静态图像序列。采用笔者自定义类型文件存储图像序列,按照一定的顺序和速度循环显示,实现动态效果。动态特效元素可随系统应用需求定制化的添加和扩展。

在3DSMax应用烟火特效插件生成烟火动态效果时,由于插件采用的是粒子系统来模拟动态效果,为了使效果更加逼真,粒子的运动特性加入了很多随机因素,因此这些动画序列无法做到严格的循环效果,导致动态效果在与背景合成的播放过程中会产生跳跃式突变,严重影响实际效果。笔者通过动态设置每一帧的透明度因子解决这个问题,使前后两个循环之间有一个重合区段,在前一个循环进行线性淡出的同时后一个循环进行线性淡入,从而消除切换跳跃,形成无缝连接的循环效果。

作为静态前景角色元素,图片(图标)元素是任意分辨率的TGA图像文件。用户可以根据应用需求,将数码相机拍摄的照片利用图像处理软件(如PhotoShop等)进行前期预处理后分类保存,进行场景效果合成处理。例如,可以拍摄各类消防车辆、器材、人员的数字照片,预处理后分类保存,将其与静态背景元素、动态特效元素合成后,即可构成动态的灭火和应急救援处置场景。图片、图标元素也可以作为场景的背景,但其与静态背景图像元素的不同之处在于,图片、图标元素之间进行切换时,可以产生各种过渡效果。因而,使场景的背景变化产生动感。图片和图标元素之间的区别在于,原始图片元素可由数码相机拍摄获得,而图标元素由用户利用图形处理软件绘制输出。

过渡元素决定场景中前景元素和背景元素的融合效果。目前,仅包含“遮挡效果元素”一类。按正常情况,背景元素处于整个场景的最底层,前景元素叠加在背景元素之上,因而前景元素所占区域,遮挡了背景元素而使之不能显示。在添加“遮挡效果元素”后,通过调节遮挡效果的区域形状,可以将该区域的背景元素效果显示,而遮挡住相应的前景元素效果,从而产生前景和背景相互遮挡的效果。

所有元素属性均包括位置、尺寸、方向、颜色属性,控制元素的实体特征,也包括开始方式、开始时间、开始热键、淡入时长、结束方式、结束时间、结束热键、淡出时长、播放方式、播放速度、跳转场景等行为特征属性,控制元素的行为特征。

按照上述场景结构和元素类型合成的虚拟建筑火灾可视化窗口,如图2所示。

4 基于图像的灭火救援场景生成编辑系统的实现

为快速创建灭火和抢险救援训练虚拟场景,笔者设计了基于XML的灭火救援虚拟场景标记语言VFSML,用于编写以上训练项目场景文件,描述虚拟灾害场景的构建;开发了可视化的灭火救援场景生成编辑系统和场景播放系统。训练项目场景文件既可采用编辑系统“所见即所得”生成,也可以采用任何一个文本编辑器,如Windows操作系统下的“记事本”和“写字板”程序生成,只要文件内容符合VFSML规范,就可以用播放系统播放演示。

为了实现用户交互式控制各通道中的场景序列流程,场景切换,可以以三种方式执行。一是按时间“自动切换”方式。每个场景都设置一个可编辑的“持续时间”属性,场景按照该属性设置的时间长度演示后,自动转换到下一个场景;二是“键盘切换”方式,可以为每个场景设置切换热键,场景持续播放演示,直到切换热键被激活,才转换到下一个场景;三是“导航跳转”方式,场景“切换方式”属性设为“不跳转”,通过在场景中添加一些文字或图标元素,这些元素设置有可编辑的“跳转目标场景”和“跳转热键”属性。此时,场景将持续循环播放演示,直到跳转热键被激活,直接转换到跳转目标场景,实现场景的非线性切换。为了实现场景的快速编辑和生成,场景、窗口都具有继承属性。

5 结 论

在国外,基于图像合成技术的灭火救援模拟训练系统得到广泛的应用,如美国Digital combustion Inc.公司的Fire Studio、CommandSimTM公司的CommandSim Fire、Stageit、GFT等,都是通过在实景照片或视频基础上,通过叠加烟、火、水等动态元素特效,构建基于真实照片级的火灾和危险品泄漏处置虚拟灾害场景,帮助消防队员和FEMA救援团队开展协同训练和实践指挥技战术、控制、通信和ICS能力。

笔者提出将灭火救援过程视为由多个随时间变化的场景构成,定义了虚拟灾害场景模型,设计了基于数字图像合成技术的虚拟灾害场景构建方法,开发了基于图像的灭火救援场景生成编辑系统。用户根据需要,以辖区重点单位各部位的数字图像为背景,加入动态的火、烟、泄漏气体和消防装备、音效等前景元素,并修改编辑各元素的属性、层次特征,就可以快速生成一幅动态场景。多个场景按照一定的顺序和时间播放,即构成了一个真实感强、形象直观的虚拟火灾或危险品泄漏过程。

基于图像建模技术构造的动态虚拟灾害场景, 以实地为背景,逼真度高,构建简单快速,既适合基层部队用于灭火救援预案的制定,火灾事故案例分析和讲评,又适合部队开展各类场所的针对性模拟训练,从而可以为训练指挥员的通信、指挥、协调和控制能力,提供强有力的技术支撑。

参考文献

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