虚拟场景中污染气流扩散的仿真技术研究

摘要

随着我国工业的不断发展，工厂废气产生的大气污染日益严重。污染扩散可视化将有助于大气污染的科学管理，为环保部门提供直观、科学的分析手段。然而，建立污染扩散可视化场景涉及许多问题。虚拟场景的构建首先要进行三维地形仿真，然后，在场景中模拟污染气流扩散，针对这种复杂场景，需要对绘制时的真实感与实时性进行平衡处理。为了满足用户在场景中的沉浸感，还要对系统进行优化处理实现可漫游功能。本文在认真分析和总结相关工作的基础上，进行了如下的研究工作： 第一，本文研究了一种基于位图获取高程构建三维地形的方法，这种方法便于地形的获取和修改。对于位图中忽略掉的地形风貌，本文采用分形技术中的Diamond-Square算法对网格点进行融合，使山体地形更加符合自然特征。 第二，本文采用高斯扩散模型描述高架点源的浓度场，基于粒子系统对污染气流的运动过程进行了模拟。由于采用固定粒子大小绘制烟雾的常规方法实时性和真实感不够高，本文则提出随粒子在浓度场中的位置移动改变空间粒子的大小、颜色与透明度，既实现了烟雾生成的逼真效果，又达到了降低粒子数量的目的。 第三，本文采用OpenGL的显示列表、双缓存技术提高了场景绘制的实时性，采用Billboard技术增加了粒子团的三维效果；另外，针对粒子系统绘制烟雾受空间范围限制的问题，本文根据流体力学方程建立污染物扩散的模型，对Jos Stam提出的二维烟雾模拟方法进行了改进，实现了大范围区域的污染扩散可视化。 第四，以某一地形场景为背景，建立了一个用键盘进行交互的漫游系统。针对在大范围场景漫游时系统的性能要求，本文对场景实时调度、层次细节模型、消隐裁剪处理等方面进行了研究。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1虚拟现实可视化研究水平

1.2.2虚拟场景实时渲染技术现状

1.2.3烟雾流体模拟的研究现状

1.3与开发平台相关的技术

1.3.1VC++简介

1.3.2 OpenGL技术简介

1.4论文组织

第二章虚拟场景中三维仿真地形的生成

2.1基于位图图像的三维地形数据的提取

2.1.1算法的基本原理

2.1.2位图文件的形式与结构

2.1.3初始化工作的实现

2.1.4高度转换

2.2使用分形技术生成和处理真实感地形

2.2.1分形几何原理及算法

2.2.2分形地形的参数取值

2.2.3分形地形与规则网格点的融合

2.3小结

第三章基于粒子系统的污染气流扩散仿真

3.1连续高架点源扩散模型

3.2污染气流扩散的粒子系统设计

3.2.1污染气流粒子发射器的设计

3.2.2粒子的运动过程

3.2.3粒子的绘制

3.3粒子系统的具体实现

3.4实验结果

3.5小结

第四章污染扩散三维场景的实时绘制技术

4.1基于OpenGL的三维场景建模方法

4.1.1显示列表技术

4.1.2双缓存技术

4.1.3视角变换的实现

4.2 Billboard技术的应用

4.3大范围内气体扩散的俯视观察

4.3.1流体力学方程

4.3.2污染扩散二维浓度分布

4.3.3实验结果

4.4小结

第五章污染扩散可视化漫游系统的设计与实现

5.1系统平台的总体框架

5.2系统优化

5.2.1场景实时调度管理

5.2.2 LOD技术

5.2.3消隐和裁剪处理

5.2.4碰撞检测技术

5.3系统浏览设计

5.4小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果