警用三维快速建模仿真系统研发及应用示范项目可行性报告Word格式.docx

警用三维快速建模仿真系统研发及应用示范项目可行性报告Word格式.docx

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总之，借助方便易用的三维快速建模和仿真平台，可帮助公安人员更为合理地设计复杂建筑物中疑犯的抓捕方案、大型建筑中的人群疏散预案、地震火灾时大型建筑中的人员脱逃路线、高层建筑物的救火方案，以及现场相关人员实时了解案情进展并迅速制定恰当的应对方案等等。

面对公安系统对三维快速建模与现场实时仿真的迫切需求，国内外还没有成熟的技术手段，可以依据少量的已知图像或描述信息来快速准确地重构警用场景模型，并提供和谐的人机交互界面，以方便广大公安干警等非专业人士使用。

同时，面向警用对象的动态仿真应用也尚未开展，其主要原因在于面向该领域应用的实时仿真技术尚缺乏足够的领域智能技术支持。

因此，研发面向警用的三维快速建模与实时仿真系统意义重大。

项目的成功研发将有帮于警员快速有效地分析突发公共事件的真实场景，制定应对方案和启动快速反应机制。

系统的核心问题是正确地建立突发事件场所的室内外场景；

刻画出突发事件的主要真实情景；

模拟事件过程中可能出现的后果；

在安防部门内部快速传递现场真实信息。

本项目拟在近年来虚拟现实领域、计算机图形学领域以及分布式计算技术研究与发展的基础上，突破警用快速建模与动态实时仿真的若干关键技术，包括警用场景的三维快速建模、警用动态对象仿真、场景的实时绘制与渲染等；

研发界面友好、开放软件体系架构的三维快速建模和动态实时仿真系统，并在公安部门建立应用示范。

二、国内外研究现状和发展趋势

本项目目标是面向警用领域研发三维快速建模与动态实时仿真系统，为重大事故与案件的现场分析、情景重现或案情预演提供平台，并在应用单位建立分布式、开放式的应用示范系统。

面向警用的三维快速建模和动态仿真是本项目的两大核心问题，迄今为止，国内外研究和应用领域都做了大量的相关工作。

1.快速建模技术

快速建模技术是计算机技术研究的重要领域，从二十世纪六十年代开始到现在，已经发展成为重要的研究领域和工业产业。

根据操作内容和处理流程的不同，可以将当前的主流造型技术分为：

交互式建模、描述式建模、和数据驱动式建模三类。

其中应用最广泛的就是交互式造型，现有主流三维造型软件如3DMAX、MAYA、AutoCAD、GoogleSketchUp等都是基于交互式造型的。

所谓交互式造型，通常是提供一个三维交互建模平台，用户通过鼠标及键盘交互地操作各类几何元素，进行各类几何编辑，最终形成目标模型。

这类软件一般都提供了对点线面的基本操作，比如复制、移动、删除、变换、拉伸等等。

通过这些简单的操作，就能构造出较为复杂的几何图形。

1980年代发展起来的自由变形技术，到近年来的网格曲面多分辨率方法等，不断地丰富着交互式造型。

此方法在给予了用户很大灵活性的同时，也带来了操作量大，建模效率不足的问题。

描述式造型方法通常采用命令行或者脚本等形式来描述对象，再由建模系统将其转换为内部造型指令，最后生成目标模型。

这种方法通常采用的是过程化建模，最早起源于过程式的纹理图像生成技术。

后者发展于80年代，采用精确的过程式脚本描述，可以生成各种木材、云彩、石料纹理，以及各种材质的绘制效果。

A.Lindermayer最早在其多细胞生物的建模论文中引入了L-系统概念。

对于植物的几何建模，Prusinkiewicz和Lindenmayer展示了可以通过使用L-系统来生成可以由类似于LOGO语言的小乌龟来解释运行的字符串。

在结构方面，形状语法被非常成功地运用在结构化设计中的构造和分析上。

最初的形状语法直接对标注过的线和点进行操作。

然而，这种派生过程因其本质而变得复杂，并且通常由人手动完成，或者由人来决定使用的规则，再由计算机完成。

形状语法简化后可以使语法变得更易于用计算机实现。

描述式造型方法没有交互式造型的直观性，掌握命令行或者脚本相对困难，但是其执行的效率很高，且更易精确地描述模型的属性。

数据驱动式造型侧重于数据重用，与前两类造型方法有很大不同。

这类方法出现的主要原因是由于现有的几何造型系统生成的大量遗产数据存在，而同时新兴的三维扫描与重建技术的发展使得真实世界的几何数据获取变得更为方便。

此类方法有很好的造型性能，但是其造型范围受限于后台驱动的模型数据库。

这三类方法优缺点各异，见表1，但都不能同时达到操作简单、建模效率高、精度合适的效果，直接应用于警用快速建模，都存在着不足，因此探索新的三维造型方法很有必要。

表1三类主流造型技术的特性比较：

造型方法

原始数据

交互工作量

建模效率

适应面

应用领域

交互式

不需要

中等至高

较低

广

各类模型

描述式

抽象描述

少

高

较窄

植物、建筑

数据驱动式

具体数据

中等

动漫、机械

2.动态仿真技术

动态仿真技术在工程领域及虚拟现实领域研究十分广泛，因应用领域的不同而存在差别。

在工程领域，动态仿真需要较高的模拟计算精度，因而主要基于物理学、力学相关规律，考虑具体的仿真对象建立数学模型，求解得到仿真结果，由于考虑影响因素较多，计算精度要求高，因而计算速度较慢，一个大型的结构对象的动态仿真计算即使采用分布式计算也需要几小时、几天甚至几十天的时间。

在虚拟现实领域，对象的动态仿真发展了两大类方法，非物理的方法和基于物理的方法。

非物理的方法主要采用几何等方法进行动态对象的仿真，这类方法的优势在于计算速度快，但是对于警用领域而言，劣势也比较明显，因单纯依赖计算机辅助几何分析等理论，难于结合对象的材料等属性进行仿真，从而即使仿真结果视觉上比较逼真，模拟结果上也达不到应用需求。

基于物理的方法主要采用物理学、力学规律，建立数学模型，与工程领域方法相比，该类方法同时结合虚拟现实自身发展的算法，通过求解控制方程模拟对象的运动效果。

该方法因其遵循或近似地遵循物理规律，从而容易对对象施加材料属性等信息，使得模拟结果相对于非物理的方法更加真实，但对于警用实时应用而言，目前的技术手段对大规模对象或场景的动态模拟，计算速度较慢，不能满足需求。

根据警用领域的实际应用特点，本项目研发目标是既符合物体运动规律，又能做到实时仿真。

因此必须探索新的仿真策略和方法，以实现警用动态对象的实时仿真。

3.国内外快速建模与动态仿真的应用发展

快速建模技术在诸多领域有广泛的应用，已经成为各种计算机辅助分析软件中的核心模块之一。

主流通用建模软件很多，如Maya、3dsMAX等通用的建模软件。

但对于公安系统的警员来说，由于这些软件需要许多专业知识，操作复杂，不便于现场应用，培训也需要大量的物力和人力。

这些导致了另一个问题，即建模的效率较低。

另外，普通CAD软件的普适性使得用户在使用其软件生成建筑模型的时候要做很多细化的工作，严重影响了建模效率。

同时，在推行软件正版化、社会越来越尊重知识产权的今天，CAD软件的高昂费用也成为了各用户的一大负担。

动态仿真技术主要应用领域之一是分析软件，如Ansys、Fluent等，这些应用软件的优势是计算精度高，不足在于计算速度低。

在虚拟现实领域，动态对象模拟多用于数字娱乐的游戏、影视制作的特技等，这些应用一般仅要求视觉真实，不考虑精度问题。

快速建模与动态仿真技术应用于公共安全领域的探索，国内尚处起步阶段，率先进行系统的应用探索的是中国科学院计算技术研究所，2006年，王兆其研究员主持的“十一五”863项目“支持大型公共设施安全问题研究的虚拟现实系统研发”项目，对面向大型公共设施安全问题研究的虚拟现实系统进行研发，为大型公共设施安全危机处置预案模拟、可视化编辑与辅助论证分析提供平台。

该项目主要服务于事故处置预案，所以对建模与仿真的实时性要求不高，因此如将其项目成果直接应用与公安系统，也不能满足警用的简便、快速建模与仿真需求。

综合国内外研究与应用现状，本项目重点突破面向警用的快速建模与动态仿真技术，实现警用实时的交互式快速建模与动态仿真。

项目中建模方法与已有软件的交互式建模方法有一定不同。

平台牺牲将一定的建模对象的普适性，使其设计专门面向于警用建筑结构室内外环境的生成，用户不必拘泥于场景各个部件的精细造型，从而用户可以从一些无关的细节中得以解脱，将精力重点放在室内外环境的整体架构上，表达用户真正想表达的信息。

在动态仿真过程中，对动态场景基于警用标准规范采用示意性和物理仿真引擎相结合，研发快速模拟方法，实时仿真警用对象的关键性的运动行为。

在具体的研发过程中采用建模仿真的多层次处理，注重软件操作界面的简单直观、建模的高效和软件平台的易扩展性。

三、研究开发内容、技术关键及主要创新点

（一）研究开发内容

为满足公安系统在处理突发刑事案件、火灾、交通事故等时现场应急决策和提早预案需求，本项目研发警用的三维快速建模与动态实时仿真系统，突破其中交互式快速建模、实时动态仿真、大规模场景实时绘制等关键技术，建立分布式、开放式软件平台，并建立应用示范。

具体而言，本项目的研发内容包括：

1）警用交互式快速建模

三维快速建模是本项目的核心，具有基础和支撑性作用，是后续动态实时仿真的基础，也是警用信息管理的对象之一。

快速、准确地建立刑事案件、火警消防场景的模型，才能够使得后续仿真得以有效实施，换而言之，警员才能正确获悉环境和现场的可靠信息，做出正确的应对决策和预案。

因此，交互式快速建模技术是本项目研发的重点。

本项目中的建模首先必须快速，其次是要能准确地反映事件的实际环境。

结合公安系统实际需求，重点研究如下三方面：

a.对于建筑物室内外结构建模，采用面向警用领域的形状文法描述，重点研发基于单幅参考图像的三维建筑草图建模算法。

研发基于草图交互的单幅二维图像照相机参数快速推测技术，基于草图交互的三维建筑模型分析方法。

研发根据用户输入的二维手绘勾画线预测三维自由网格曲面的方法。

b.对于场景的动态模型，包括人、交通工具、作案工具等，重点研发个性化标注与参数化模型库建立和应用技术。

根据警用的特点，结合相关规范，对重要模型采用特征化网格表面模型、网格实体以及采样点模型建立。

对于场景中的次要对象和非仿真计算应用对象，采用个性化标注方式进行建立，以提高建模的效率。

c.研究三维场景模型的底层特征提取，包括建筑模型的内在几何特征以及几何重要度（geometricsaliency）计算；

研发场景中模型的整体特征分析，探索基于草图交互的提取模型对称性以及其他结构信息的快速算法。

2）突发事件场景的动态仿真

定性与定量地对突发事件中对象进行仿真，对突发事件的下一步发展趋势进行有效地预测，实现重大案情、事件的重现、还原以及