流体网站评估

第35卷第1期2012年1月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGYVol.
35,No.
1Jan.
,2012收稿日期:2010-10-25作者简介:胡香(1974-),女,新疆伊宁人,工程师,硕士,2010年毕业于信息工程大学人文地理学专业,主要从事地理信息工程与战场环境仿真研究工作.
基于流体仿真的战场特效表达研究胡香,王艳玲,郑文军(69028部队,新疆乌鲁木齐830006)摘要:以计算机仿真为基础的战场态势表达为用户提供了一种有效的空间认知手段.
流体是战场环境的重要组成部分,基于流体仿真的战场特效表达有效地提高了战场环境模拟的逼真效果,并为用户研究流体类实体对战场态势的影响提供了可能性.
本文讨论了基于流体仿真的战场特效的表达方法、数据模型和可视化模型.
关键词:流体仿真;战场特效;数据模型;可视化模型中图分类号:TP391.
9文献标识码:B文章编号:1672-5867(2012)01-0105-03ResearchontheRepresentationofBattlefieldEffectsBasedonFluidSimulationHUXiang,WANGYan-ling,ZHENGWen-Jun(PLA69028Troops,Urumqi830006,China)Abstract:Battlefieldsituationrepresentationbasedoncomputersimulationprovidesaneweffectivewayforusers'cognition.
Whileflu-idisanimportantpartofthebattlefield,therepresentationofbattlefieldeffectsbasedonfluidsimulationwillimprovethevisualizationeffectsofthesystemofbattlefieldsituationandwillbringpossibilitiesofresearchontheeffectoffluidonthebattlefieldforusers.
Thispaperdiscussestherepresentationmethods,datamodelsandvisualizationmodelsofbattlefieldeffectsbasedonfluidsimulation.
Keywords:fluidsimulation;battlefieldeffect;datamodel;visualizationmodel0引言战场环境仿真旨在追求一种战场态势信息的近真实呈现模式,并且通过该种模式的应用,使指挥员能够在较短的时间内获取需要的信息,准确掌握战场的态势,这就要求战场环境中一切对作战活动有影响的要素都必须准确地呈现出来,这样才能够使得指挥员在认知战场态势时能够最大程度地利用其在现实世界中形成的认知习惯,有效提高认知效率.
流体是战场环境的重要组成部分,对战场态势表达有不可忽略的影响.
通常情况下,这类要素大都不具有直观的外表,无论在物理上还是在数学上,都难以通过确定的描述手段对之进行描述,如烟雾、云彩、火焰、爆炸和水流等.
当前大多数的战场环境仿真系统对流体对象的表达尚不够成熟.
当前战场环境仿真领域通常将流体类对象归为战场特效,对战场特效的表达大多停留在浅层的粒子系统应用方面,虽说在视觉效果上该种表达手段基本能够满足认知需求,但在更高层次的应用(如仿真数据分析、基于实体物理数据模型驱动的仿真应用)方面,粒子系统尚有很大的局限性.
流体仿真理论是专门研究模拟流体存在与运行过程的理论,它根据流体的物理属性建立准确的流体模型,进而对流体作用信息进行准确的表达.
本文探索运用流体理论对水流、烟雾等战场特效进行表达.
1流体仿真基本理论介绍流体是指在剪应力作用下能产生连续变形的物体.
流体的特征包括:具有流动性;抗剪和抗张的能力很小;无固定形状;随内部或外部固体障碍物的分布和运动而变化;在外力作用下其内部发生相对运动.
流体的这些特征使其在物理形态上具有独特性,便于用户识别.
在对流体对象进行表达时,必须体现出以上特性,使得用户在通过虚拟场景对对象进行认知时,获取的认知结果与其在通过现实对象进行认知时获取的认知结果一致,即达到认知过程的最大相似性.
1.
1流体的特征流体包括液体和气体.
液体和气体的共同特点是只有体积压缩弹性,没有拉压弹性和剪切弹性,都具有流动性.
不同点是,液体具有一定体积,几乎不可压缩,黏性大;气体没有一定体积,它总是充满整个容器,容易压缩,黏性小.
当流体流动时,各流层之间存在着阻碍相对运动的内摩擦力,这就是流体的黏性[1].
流体在运动过程中不可避免受到阻力而产生能量损失,产生阻力的内因是流体的黏性和惯性,外因是与流体接触的固体壁面对流体的阻滞作用和扰动作用.
在研究流体问题时,如果流体的可压缩性、黏性处于极次要地位,就可把实际流体视为理想流体,从而使问题简化.
1.
2流体的运动流体的运动是整个流体仿真的基础,最早人们采用简单过程函数来描述流体的运动,缺乏物理基础,难以取得令人信服的流动效果.
只有追溯流体现象本身的物理根源,才能真实再现其外在的视觉现象.
目前流体运动的仿真大多基于流体动力学,在计算机上实现这种基于物理的流体运动仿真主要有两种方法.
1)拉格朗日的追踪法这种研究方法追踪每个流体微元的运动,根据动力学方程和初始条件求得微元的运动学方程和运动轨迹.
流体微元的运动轨迹叫流迹,不同微元由于初始条件不同,流迹也不同.
2)欧拉的速度场法这种研究方法把注意力放在流体流动的空间,观察各个流体微元经过空间各点的流速,每一点都对应一个流速矢量,这些流速矢量构成流速场,流线、流管就是在这种方法中采用的概念.
1.
3流体的渲染流体的渲染不同于普通的地物地貌的渲染,这是由两个原因决定的:一是因为流体是体数据,基于表面的渲染不能满足需要,必须要用基于体数据的渲染方法;二是因为流体光照模型比较复杂,必须建立合适的基于物理的光照模型,才能取得逼真的视觉效果.
2战场环境流体仿真表达体系的基本要求使用粒子系统实现流体仿真是常用的方法,这种方法原理简单、易于实现、运行效率高,可以满足大部分特效的视觉需求.
然而,基于真实仿真数据驱动的战场特效要素表达要求特效实体的运动尽可能保持与现实实体运行规律的最大一致性,并根据这种一致性,推算该实体对整个作战活动造成的影响.
显然,基于视觉引导的简单粒子系统技术并不能满足该类需求,必须探索利用流体仿真理论构建真实的战场特效表达体系,构建具有一定物理基础的复杂粒子系统或其他数学模型,对战场流体类实体进行可靠的视觉呈现.
与基于简单粒子系统的战场特效不同,基于流体仿真理论的战场特效表达体系能够更好满足人们对战场环境的认知,它除了在视觉上要求流体的形态变化和光照效果必须令人信服外,还需要满足三个基本要求.
1)可进入基于流体仿真理论的战场特效实体在内部由大量离散的小型实体单元构成,该类小型实体单元是具有不同属性的、与特效整体完全不同的独立仿真单元,这些独立仿真单元相互作用,共同构成特效整体.
战场特效实体的这种特性不仅使人们认知流体的整个外观,而且可以进入流体内部,观察到流体内部的密度变化和涡流运动,并透过流体模糊地看到战场环境中的其他目标.
2)与战场环境紧密集成作为战场环境中的一类实体,流体不是独立存在的,它的呈现必然与战场环境中其他要素紧密相关,流体在外部地形地貌障碍物的限制以及受外力的影响下的运动形态不但符合现实自然情况,而且表现细节层次也必须与整个系统匹配.
3)实时流体的运动以及对整个作战活动造成的影响在系统运行前是未知的,它在不同战场环境以及用户交互操作下的行为无法预见,只受其背后物理规律的控制,这就要求对系统中的流体仿真必须实时进行,其延迟必须在可承受的范围内.
3战场环境中流体类特效的表达战场环境流体类特效的表达分为战场特效实体数据的仿真表达与战场特效的可视化表达两个方面(如图1所示).
战场特效数据的仿真表达主要进行战场特效实体仿真数据的生成与校验,是整个战场特效流体表达的基础.
战场特效的可视化表达主要对数据表达阶段生成的数据进行可视化表达,是整个表达的显示终端,直接面向用户的认知过程,具有非常重要的地位.
图1战场环境流体类特效表达Fig.
1Representationofbattlefieldfluideffects3.
1战场特效的数据表达战场特效数据的仿真表达是整个仿真过程精确进行的基础和前提,数据的有效性直接影响着后期的可视化表达的效果.
因此,战场特效表达的关键在于依据流体相关理论构建真实的战场特效表达数据模型.
战场特效实体不具有自主的特定外形特征,其存在状态随着外部影响因素的变化而变化.
因此,构建战场特效实体的数据仿真模型,也就是构建影响战场特效实体的外部影响因素的仿真数据模型.
依据流体仿真理论中流体影响因素的界定,充分考虑战场环境中战场特效影响因素的个性,本文将影响战场特效实体的外部影响601测绘与空间地理信息2012年因素划分为以下几类,作为构建战场特效实体数据仿真模型的基础.
1)地形地物影响因素战场环境中的地形地物对经过的流体的运动产生阻挡、拖滞等影响.
地形地物的形状、分布以及与流体的位置关系直接影响流体的表现,通过对流体仿真模型中边界条件的设定来处理地形地物对流体运动的影响.
2)自然外力影响因素大气运动状态和重力是自然界影响因素,它们是普遍影响因素,对场景中任何战场特效都有影响,是所有特效仿真必须要考虑的因素,其具体描述遵从流体仿真理论.
3)机械性影响因素机械性影响因素为个别性影响因素,该类影响因素针对不同的仿真特效实体,具有不同的内容.
但它们有一个共同的特点,即该类仿真影响因素一般都是主观性的,如果存在非客观的自然界影响因素,例如战车或飞机快速穿越流体时,流体的运动受到扰动.
3.
2战场特效的可视化表达拉格朗日追踪法或欧拉速度场法实质上是确定了构成战场特效实体的所有离散小型实体在每一时刻的空间位置,接下来的任务是将它们呈现在显示器上.
战场特效的可视化表达需要解决两个问题.
1)离散小型实体的可视化表达战场特效实体的最终效果是通过对所有构成它的离散小型实体的渲染实现的,对每一个小型实体,选择哪一类图元以及图元纹理由系统本身和流体本身的特点确定.
除了确定图元形态外,光照效果的可视化表达是影响战场特效实体真实性的重要因素,因此还需要建立流体正确的光照模型.
光照模型实质上是研究和计算光线与流体图元经过散射、折射和吸收作用后的强度,对于火焰、爆炸这类现象,温度占很重要的位置,这个时候黑体辐射不可忽视,而且还需要考虑亮度过高带来的色适应问题,光照模型的建立更加复杂.
2)确定与战场环境尺度对应的表达细节分层,使流体渲染与地理环境适应性匹配不同尺度的场景对同一特效实体的渲染要求不同,例如小比例尺场景中地形地物等要素表达粗糙,流体的表达也应与之匹配,而在大比例尺场景中,流体也应得到细致的渲染,细节层次的变化也应当是连续性的,否则整个场景会显得不协调,真实性受到质疑,认知效果很差.
4结束语流体在战场环境中广泛存在,并且直接构成了空战场和海战场的主体.
基于流体仿真理论的战场更加符合流体的运动规律,具有扎实的数学基础和逼真的视觉效果,可被用于大比例尺场景的精细模拟中.
采用多种流体仿真方法的结合,可以构建复杂的虚拟战场环境,实现多种流体的实时仿真,大大增强虚拟战场环境的交互性和真实性.
参考文献:[1]清华大学工程力学系编.
流体力学基础[M].
北京:机械工业出版社,1980.
[2]柳有权.
基于物理的计算机动画及其加速技术的研究[D].
北京:中国科学院软件研究所博士论文,2005.
[3]成娟,舒其望.
计算流体力学中的高精度数值方法回顾[J].
计算物理,2009,26(5):633-649.
[编辑:胡雪](上接第104页)众满意度、信息发布数等,为网站的绩效评估打下良好基础.
到目前为止,还没有通用的政府网站评估指标体系(施国良,2000).
根据实际工作需要,尝试建立适合本部门的较为科学的指标评估体系,正确地评估网站的长短,逐步提升网站水平,使网站更好地为市民服务.
3结束语基于优秀网站的概念应用、用户体验理论的设计原则与网站全生命周期管理理念,"增城规划在线"从发展定位、服务对象、服务内容构架、栏目设计、页面设计与网站运维管理机制等涉及定位、设计和管理的三方面构建了适合增城市情况的城乡规划部门网站.
该网站自投入使用以来,明显提高了规划办公和业务处理效率,推进了规划的公共参与,产生了有利的经济和社会效益.
从"增城规划在线"网站建设的实践经验看,建设一个城乡规划部门网站需要具有明确的发展定位,注重理论应用与实际的相结合,在制度上保障网站的运维管理,并根据社会需求与部门服务供给能力不断丰富和完善网站的内容,同时要将网站建设纳入持续的规划发展中.
参考文献:[1]齐冬梅.
提高政府网站功能服务水平,促进政府管理创新[J].
数码世界(A),2005,4(1A):3-4.
[2]孙翔.
论城市规划管理部门政务公开制度的建立———从规划网站的建设谈起[J].
规划师,2004,20(10):71-75.
[3]杨冰之,郑爱军.
服务型政府网站的本质特征与表现形式[J].
信息化建设,2008(4):19-23.
[4]郑爱军.
完善我国政府网站评测的有效性[J].
信息化建设,2005(11):28-29.
[5]丁建伟,钟家晖.
城市规划专业网站的设计及应用探讨———以"规划在线"网站建设为例[J].
城市规划汇刊,2001(4):60-63.
[6]施国良.
试论政府网站的规划、管理与评估[J].
河海大学学报(哲学社会科学版),2000,2(2):57-60.
[编辑:宋丽茹]701第1期胡香等:基于流体仿真的战场特效表达研究