CN109557829B - 一种具有非线性失真校正的火灾仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有非线性失真校正的火灾仿真系统和方法，该系统包括控制器、服务器和仿真室，其中所述服务器还包括非线性失真校正单元，用于获得等高垂直网格的相对位移，并利用该相对位移对仿真室内的投影图像进行非线性失真校正。

Description

一种具有非线性失真校正的火灾仿真系统和方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，特别是涉及到一种具有非线性失真校正的火灾仿真系统和方法。

背景技术

目前，火灾研究方法可分为理论分析和模拟研究两种。其中模拟研究可包括计算机模拟和实验模拟。实验模拟研究是一种较为直接的途径。它一方面可以通过观察测量和数据分析来总结具体现象和影响因素间的定量关系，归纳火灾的演化过程机理和规律，另一方面也对从一般原理出发所提出的理论或计算模型进行验证。但由于实验模拟投资大、周期长、人物力消耗较多，难以反复试验。而火灾的计算机模拟正好弥补了实验模拟的这些不足。火灾的计算机模拟依据火灾物理模型研究区域中控制体和数学模型的分类方式，可以分为场模拟、区域模拟和网络模拟三种，特点是费用少，可以灵活调整参数，对于火灾研究有重大的促进作用。但是目前的火灾计算机模拟往往专注于火灾的一个单一环境参数或仅仅包括少量环境参数，没有同时仿真包括温度、烟雾、光照等多种环境参数，并且仿真图像的融合度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有非线性失真校正的火灾仿真系统及方法，该系统及方法集中模拟火灾发生过程中的多个环境参数。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种火灾仿真系统，包括控制器、服务器和仿真室，其中，控制器连接至服务器，用于接受预设输入，并将预设输入发送至服务器；服务器连接至仿真室，根据预设输入确定一项或多项环境参数的信息，并向仿真室发送确定的信息；仿真室具有产生或改变一项或多项环境参数的执行单元，根据服务器发出的信息产生或改变仿真室内一项或多项环境参数；所述服务器还包括非线性失真校正单元，用于获得等高垂直网格的相对位移，并利用该相对位移对仿真室内的投影图像进行非线性失真校正。

所述非线性失真校正包括生成等高垂直网格并将其投射到仿真室内的弧形投影幕布上，包括将该等高垂直网格在投影幕布上拉成视觉效果上的等高垂直网格。

所述非线性失真校正还包括获得等高垂直网格的相对位移，以及利用该新得到的等高垂直网格进行原始图像的纹理映射。

其中，所述环境参数包括仿真室内的图像、仿真室内的温度、仿真室内的烟雾、仿真室内的声音中的一项或多项。

相应地，所述服务器包括场景确定模块、温度确定模块、烟雾确定模块和声音确定模块，分别确定仿真室内的图像、仿真室内的温度、仿真室内的烟雾、仿真室内的声音。

而所述仿真室中的产生或改变一项或多项环境参数的执行单元包括投影仪、加热器、音箱和烟雾机中的一项或多项。

一种火灾仿真方法，该方法包括以下步骤：A)预设仿真室的几何模型和火源参数；B)根据仿真室的几何模型和火源参数，确定仿真室内一项或以上环境参数的信息，所述环境参数包括仿真室内的图像、仿真室内的温度、仿真室内的烟雾、仿真室内的声音中的一项或多项；C)将确定的环境参数信息发送至仿真室的产生或改变一项或多项环境参数的执行单元；D)仿真室的执行单元根据获取信息改变或产生火灾现场的一项或多项环境参数；其中，确定仿真室内的图像信息还包括获得等高垂直网格的相对位移，并利用该相对位移对仿真室内的投影图像进行非线性失真校正。

所述非线性失真校正包括生成等高垂直网格并将其投射到仿真室内的弧形投影幕布上，将该等高垂直网格在投影幕布上拉成视觉效果上的等高垂直网格。

所述非线性失真校正还包括获得等高垂直网格的相对位移，以及利用该新得到的等高垂直网格进行原始图像的纹理映射。

由于采用以上技术方案，本发明能够集中确定仿真室内一项或多项环境参数，这些环境参数能够交互作用，并能够对产生的仿真投影图像进行非线性失真校正，由此具有很高的仿真度。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的火灾仿真系统结构框图。

图2是根据本发明实施方式的火灾仿真系统中仿真室的结构图。

图3是根据本发明实施方式的火灾仿真系统中仿真室的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。

为了便于本领域的技术人员理解，下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

在此公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是为了描述示范实施例的目的。然而，本发明可以以多种替换形式来实现示范实施例，并且不应将其看作仅限于在此阐明的示范实施例。

然而，应该理解，本发明不限于所公开的具体实施例，相反地，示范本发明旨在覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。涉及附图的描述，相似的标号表示相似的元件。

应该理解，虽然术语第一、第二等在此用作描述不同的元件，但是这些元件可以不被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区别开。例如，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不背离示范实施例的范围。如在此所用，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。

应该理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，则不存在中间元件。用来描述元件之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解。

图1是本发明火灾仿真系统的结构框图。

在本发明实施方式中，火灾仿真系统包括控制器11、服务器12和仿真室13。所述控制器11为数码设备，常见为无线通讯设备，如平板电脑，亦可为智能移动终端、笔记本电脑等。控制器11与服务器12之间通过各种连接方式实现连接与数据的交互，例如常见的无线通信协议，特别地为IEEE 802.11或蓝牙等协议连接。控制器11上具有专用功能单元，可以通过B/S或者C/S结构访问服务器12上的仿真软件，发出信号以控制仿真室13内的声音、温度、场景以及烟雾效果。所述服务器12可以为台式机，包括CPU、随机存储器、非易失存储器例如硬盘、显示器、鼠标、键盘、显卡、声卡、网卡、机箱、电源、风扇等常见设备，也可以包括蓝牙通信模块、无线通信模块等与控制器11实现通信。特别地，控制器11也可以与服务器12集成在一起，向仿真室13的功能单元发送信号。

服务器12通过各种传输途径向仿真室13的功能单元发送信号。例如服务器12通过音频线与仿真室的音箱连接；通过视频传输线与投影仪和融合器连接等。为了方便接入，服务器12通过网线连接或者无线方式，以及通信协议如IEEE 802.11或蓝牙等协议与INTERNET连接，服务器12硬盘上可存储各种视频文件和音频文件。

在该实施方式中，服务器12包括以下功能模块：声音确定模块21，温度确定模块22，场景确定模块23以及烟雾确定模块24，分别确定仿真室内的声音、仿真室内的温度、仿真室内的图像、仿真室内的烟雾。

为了说明本发明实施方式中火灾仿真系统的工作过程，现结合图2和图3对本发明火灾仿真系统进行详细描述。

如图2所示，火灾仿真系统的仿真室13可包括入口31、出口32、投影仪33、融合器34、加热器35、音箱36、烟雾机37中的一项或多项。其中投影仪33用于投射火灾图像，融合器34用于消除不同投影仪的间隙或重叠区域，加热器35用于提高室内温度，音箱36用于播放音响效果，烟雾机37用于制造烟雾效果。优选地，仿真室13还包括摄像头38和支架39，其中摄像头38用于监控室内场景，支架39用于放置逃生装备40。

典型地，仿真室13具有上、下、左、右、前、后六面墙体。在其中一面或多面墙体上包裹有投影幕布以播放影像。例如在前后两面墙体包裹有投影幕布。本领域技术人员应当知晓，仿真室可以具有其他更复杂或更简单的内部结构，或在不同的内部结构设置有投影幕布，这些改变对于本实施方式的实现不存在影响。

仿真室13上可以设置入口31和/或出口32，例如入口31被设置在仿真室13左面墙体上，而所述出口32位于仿真室13右面墙体上。

一方面，为了实现对仿真室13内图像的模拟，一部或多部投影仪33安装在仿真室13中，例如在本实施方式中，仿真室13的上面墙体中央设置有四部投影仪33。投影仪33通过有线或无线方式连接到服务器12，从服务器12接收预设或生成的图像信息，并将接收的图像信息分别投射到仿真室13前后墙体上。

特别地，如果只用一台投影仪33来投射整个较宽投影幕布，则很难聚焦，因为投影幕布太宽很难选出一个合适的基准焦点。而根据本发明，优选采用多台投影仪33就可使弧弦距缩短到尽量小，这样就比较容易找出画面的合适焦点。

进一步的，当使用一部以上的投影仪33时，为了使得各投影仪33投射的图像实现无缝接合，可通过图像融合器34消除投影仪的间隙或重叠区域，使得场景更加具有层次感与立体感，营造出逼真效果。根据本发明的较为简洁的方式，可以采用了左右两个投影仪33，但是本领域技术人员清楚，并发明并不意图将投影仪33的数量限制为2部。为了实现左右两个投影仪33投射的图像的边缘融合，服务器12分别向左右两个投影仪33传递左右图像信息，左右图像信息存在重叠部分，而融合器34通过更改左右投影仪33的投射亮度来实现图像信息的接合。这样在显示效果上表现为整幅画面亮度均匀一致。

根据本发明的一个实施例，当采用多部(含左右两部的情况)投影仪33时，融合器34用于确定多个投影仪33投影重叠区域中在Q点亮度L。

具体的，

且

其中，Li为第i个投影仪33的投射出的投影图像的亮度；di为Q点到第i个投影仪33的邻接边界的距离，例如，在前述左右2个投影仪(n＝2)的情况下，d1是Q点到左侧投影图像P1右边界的距离，d2是Q点到右侧投影图像P2左边界的距离；Ki为融合器34中实现的对于不同投影仪的亮度衰减系数，且满足

α>0，为同和器34中实现的衰减幂函数标志，用于调节衰减的非线性程度。

根据本发明的一种实施方式，投影仪33均设置为具有相同亮度的投影仪，而且简洁化处理，设置α＝1，且

从而使用基本线性函数的方式完成边缘区域的融合。这种方式的技术效果在于简洁、高效、易于实现。但是也存在一定的技术问题，由于使用寿命，临时更换等原因，投影仪33往往不会成为具有相同亮度的投影仪，在现有技术条件下，基本线性衰减可能会出现重叠区域边缘亮度突变的现象。

为克服上述技术问题，本发明的另一种实施方式中，每隔一段时间，根据逻辑回归模型对α和K_i进行动态调整，确定更为合理的取值范围，实现了投影图像重叠后亮度的一致性，获得了较高的仿真度。

根据本发明的另一实施例(如图3所示)，为了让火灾现场更加具有立体感，可以在仿真室13内使用弧形投影幕布。但大部分投影仪33在设计时都是针对平面的投影幕布，当这样的投影仪33把图像投射到球幕或球幕这样的弧形投影幕布上，图像就会变形失真，这种现象被称之为非线性失真。

对此，服务器12还包括非线性失真校正单元，用于向投影仪33传输图像信息时，可针对投影仪33与投影幕布的相对位置与投影幕布的弧度对图像信息进行非线性失真校正。

例如，对于特定的投影幕布，服务器12的非线性失真校正单元产生一系列的等高线和垂直线，然后由其正交形成网格，称这个网格为等高垂直网格。随后，非线性失真校正单元将等高垂直网格传输至投影仪33，投影仪33将等高垂直网格投影到投影幕布(近剪裁面)上，这就是等高垂直网格在帧缓存中对应的位置。

接下来，非线性失真校正单元通过投影仪33将等高垂直网格在投影幕布上拉成真正视觉效果上的等高垂直，得到其相对位移。

而后，服务器12取出帧缓存中的图像，通过非线性失真校正单元，利用新得到的等高垂直网格进行原始图像的纹理映射，如对每帧数据进行纹理重新贴图。

通过采用上述非线性校正方法形成的失真校正图像，获得了较高的仿真度。

另一方面，为了实现对仿真室13内温度的模拟，仿真室13内包括加热器35。加热器35可以使用各种产生热量的装置来实现，例如采用不发光的高阻抗电阻。为了获得真实火灾现场相应的温度，加热器35可以由服务器12的温度确定模块22确定的环境参数信息控制开启数量以及各自加热温度来调节仿真室13内的加热效果。

另一方面，为了实现仿真室13内声音效果的形成，服务器12将存储的音频信息传送给功放41并由其调节功率，然后使用音箱36播放声音效果。可根据具体需要在仿真室内设置一部或多部音箱36，例如音箱36位于仿真室13的房顶四角，可以由服务器12的声音确定模块21确定的声音来控制一个或多个音箱36同时工作以营造立体声效果。

另一方面，为了实现对仿真室13内烟雾效果的形成，可根据具体需要在仿真室内设置一部或多部烟雾机37，例如四部烟雾机37位于仿真室13的地面四角，可以由服务器12的烟雾确定模块24确定的烟雾状况控制开启烟雾机37的数量以及工作速率来调节仿真室13内的烟雾效果。

另外，可根据具体需要在仿真室13内设置一个或多个摄像头38，例如两个摄像头38分别位于仿真室13左右两侧墙体的顶部中点处，通过有线或无线连接方式与服务器12相连接，用以观察仿真室13内的状况。

仿真室13内还可以设置支架39，支架39上放有逃生装备40，优选为毛巾、防毒面具等。

以上内容说明了火灾仿真系统的装置，以下进一步结合该火灾仿真系统的装置说明火灾仿真方法。

步骤一，预设仿真室13的几何模型和火源参数。仿真室13的几何模型主要由仿真室13的中轴线方程及截面尺寸决定。中轴线方程可以手动连续输入直线或曲线方程来设定，也可以直接分析中轴线的AUTOCAD图形格式或者DXF文件来获得。DXF(Drawingexchange Format)即图形交换文件，是一种顺序文件，它是在一定的组代码符号规定下，包括了实体命令和几何数据信息在内的数据文件，可以由AUTOCAD图形格式转换而来。而火源参数主要是设置火源的规模、位置及燃烧方式。火源规模主要是设定火源的热释放效率及总功率。火源的位置主要是设定火源在仿真室中的位置，受条件所限，位置仅可选为高阻抗电阻位置。燃烧方式包括汽油、煤油、原油、木柴等。

步骤二，根据仿真室的几何模型和火源参数，确定一项或以上环境参数的信息，所述环境参数包括仿真室内的图像、仿真室内的温度、仿真室内的烟雾、仿真室内的声音。

将仿真室13的几何模型和火源参数发送至服务器12，服务器12的场景确定模块23对仿真室13进行网格分割，将仿真室13划分成多个子空间，每个子空间选择合适的素材进行渲染，特别地可仅对用户当前所见的模型部分进行渲染，确定仿真火灾现场的图像。

当火源参数设定之后，服务器12的温度确定模块22根据火源的位置决定由仿真室13中的哪一个或者哪几个加热器35来实行加热操作，确定仿真火灾现场的温度。根据火源的热释放效率决定加热器35的加热速度，根据总功率来决定加热器35的加热时间，根据燃烧方式来决定加热器35的功率变化曲线。

当火源参数设定之后，服务器12的声音确定模块21确定仿真火灾现场的声音。根据火源的燃烧方式来调取服务器上预存的音效文件来产生火源燃烧的现场效果。

当火源参数设定之后，服务器12的烟雾确定模块24根据火源的燃烧方式来确定烟雾的喷出量，确定仿真火灾现场的烟雾，控制例如在木柴燃烧方式下，如果天气潮湿、木柴不能与氧气充分接触的情况下产生大量烟雾。

步骤三，将确定的环境参数的信息发送至仿真室13的产生或改变一项或多项环境参数的执行单元。

步骤四，仿真室13的执行单元根据获取信息产生或改变火灾现场的一项或多项环境参数。例如，仿真室13的投影仪投影图像；仿真室13的加热器35改变仿真室内的温度；仿真室13的音箱产生仿真室内的声音；仿真室的烟雾机改变仿真室内的烟雾状况；仿真室13的图像融合器融合重叠图像。

本领域内技术人员应当知晓，上述一项或多项环境参数之间可以交互作用，例如仿真室内温度升高时，伴随火光图形增强、烟雾扩散加剧；例如伴随火灾图形产生燃烧的声音，由此进一步增强仿真效果。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有非线性失真校正的火灾仿真系统，该系统包括控制器、服务器和仿真室，其特征在于：

控制器连接至服务器，用于接受预设输入，并将预设输入发送至服务器；

服务器连接至仿真室，根据预设输入确定一项或多项环境参数的信息，并向仿真室发送确定的信息；

仿真室具有改变或产生一项或多项环境参数的执行单元，根据服务器发出的信息产生或改变仿真室内一项或多项环境参数；所述服务器还包括非线性失真校正单元，用于获得等高垂直网格的相对位移，并利用该相对位移对仿真室内的投影图像进行非线性失真校正；

所述仿真室内安装有多个投影仪，并且使用弧形投影幕布；

所述非线性失真校正包括生成等高垂直网格并将其投射到仿真室内的弧形投影幕布上；

所述非线性失真校正还包括将该等高垂直网格在投影幕布上拉成视觉效果上的等高垂直网格；所述非线性失真校正还包括获得等高垂直网格的相对位移，以及利用该新得到的等高垂直网格进行原始图像的纹理映射；

所述执行单元包括图像融合器，所述图像融合器用于确定多个投影仪投影的重叠区域中在Q点亮度

且

其中，Li为第i个投影仪的投射出的投影图像的亮度；di为Q点到第i个投影仪的邻接边界的距离；Ki为图像融合器中实现的对于不同投影仪的亮度衰减系数，且满足

α>0，为图像融合器中实现的衰减幂函数标志，用于调节衰减的非线性程度；其中，α和Ki根据逻辑回归模型动态调整得到。

2.权利要求1所述的具有非线性失真校正的火灾仿真系统，其特征在于，所述环境参数包括仿真室内的图像、仿真室内的温度、仿真室内的烟雾、仿真室内的声音中的一项或多项。

3.权利要求2所述的具有非线性失真校正的火灾仿真系统，其特征在于，所述服务器包括场景确定模块、温度确定模块、烟雾确定模块和声音确定模块，分别确定仿真室内的图像、仿真室内的温度、仿真室内的烟雾、仿真室内的声音。

4.权利要求1所述的具有非线性失真校正的火灾仿真系统，其特征在于，所述仿真室中的产生或改变一项或多项环境参数的执行单元包括投影仪、加热器、音箱和烟雾机中的一项或多项。

5.一种具有非线性失真校正的火灾仿真方法，该方法包括以下步骤：

A)预设仿真室的几何模型和火源参数；

B)根据仿真室的几何模型和火源参数，确定仿真室内一项或多项环境参数的信息，所述环境参数包括仿真室内的图像、仿真室内的温度、仿真室内的烟雾、仿真室内的声音中的一项或多项；

C)将确定的环境参数信息发送至仿真室的产生或改变一项或多项环境参数的执行单元；

D)仿真室的执行单元根据获取信息产生或改变火灾现场的一项或多项环境参数；

其中，确定仿真室内的图像信息还包括获得等高垂直网格的相对位移，并利用该相对位移对仿真室内的投影图像进行非线性失真校正；

所述仿真室内安装有多个投影仪，并且使用弧形投影幕布；

所述非线性失真校正包括生成等高垂直网格并将其投射到仿真室内的弧形投影幕布上；

所述非线性失真校正还包括将该等高垂直网格在投影幕布上拉成视觉效果上的等高垂直网格；所述非线性失真校正还包括获得等高垂直网格的相对位移，以及利用该新得到的等高垂直网格进行原始图像的纹理映射；

所述执行单元包括图像融合器，所述图像融合器用于确定多个投影仪投影的重叠区域中在Q点亮度

且

其中，Li为第i个投影仪的投射出的投影图像的亮度；di为Q点到第i个投影仪的邻接边界的距离；Ki为图像融合器中实现的对于不同投影仪的亮度衰减系数，且满足

α>0，为图像融合器中实现的衰减幂函数标志，用于调节衰减的非线性程度；其中，α和Ki根据逻辑回归模型动态调整得到。

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