CN110400366B - 一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，基于纹理变化的流体模拟方法和基于二维高度场的流体模拟方法相结合的多相流体交互仿真的方法，首先，利用OpenGL的双缓存技术实现洪水水面的演进和天空中云层的翻滚效果；然后，对所有模型中的粒子运用流体动力学方程进行求解，并建立随机过程，用于产生雨、雪粒子并控制粒子的不规则运动；最后，应用利用灰度图文件生成三维仿真地形，创建基于真实数据的地形场景。本发明对洪水灾害进行了基于真实地形数据的实时可视化仿真，并提高了仿真效果的真实感。

Description

一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法

技术领域

本发明涉及基于物理的流体仿真技术领域，面向计算机动画和可视化仿真的实际应用，以实现洪水灾害可视化仿真为目的，提供一种基于纹理变化的流体模拟方法和基于二维高度场的流体模拟方法相结合的多相流体交互仿真的方法。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展,虚拟场景中的自然景观模拟技术已经日益广泛地深入到人们日常的工作、学习和生活中。基于虚拟现实自然景观模拟属于计算机图形学和虚拟现实领域。

在图形学领域，人们一直试图利用计算机再现周围的真实世界，然而现实世界虽然看上去简单，却极其复杂。对于一些自然现象，人们可以采用过程描述的方式来获得某种特定的效果，但是对于有些现象人们无法找到一个简单的模型来描述它，这个时候只有去追溯该现象本身的物理根源，借助其本身较为精确的物理描述才能真实再现其外在的视觉现象。随着计算机硬件的不断发展，计算能力不断增强，PC机能够完成的算法复杂度不断上升，使得基于物理的计算机动画的迅速发展成为可能。在市场方面，不管是电影特效，还是视频游戏，人们对于计算机动画的需求也很强烈。这些因素使得计算机动画成为目前一个研究热点，也成为一个当前和未来计算机图形学发展的一个重点方向。自然景观的模拟作为计算机动画的难点之一，对它的研究将使自然景观的再现更具真实性。

随着计算机图形学的发展和应用需求的不断扩大，人们已不再仅仅满足于表现自然景物的静态真实感效果，而更希望模拟它们在自然场景中的动态变化过程。虚拟现实技术的发展使自然景观的再现更具真实性，它用图形学方法构建逼真的自然景观效果，并用计算机技术生成生动的视、听感觉，使人自然地对虚拟场景进行体验和交互作用，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验，可以说虚拟现实是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。

洪水现象是自然景观中一种常见的自然现象，也是现实世界中多发的自然灾害之一。利用虚拟现实技术对洪水现象的模拟，可以大大提高三维场景的真实感，在地质灾害预防、动态流体模拟及三维场景构建等领域有着广泛的应用。

洪水是一种典型的非恒定流。而流体模拟在近几年一直是图形学界研究的热点。当前，对洪水等自然景观模型的可视化描述仍然沿用现有的真实感图形显示技术的思路，结合流体模拟的数值方法，可以有效地建立虚拟环境，精确表示流体的状态模型。流体模拟的数值求解方法需要消耗大量的计算资源，耗费大量的时间，并且对电脑的硬件要求很高，如果能绕开求解复杂的流体动力学方程，同时实现水流效果的逼真表示，可以大大的提高流体仿真效率。

发明内容

本发明解决的技术问题是，克服了自然场景中洪水流体现象难以实时仿真的缺点，提出了一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，用计算机图形学技术对洪水现象进行了逼真的可视化模拟，同时基于真实的三维地形数据进行洪水场景的地形建模，提高了仿真的真实感，可应用于地质灾害预防及快速自然场景构建等真实感实时仿真领域。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，包含以下步骤：

(1)通过导入的raw格式的地形文件生成三维地形数据，初始化洪水仿真地形，创建基于真实数据的地形场景；

(2)结合地形数据信息确定洪水水面，进行洪水水面模拟；

(3)利用纹理动态变化技术实现天空中云层的翻滚效果；

(4)利用粒子系统模拟雨、雪的天气现象；

(5)添加声音文件，提高仿真场景的真实性。

所述步骤(1)中根据导入的raw格式地形文件生成三维地形数据，在OpenGL绘制程序中表现为基于真实高程数据建立的三维四边形网格集合，包括以下步骤：

A.地形场景的绘制利用raw格式灰度图文件生成三维坐标值，再利用OpenGL编程语言创建的三维数组，用以储存地形数据的三维坐标值；

B.将raw格式灰度图读入内存并将灰度值换算成平滑的高度值实现真实地形的三维模拟；针对每个四边形网格，把三维坐标对应于四边形的四个顶点，依次进行绘制和纹理映射。

进一步，根据导入的raw格式地形文件生成三维地形数据，地形绘制的同时需要为每个四边形面片设置法向量，用以在光照下产生不同高低地形的阴暗效果；在进行地形纹理映射时，根据暴雨洪水和融雪洪水的不同，地形的纹理也不相同。

在步骤(2)中，洪水水面主要采用基于纹理变换的流体模拟和基于二维高度场网格的流体模拟相结合的方法,基于纹理变化的流体模拟方法用来实现流水的流动效果，基于二维高度场的流体模拟方法用来实现洪水水面的整体构建和水面的波动效果，包括以下步骤：

A.创建三维数组表示点位置信息的三维数组，对应二维高度场网格中i*j个节点的三维坐标值(x,y,z)；初始化网格上的点；使用整数循环消除由于浮点运算取整造成的脉冲锯齿的出现；

B.在绘制水面流动时应用基于纹理变化的方法,首先将需要映射的纹理划分为与水面相同的四边行网格，每一块纹理映射到水面网格上，然后屏幕每刷新一次时，将所有纹理沿水面流动方向移动并映射一个单位，最边缘的纹理在下一次映射时将赋给起始位置的网格，以保证纹理的循环映射,进而达到水面流动效果。

所述步骤(4)中，将雨滴或雪花的下落过程均简化为匀速下落；雨雪粒子每时每刻都会有不同的位置(x,y,z)；雪花下落时的飞舞飘扬与雨点的随机性,用粒子下落过程中x轴与z轴方向上的随机增量给定。

进一步，为节省仿真开销，只在[-100,100]区间的x值和y值范围内生成雨雪粒子，保证在视野范围内的视口中具有雨雪现象，避免视野范围外不必要的运算。

雨、雪实时模拟时，每个粒子表示一个雨滴或雪花，粒子绘制时,视线范围内的每个雨、雪粒子都能被看到,要求用于表示粒子的每个矩形面片要平行于屏幕显示平面。

进一步，还包括在虚拟场景中添加光照效果，使场景显示更加逼真形象，光源包括环境光、漫射光和光源位置。

本发明的原理在于：本发明提出了一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，将基于纹理变化的流体模拟方法和基于二维高度场的流体模拟方法相结合，并通过改变参数权值实现洪水波动效果的逼真绘制。采用基于平面参数化的方法进行洪水水面的纹理映射。利用OpenGL的双缓存技术实现洪水水面的演进和天空中云层的翻滚效果。基于OpenGL多视口与纹理贴图技术,采用Reeves提出的粒子系统模拟雨、雪粒子，然后与原视口中的场景一起显示于窗口中。

随机过程用于产生雨、雪粒子并控制粒子的不规则运动。利用raw格式灰度图文件生成三维坐标值，创建基于真实数据的地形场景。调用windows系统中多媒体动态连接库添加声音效果，使场景模拟更加生动真实。在景物的融合方面，利用堆栈技术消除各模块坐标变换和旋转对显示效果的影响，使场景内各景物达到真实的融合效果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明提出的实时洪水灾害可视化仿真方法，相比于现有流体仿真领域的可视化流体仿真，可以避免求解复杂的流体动力学方程，提供了一种实时的集成仿真场景方案，极大的提高了仿真效率。

2、本发明提出的算法框架和实现代码基于开源的OpenGL图形库，对电脑硬件和系统环境配置要求低，可在绝搭多数基于Windows系统的电脑上实现实时仿真。

3、本发明提出的洪水仿真方法中，地形数据支持任意用户导入的标准raw模型文件，可针对真实地形数据进行个性化的洪水灾害建模还天气现象仿真。

4、本发明相较于传统的可视化仿真方法，加入了声音特效和粒子系统实现的天气效果，提高了仿真的真实性。

附图说明

图1是本发明的基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法流程图；

图2是本发明所用到的raw格式的地形数据导入后效果图。

图3是本发明的天空纹理示意图；

图4是本发明天气仿真中粒子面片示意图；

图5是本发明的雨雪粒子纹理示意图；

图6是本发明的实时洪水灾害可视化仿真效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图，对本发明的方法作详细解释说明。图1给出了一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法的总体流程，下面结合其他附图及具体实施方式进一步说明本发明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，包含以下步骤：

1.导入定型数据。地形场景的绘制利用raw格式灰度图文件生成三维坐标值，再利用OpenGL编程语言创建的三维数组，用以储存地形数据的三维坐标值。

将raw格式灰度图读入内存并将灰度值换算成平滑的高度值实现真实地形的三维模拟。针对每个四边形网格，把三维坐标对应于四边形的四个顶点，依次进行绘制和纹理映射。具体操作如下：

地形绘制的同时需要为每个四边形面片设置法向量，用以在光照下产生不同高低地形的阴暗效果。在进行地形纹理映射时，根据暴雨洪水和融雪洪水的不同，地形的纹理也不相同。导入的地形数据如图2所示。

2.采用基于纹理变换的流体模拟和基于二维高度场网格的流体模拟相结合的方法实现洪水水面模拟。其中，基于纹理变化的流体模拟方法用来实现流水的流动效果，基于二维高度场的流体模拟方法用来实现洪水水面的整体构建和水面的波动效果。

首先，创建三维数组points[w][h][1]；，对应二维高度场网格中各节点(w*h个节点)的三维坐标值x，y，z。初始化网格上的点。使用整数循环可以消除由于浮点运算取整造成的脉冲锯齿的出现。初始化水面并生成水面波动效果的伪代码如下：

其中，x为地形数据的宽度，y为地形数据的高度,f∈[0,3.0],为洪水纹理波动幅度。

接着，在绘制水面流动时应用基于纹理变化的方法。首先将需要映射的纹理划分为与水面相同的四边行网格，每一块纹理映射到水面网格上，然后屏幕每刷新一次时(通过定时器控制)，将所有纹理沿水面流动方向移动并映射一个单位，最边缘的纹理在下一次映射时将赋给起始位置的网格，以保证纹理的循环映射。进而达到水面流动效果。

流动效果代码如下：

上述代码通过临时变量tmp实现波浪效果的循环播放。

3.利用纹理变化技术实现天空中云层的翻滚效果。天空的绘制主要采用基于纹理变换的模拟方法，其原理与实现洪水水面流动效果基本一致。天空绘制在三维坐标系中进行，从z轴正向朝z轴负向进行了长距离的拉伸，以达到近大远小的视觉效果。同样通过屏幕刷新和缓冲技术实现云层滚动效果，天空盒纹理效果如图3所示。

4.天气系统仿真。由物理学知识可知,物体从高空下落时,将受到空气阻力作用,这种阻力与物体的大小、形状和速度等有关,速度越大,阻力越大。从空中下落的陨石、雪花、雨点等,只要高度足够,最终都将做匀速运动。本文中将雨滴与雪花的下落过程均简化为匀速下落；雨雪粒子每时每刻都会有不同的位置(x,y,z)；雪花下落时的飞舞飘扬与雨点的随机性,可以用粒子下落过程中x轴与z轴方向上的随机增量给定。

为节省系统开销，本系统只在-100——100的x值和y值范围内生成雨雪粒子，保证在视野范围内的视口中具有雨雪现象，而避免视野范围外不必要的系统运算。

因为雪花本身的物理属性，其在下落过程中速度应该远远慢于雨滴粒子，并且下落过程伴随着旋转。通过对下落速度和旋转速度的设定，可以使雪花粒子在下落过程中更接近于真实世界降雪时“洋洋洒洒”的效果。雨滴粒子的结构体定义和初始化与雪花基本一致，下落速度和旋转速度略有不同。

雨、雪实时模拟时,粒子的绘制是关键的一步，每个粒子表示一个雨滴(或雪花)。粒子绘制时,视线范围内的每个雨、雪粒子都应该能被看到,这就要求用于表示粒子的每个矩形面片要平行于屏幕显示平面，如图4所示。

绘制好粒子之后还需要进行纹理映射。模型中采用的雨滴与雪花图片均是24位Tag图片,在映射过程中,要求两幅图片必须是黑色背景(可以用photoshop处理得到),白色纹理，如图5所示。

5.虚拟现实技术用计算机生成逼真的三维视、听等感觉，因此在本系统中也加入了声音效果，以增强场景的真实性和生动性。声音效果包括洪水奔腾的声音，雨滴下落的声音和雷声。

在虚拟场景中添加光照效果可以使场景显示更加逼真形象，同时也是保证粒子雨雪正常显示必不可少的条件。光源属性包括环境光，漫射光和光源位置。环境光来自于四面八方，所有场景中的对象都处于环境光的照射中。漫射光由特定的光源产生，并在场景中的对象表面上产生反射，处于漫射光直接照射下的任何对象表面都变得很亮，而几乎未被照射到的区域就显得要暗一些。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (3)

1.一种基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)通过导入的raw格式的地形文件生成三维地形数据，初始化洪水仿真地形，创建基于真实数据的地形场景；

(2)结合地形数据信息确定洪水水面，进行洪水水面模拟；

(3)利用纹理动态变化技术实现天空中云层的翻滚效果；

(4)利用粒子系统模拟雨、雪的天气现象；

(5)添加声音文件，提高仿真场景的真实性；

所述步骤(1)中根据导入的raw格式地形文件生成三维地形数据，在OpenGL绘制程序中表现为基于真实高程数据建立的三维四边形网格集合，包括以下步骤：

A.地形场景的绘制利用raw格式灰度图文件生成三维坐标值，再利用OpenGL编程语言创建的三维数组，用以储存地形数据的三维坐标值；

B.将raw格式灰度图读入内存并将灰度值换算成平滑的高度值实现真实地形的三维模拟；针对每个四边形网格，把三维坐标对应于四边形的四个顶点，依次进行绘制和纹理映射；根据导入的raw格式地形文件生成三维地形数据，地形绘制的同时需要为每个四边形面片设置法向量，用以在光照下产生不同高低地形的阴暗效果；在进行地形纹理映射时，根据暴雨洪水和融雪洪水的不同，地形的纹理也不相同；

所述步骤(4)中，将雨滴或雪花的下落过程均简化为匀速下落；雨雪粒子每时每刻都会有不同的位置(x,y,z)；雪花下落时的飞舞飘扬与雨点的随机性,用粒子下落过程中x轴与z轴方向上的随机增量给定；为节省仿真开销，只在[-100,100]区间的x值和y值范围内生成雨雪粒子，保证在视野范围内的视口中具有雨雪现象，避免视野范围外不必要的运算；雨、雪实时模拟时，每个粒子表示一个雨滴或雪花，粒子绘制时,视线范围内的每个雨、雪粒子都能被看到,要求用于表示粒子的每个矩形面片要平行于屏幕显示平面。

2.根据权利要求1所述基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，其特征在于，在步骤(2)中，洪水水面主要采用基于纹理变换的流体模拟和基于二维高度场网格的流体模拟相结合的方法,基于纹理变化的流体模拟方法用来实现流水的流动效果，基于二维高度场的流体模拟方法用来实现洪水水面的整体构建和水面的波动效果，包括以下步骤：

A.创建三维数组表示点位置信息的三维数组，对应二维高度场网格中i*j个节点的三维坐标值(x,y,z)；初始化网格上的点；使用整数循环消除由于浮点运算取整造成的脉冲锯齿的出现；

B.在绘制水面流动时应用基于纹理变化的方法,首先将需要映射的纹理划分为与水面相同的四边行网格，每一块纹理映射到水面网格上，然后屏幕每刷新一次时，将所有纹理沿水面流动方向移动并映射一个单位，最边缘的纹理在下一次映射时将赋给起始位置的网格，以保证纹理的循环映射,进而达到水面流动效果。

3.根据权利要求1所述基于OpenGL的实时洪水灾害可视化仿真方法，其特征在于，还包括在虚拟场景中添加光照效果，使场景显示更加逼真形象，光源包括环境光、漫射光和光源位置。

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