舰船虚拟火灾训练系统火焰烟雾建模子系统shipvirtualfiretrainingsystemflamesmokemo
摘 要摘 要船舶因其特殊的功能和结构，火灾具有特殊性。为了减少船舶火灾造成的经济损失和提高船舶火灾防治的有效性，必须加强船舶火灾安全工程研究，认清船舶火灾发生的规律和特点。把虚拟现实技术应用于船舶火灾领域研究可以综合两者的优点，是完善船舶安全设计和开展安全培训的重要手段。本文简单介绍了火焰、烟雾子系统的研究背景和意义，并对国内外的研究现状进行了分析。船舶火灾安全对船舶生存能力至关重要，对其火灾和消防的计算机模拟与仿真也一直是船舶消防的一个热点，虚拟现实技术为船舶火灾和消防的可视化搭建了一个有效平台，对船舶消防的模拟、训练、决策和评估具有极其深远的意义。本文研究的火焰，烟雾建模子系统就是制作船舶火灾中的火焰烟雾的动态模型，通过这些模型来达到船舶火灾的模拟。 实现火焰、烟雾的模拟有很多种方法，本文使用了基于OpenGL的火焰模拟以及基于unity3d的火焰、烟雾建模这2种不同的方法。本文对粒子系统模拟火焰烟雾的基本思想进行了研究，通过Visual Studio 2012和OpenGL进行火焰的绘制。使用基于OpenGL的粒子系统达到火焰的动态模拟。研究粒子系统中粒子从生成、运动到消失的过程，研究系统生成图像的基本步骤。本文还使用Unity 3D来制作火焰烟雾的建模，通过Unity3D中的粒子系统来实现火焰烟雾的建模，通过粒子系统建模来达到火焰燃烧的逼真效果。关键词 粒子系统；OpenGL；Unity 3D；火焰模拟
目录
第一章 绪论 1
1.1 系统研究背景 1
1.2 系统研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本课题主要研究内容 3
1.5 章节结构 3
第二章 开发环境及相关技术介绍 4
2.1 开发环境的选择 4
2.2 开发工具简介 4
2.2.1 Visual Studio 2012的介绍 4
2.2.2 OpenGL开放图形库的介绍 4
2.2.3 Unity3D介绍 5
第三章 需求分析及系统设计 7
3.1 系统需求 7
3.1.1 整体需求 7
3.1.2 子系统需求 7
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
舰船虚拟火灾训练系统设计 7
3.2.1 系统总体设计 7
3.2.2 火焰、烟雾建模子系统设计 9
第四章 粒子系统及纹理映射详解 10
4.1 粒子系统基本思想 10
4.2 粒子系统的特点 10
4.3 粒子系统的过程 11
4.3.1 粒子的生成及其初始化 11
4.3.2 粒子的运动 12
4.3.3 粒子的死亡 13
4.3.4 粒子的绘制 13
4.4 OpenGL的纹理映射 14
第五章 不同方式的模拟 18
5.1 基于OpenGL的粒子系统生成火焰 18
5.1.1 粒子发射器 18
5.1.2 粒子添加器 19
5.1.3 粒子更新器 20
5.1.4 火焰粒子的绘制 20
5.2 基于Unity3D粒子系统的火焰烟雾模拟 21
5.2.2 加深真实效果的相关组件介绍 24
5.2.3 火焰烟雾的制作 26
5.3 两种方式的比较 30
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 系统研究背景
由于船舶火灾中火焰烟雾不仅具有细致的表面纹理和不规则轮廓[1]，而且能够随着时间的推移不断变化，目前的电脑的计算能力和存储容量都发展很快，但仍然存在不能完全模拟燃烧的火焰的问题，因为存在的这些问题，根据不同的发展方向，用计算机图形知识来描绘火及其动态行为具有很大的实际应用。
随着时代发展的时代，国内外研究科学家在火焰模拟研究中，根据他们的研究，有很多方法，如粒子系统[2]，细胞自动机，分形过程，照明和纹理映射[3]等。对象运
种方式迄今为止被研究人员认为这是模拟不规则自然风光最有用的方式，这也在本文中，模拟用于研究火焰烟雾的所用到的知识。
粒子系统的基本思想[4]是通过简单的粒子图元代替多边形来定义对象的大小，从而很大程度上解决了一般计算机图形难以解决的一些负载建模的问题。粒子系统中的粒子都拥有属于自己的特点，随着时间的变化，粒子的性质会随之发生相应变化，从而显示一系列不规则事物的运动特征。
粒子系统的方法从一开始定义到现在就已经讨论了近40年。在当今世界，人们获得了很多粒子系统方面的研究成果，应用领域正在扩大，发展前景非常好。对于整个计算机图形理论，粒子系统在计算机图形学的发展中起着至关重要的作用[5]。然而，粒子系统本身并不是没有缺陷，因为这种方式本身存在一些缺陷，这个问题影响了它的发展速度，但它仍然在计算机的持续发展中发挥作用。未来学习生活中，我们不仅要研究粒子系统的优点和功能，其解决方法是改变其缺点，不断挖潜，为了能够很好地发挥粒子系统的作用，应用范围让它变得更加普遍。
1.2 系统研究意义
船舶火灾安全对船舶存活功能十分关键，船舶消防的一个热门方面是对船舶火灾的模拟[6]，虚拟现实技术为船舶火灾和消防的可视化搭建了一个有用的平台，对船舶消防的模拟、训练、决策和评估具有非常重要的作用。船舶消防的虚拟现实[7]，便是通过计算机营建具有3 I特性的虚拟船舶环境和火灾使消防职员在类似实战的逼真环境中进行模拟训练以提高应对船舶复杂火灾情况的处置和决策能力，并对火灾可能会形成的一些问题及船舶职员的消防能力进行评估，以此引导船舶消防训练和稳定工程设计。
自然景观如火焰的模仿被广泛使用。几十米高的海啸波浪从屏幕冲来和地球与小行星碰撞，模拟碎片到现场将让那些坐在电影院的观众惊讶，非常震惊！另外，在现代世界，建筑物和大自然中各种类型的火灾的正确判断，将有助于引导人们撤离。试点培训，粒子系统实际上可以复制周围的飞行环境，让飞行员减去不必要的伤害，降低训练成本。
通过模拟火焰，重现船舶的火灾是非常好的，所以保护火灾对于船的生存来说非常重要。在复杂的视觉系统中，火焰烟雾的动态效应的现实效果直接影响着整个功能。
1.3 国内外研究现状
虚拟现实（Virtual Reality）是一种先进的人机接口技术[8]，利用它计算机可以产生一个三维的、基于感知信息的临场环境，该环境对用户的控制行为做出动态的反应，并被用户的行为所控制。它是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“进入”到该环境中，实现用户与该环境进行自然交互的技术。一个成熟的虚拟现实环境[9]应该允许“参与者”利用视觉、听觉、触觉等感官功能去感受，利用对话、拾取和放置等行为对其中的虚拟实体进行操作。在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够,还必须提供基本的软件支撑环境[11],用户能方便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。为了使VR技术得到广泛应用,很有必要分析虚拟现实系统软件支撑环境体系结构[10]。
我国对VR技术的研究起步于20世纪90年代初,发展到现在已初步取得了成果。国内的一些科研单位如清华大学的临场感应技术重点实验室、北京航空航天大学的三系、中国民航学院、浙大计算机仿真重点实验室、空军第二航空学院、空军工程学院和解放军信息工程大学等,对虚拟现实的研究取得了重要成果,在某些方面的研究已经接近国际先进水平[12]。
目录
第一章 绪论 1
1.1 系统研究背景 1
1.2 系统研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本课题主要研究内容 3
1.5 章节结构 3
第二章 开发环境及相关技术介绍 4
2.1 开发环境的选择 4
2.2 开发工具简介 4
2.2.1 Visual Studio 2012的介绍 4
2.2.2 OpenGL开放图形库的介绍 4
2.2.3 Unity3D介绍 5
第三章 需求分析及系统设计 7
3.1 系统需求 7
3.1.1 整体需求 7
3.1.2 子系统需求 7
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
舰船虚拟火灾训练系统设计 7
3.2.1 系统总体设计 7
3.2.2 火焰、烟雾建模子系统设计 9
第四章 粒子系统及纹理映射详解 10
4.1 粒子系统基本思想 10
4.2 粒子系统的特点 10
4.3 粒子系统的过程 11
4.3.1 粒子的生成及其初始化 11
4.3.2 粒子的运动 12
4.3.3 粒子的死亡 13
4.3.4 粒子的绘制 13
4.4 OpenGL的纹理映射 14
第五章 不同方式的模拟 18
5.1 基于OpenGL的粒子系统生成火焰 18
5.1.1 粒子发射器 18
5.1.2 粒子添加器 19
5.1.3 粒子更新器 20
5.1.4 火焰粒子的绘制 20
5.2 基于Unity3D粒子系统的火焰烟雾模拟 21
5.2.2 加深真实效果的相关组件介绍 24
5.2.3 火焰烟雾的制作 26
5.3 两种方式的比较 30
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 系统研究背景
由于船舶火灾中火焰烟雾不仅具有细致的表面纹理和不规则轮廓[1]，而且能够随着时间的推移不断变化，目前的电脑的计算能力和存储容量都发展很快，但仍然存在不能完全模拟燃烧的火焰的问题，因为存在的这些问题，根据不同的发展方向，用计算机图形知识来描绘火及其动态行为具有很大的实际应用。
随着时代发展的时代，国内外研究科学家在火焰模拟研究中，根据他们的研究，有很多方法，如粒子系统[2]，细胞自动机，分形过程，照明和纹理映射[3]等。对象运
种方式迄今为止被研究人员认为这是模拟不规则自然风光最有用的方式，这也在本文中，模拟用于研究火焰烟雾的所用到的知识。
粒子系统的基本思想[4]是通过简单的粒子图元代替多边形来定义对象的大小，从而很大程度上解决了一般计算机图形难以解决的一些负载建模的问题。粒子系统中的粒子都拥有属于自己的特点，随着时间的变化，粒子的性质会随之发生相应变化，从而显示一系列不规则事物的运动特征。
粒子系统的方法从一开始定义到现在就已经讨论了近40年。在当今世界，人们获得了很多粒子系统方面的研究成果，应用领域正在扩大，发展前景非常好。对于整个计算机图形理论，粒子系统在计算机图形学的发展中起着至关重要的作用[5]。然而，粒子系统本身并不是没有缺陷，因为这种方式本身存在一些缺陷，这个问题影响了它的发展速度，但它仍然在计算机的持续发展中发挥作用。未来学习生活中，我们不仅要研究粒子系统的优点和功能，其解决方法是改变其缺点，不断挖潜，为了能够很好地发挥粒子系统的作用，应用范围让它变得更加普遍。
1.2 系统研究意义
船舶火灾安全对船舶存活功能十分关键，船舶消防的一个热门方面是对船舶火灾的模拟[6]，虚拟现实技术为船舶火灾和消防的可视化搭建了一个有用的平台，对船舶消防的模拟、训练、决策和评估具有非常重要的作用。船舶消防的虚拟现实[7]，便是通过计算机营建具有3 I特性的虚拟船舶环境和火灾使消防职员在类似实战的逼真环境中进行模拟训练以提高应对船舶复杂火灾情况的处置和决策能力，并对火灾可能会形成的一些问题及船舶职员的消防能力进行评估，以此引导船舶消防训练和稳定工程设计。
自然景观如火焰的模仿被广泛使用。几十米高的海啸波浪从屏幕冲来和地球与小行星碰撞，模拟碎片到现场将让那些坐在电影院的观众惊讶，非常震惊！另外，在现代世界，建筑物和大自然中各种类型的火灾的正确判断，将有助于引导人们撤离。试点培训，粒子系统实际上可以复制周围的飞行环境，让飞行员减去不必要的伤害，降低训练成本。
通过模拟火焰，重现船舶的火灾是非常好的，所以保护火灾对于船的生存来说非常重要。在复杂的视觉系统中，火焰烟雾的动态效应的现实效果直接影响着整个功能。
1.3 国内外研究现状
虚拟现实（Virtual Reality）是一种先进的人机接口技术[8]，利用它计算机可以产生一个三维的、基于感知信息的临场环境，该环境对用户的控制行为做出动态的反应，并被用户的行为所控制。它是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“进入”到该环境中，实现用户与该环境进行自然交互的技术。一个成熟的虚拟现实环境[9]应该允许“参与者”利用视觉、听觉、触觉等感官功能去感受，利用对话、拾取和放置等行为对其中的虚拟实体进行操作。在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够,还必须提供基本的软件支撑环境[11],用户能方便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。为了使VR技术得到广泛应用,很有必要分析虚拟现实系统软件支撑环境体系结构[10]。
我国对VR技术的研究起步于20世纪90年代初,发展到现在已初步取得了成果。国内的一些科研单位如清华大学的临场感应技术重点实验室、北京航空航天大学的三系、中国民航学院、浙大计算机仿真重点实验室、空军第二航空学院、空军工程学院和解放军信息工程大学等,对虚拟现实的研究取得了重要成果,在某些方面的研究已经接近国际先进水平[12]。
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