【正文】 2 1 3 4 三維交通工具建模 人物對(duì)象 車(chē)輛對(duì)象 對(duì)象行動(dòng)路線(xiàn)設(shè)定 案情事件觸發(fā)設(shè)定 三維室外道路空間建模 28 （三）課題分解 系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)包括 警用交互式快速建模平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真、大規(guī)模場(chǎng)景的繪制以及分布式軟件系統(tǒng)的構(gòu)架。具體分工如 下所示： ? 承擔(dān)單位：負(fù)責(zé)核心技術(shù)與算法的研究 , 警用快速建模方法的研發(fā)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真算法研究。以目前的技術(shù)手段和本項(xiàng)目的主要目標(biāo)而言，實(shí)現(xiàn)交通事故的真實(shí)再現(xiàn)是做不到的，本項(xiàng)目系統(tǒng)僅通過(guò)設(shè)定重要的影響因素和交通事故后所能取得的重要物理指標(biāo)進(jìn)行定性的仿真與模擬，以實(shí)現(xiàn)對(duì)事故分析的輔助分 析。同時(shí)在這一模式下，需要對(duì)各種道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造，例如典型的橋梁、路況、路燈、交通標(biāo)識(shí)、交通信號(hào)燈等的快速建模。 流程圖見(jiàn)圖 10， 這里不再展開(kāi)詳述。另外，特別引入了各類(lèi)消防車(chē)的模型，包含在滅火單位的描述中。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的火災(zāi)都發(fā)生在室內(nèi)，為此火警消防模式中主要對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行建模，并且此模式中將添加了滅火器、消火栓、滅火器箱、安全通道等與火災(zāi)密切相關(guān)的三維建模元素。對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域的刑事案件的預(yù)防，可以通過(guò)可能的 場(chǎng)景預(yù)演，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的科學(xué)預(yù)案等。這是本項(xiàng)目系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)的建模引擎和仿真計(jì)算引擎有別于數(shù)字娛樂(lè)的電腦游戲相關(guān)引擎的具體表現(xiàn)。路徑制定步驟著重于各類(lèi)行動(dòng)路線(xiàn)設(shè)置，以及案發(fā)動(dòng)態(tài)對(duì)象模擬 事件的設(shè)定（例如子彈穿越、 手榴彈爆炸等， 飛刀 入體等）。指定相關(guān)模型屬性特征，通過(guò)和三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)中信息進(jìn)行比對(duì)，自動(dòng)或手動(dòng)地確定繪制模型中繪制方式。 為增加直觀性，以如下的場(chǎng)景示意圖圖 8 場(chǎng)景為例。 不同應(yīng)用模式的具體設(shè)計(jì)和應(yīng)用簡(jiǎn)要分析如下。 系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的用戶(hù)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)快速建模和動(dòng)態(tài)仿真分析，在具體應(yīng)用過(guò)程中界面將實(shí)現(xiàn)操作界面的動(dòng)態(tài)變化。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障 。 7. 系統(tǒng)安全全體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。場(chǎng)景信息的交換采用X3D 和 XML 相結(jié)合的方式，主要考慮 X3D 是可擴(kuò)展的開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，在 WEB 上實(shí)現(xiàn)了與 XML、 SVG、 MPEG4 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的互操作。具體選擇由用戶(hù)按直觀性需求指定。其核心是創(chuàng)建示例工具庫(kù)來(lái)標(biāo)注場(chǎng)景信息。 。 該子系統(tǒng)是基于警用需求所設(shè)計(jì)的二維矢量分析和仿真子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定合理的交互方式，包括路徑設(shè)定、可計(jì)算仿真對(duì)象 指定 等來(lái)完成，通過(guò)訪問(wèn) 警用對(duì)象信息數(shù)據(jù)庫(kù)，觸發(fā)仿真引擎，完成動(dòng)態(tài)對(duì)象仿真的計(jì)算。采用層的復(fù)制實(shí)現(xiàn)形狀與底層形狀相匹配等問(wèn)題。此種設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是，三維視窗區(qū)及其右鍵菜單承擔(dān)了大多數(shù)的操作，輔助以界面上部的菜單和工具欄，使受過(guò)良好訓(xùn)練的用戶(hù)可以快速的進(jìn)行建模操作。 部分典型模型，如人、刀具、簡(jiǎn)單家具等，可以直接從模型庫(kù)中通過(guò)設(shè)定參數(shù)輸出。具體而言， 輸入由一個(gè)用戶(hù)配置的 XML，一組按照標(biāo)準(zhǔn)方式開(kāi)發(fā)的插件 DLL 以及相關(guān)的各種媒體資源所組成。 2. 警用三維快速建模子系統(tǒng) 。 19 場(chǎng)景信息數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)于面向警用領(lǐng)域大規(guī)模場(chǎng)景繪制 與渲染功能，用于用戶(hù)交互或系統(tǒng)自動(dòng)地區(qū)分場(chǎng)景中模型的繪制方法，包括 表意性繪制或真實(shí)感繪制。此數(shù)據(jù)庫(kù)是基于草圖的快速建模的技術(shù)的基礎(chǔ)，二維草圖的形狀信息以及相關(guān)參數(shù)信息的建立是由三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)采用人工智能、統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法獲得的。 1. 相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。 圖 3 場(chǎng)景繪制與渲染結(jié)構(gòu) 18 交 互 式 快 速 建 模 平 臺(tái)三 維 快 速 建 模 子 系 統(tǒng)動(dòng) 態(tài) 仿 真 子 系 統(tǒng)系統(tǒng)安全體系（用戶(hù)權(quán)限、角色管理、存取控制）軟 硬 件 及 網(wǎng) 絡(luò) 體 系三 維 模 型 數(shù) 據(jù) 庫(kù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（數(shù)據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、共享標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)接口標(biāo)準(zhǔn)）二 維 矢 量 編 輯 子 系 統(tǒng)個(gè) 性 化 標(biāo) 注 子 系 統(tǒng)網(wǎng) 絡(luò) 發(fā) 布 子 系 統(tǒng)快 速 建 模 引 擎外 部 G I S 系 統(tǒng) 等仿 真 計(jì) 算 平 臺(tái)仿 真 計(jì) 算 引 擎場(chǎng) 景 信 息 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 警 用 對(duì) 象 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 圖 4 系統(tǒng)總體框 架圖 系統(tǒng)分布式架構(gòu)主要考慮建模和仿真的場(chǎng)景能在公安系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)部門(mén)中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞，開(kāi)放式系統(tǒng)主要是指系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)支持相關(guān)添加、刪除、編輯等數(shù)據(jù)操作；快速建模和仿真引擎支持相關(guān)模塊與方法、技術(shù)的改進(jìn)與添加；各子系統(tǒng)的功能方便地?cái)U(kuò)展。 項(xiàng)目將對(duì)表意性繪制與真實(shí)感繪制的融合機(jī)制做重點(diǎn)研究，采用三維表 意性繪制、模型包圍盒顯示以及個(gè)性化標(biāo)注相結(jié)合的策略，使得整個(gè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景直觀、明晰、真實(shí)感強(qiáng)。 對(duì)于 室內(nèi)場(chǎng)景 、人群流動(dòng)、火焰等 采用真實(shí)感渲染的方法逼真繪制，以增加用戶(hù)的真實(shí)感感受。根據(jù)物 理模型的選擇，系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行求解。具體而言，對(duì)于子彈、飛刀等剛體運(yùn)動(dòng)與碰撞，主要采用質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的歐拉 拉格朗日方程進(jìn)行統(tǒng)一模擬，并對(duì)碰撞等現(xiàn)象作具體分析；對(duì)于柔性物體，我們采用基于多分辨率的物理方法，對(duì)物體做實(shí)體網(wǎng)格處理，進(jìn)而通過(guò)有限元等方法建立相應(yīng)的控制方程求解模擬；對(duì)于火焰、煙霧、人群等流動(dòng)對(duì)象，采用有限差分法和具體的警用行業(yè) 規(guī)范進(jìn)行近 似地?cái)U(kuò)散模擬。 根據(jù)警用實(shí)際特點(diǎn)，個(gè)性化標(biāo)注采用附加三維包圍盒信息和必要物理屬性（如材質(zhì)等）的表示方法，主要目的是為使仿真效果更加直觀，也有利于與可計(jì)算模擬對(duì)象之間相互影響的計(jì)算。 重大事件的場(chǎng)景復(fù)雜，影響因素很多， 完全實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)行為的真實(shí)模擬，難度較大 ，目前的硬件設(shè)備也不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)計(jì)算的需要，本項(xiàng)目重點(diǎn)采用以下處理。由于二維 到三維的映射問(wèn)題是一個(gè)欠約束問(wèn)題，引入基于曲面曲率計(jì)算的光順性度量作為附加的約束條件，以使問(wèn)題 得以解決 。 采用計(jì)算機(jī)視覺(jué) 相機(jī)標(biāo)定問(wèn)題和稀疏點(diǎn)的三維恢復(fù)問(wèn)題 方法 實(shí)現(xiàn)，這樣算法實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)量和風(fēng)險(xiǎn)都可降低。由于我們的概率表達(dá)模型 14 對(duì)應(yīng)于整個(gè)建筑等 模型的生成過(guò)程，因此可以對(duì) 模型如建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展出各種形狀參數(shù)的概率估計(jì)方法。 采用統(tǒng)一的參數(shù)和符號(hào)，將三維警用 模型表達(dá)為一個(gè)過(guò)程式生成過(guò)程 ， 是一個(gè)較為簡(jiǎn)便易行的方法。項(xiàng)目將 借鑒這種思路，將其推廣到網(wǎng)格曲面情況，主要考察網(wǎng)格曲面的二階微分量。特別的，這種基于概率模型的整體表達(dá)方法有助于消除三維語(yǔ)境中，草圖交互過(guò)程 的二義性與模糊性 。 基于草圖的建模方法的研究已經(jīng)較為廣泛，本項(xiàng)目的建模方法實(shí)在已有成果基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 據(jù)此，項(xiàng)目重點(diǎn)研發(fā)基于草圖的交互式建模技術(shù)，主要從形狀文法和基于圖像建模角度入手，作研究和突破，從而達(dá)到快速建模的目的。 并在此基礎(chǔ)上 ，在應(yīng)用單位建設(shè)支持協(xié)同工作與場(chǎng)景 信息傳遞的的分布式、開(kāi)放式軟件平臺(tái) ，進(jìn)行應(yīng)用示范。因此，基于上述警用實(shí)際需要而提出的項(xiàng)目研發(fā)成果必然具有廣泛的應(yīng)用前景，可以在全省乃至全國(guó)公安系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用，從而對(duì)提高刑事案件的破獲率、惡性事件的科學(xué)分析與事前預(yù)案、災(zāi)情應(yīng)急處理與救助起到積極作用。 （二）經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 、應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化分析 警用三維快速建模與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是面向公安系統(tǒng)重大需求而進(jìn)行的研究與開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目的成功研發(fā)將有助于解決公共場(chǎng)所災(zāi)情預(yù)警與災(zāi)后救助，提高公安系統(tǒng)應(yīng)急救援與處理能力。 四、 項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)（主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景） （一） 主要技術(shù)指標(biāo) 本項(xiàng)目針對(duì)警用快速建模與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真需求，在總結(jié)已有建模和仿真等相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)警用領(lǐng)域的特定應(yīng)用需求，突破其中若干關(guān)鍵技術(shù)，并建立應(yīng)用示范，其主要功能與性能指標(biāo)包括 ： 10 1）系統(tǒng)具有開(kāi)放的軟件體系架構(gòu)，能夠支持建模方法的擴(kuò)展、仿真算發(fā)的改良與生長(zhǎng)，用戶(hù)插件的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用模式的拓展，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)日益增長(zhǎng)的用戶(hù)需求不斷發(fā)展，并支持場(chǎng)景信息和動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)的分布式管理； 2） 系統(tǒng)能夠集成二、三維場(chǎng)景信息以及文本、影像、音視頻數(shù)據(jù)。 3) 將規(guī)則驅(qū)動(dòng)的過(guò)程式建模與草圖交互技術(shù)相結(jié)合來(lái)構(gòu)建三維幾何形體，做到造型直觀性和造型精確性之間的均衡。尤其是在所給控制參數(shù)和 圖像信息不足的情形下中如何快速建立模型。 （ 3） 對(duì)應(yīng) 用 領(lǐng)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)對(duì)象做有效仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰、人群以及作案工具等的運(yùn)動(dòng)仿真， 平衡仿真過(guò)程中的 運(yùn)行速率和 仿真有效性問(wèn)題。在本項(xiàng)目中，核心問(wèn)題是模型建立的快速準(zhǔn)確以及動(dòng)態(tài)仿真的有效性。 5）應(yīng)用示范 項(xiàng)目將以某省會(huì)城市公安局為示范單位建立警用快速建模與仿真系統(tǒng) 。 b. 對(duì)規(guī)模較大的場(chǎng)景，即對(duì)人群運(yùn)動(dòng)、大規(guī)模的建筑場(chǎng)景等， 采 用采樣點(diǎn)和層次繪制技術(shù)相結(jié)合的方式，優(yōu)化計(jì)算分解和計(jì)算重用， 提高 虛擬對(duì)象的繪制規(guī)模 。 7 2）突發(fā)事件場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)仿真 定性與定量地對(duì)突發(fā)事件中對(duì)象進(jìn)行仿真 ， 對(duì)突發(fā)事件的下一步發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行 有效地預(yù)測(cè)， 實(shí)現(xiàn)重大案情 、事件 的重現(xiàn)、還原以及預(yù)演， 能幫助警員做出正確的決策與預(yù)案。 b. 對(duì)于場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)模型，包括人、交通工具、作案工具等，重點(diǎn)研發(fā)個(gè)性化標(biāo)注與參數(shù) 化模型庫(kù)建立和應(yīng)用技術(shù)。本項(xiàng)目中的建模首先必須快速，其次是要能 準(zhǔn)確地反映事件的 實(shí)際 環(huán)境。 6 三、 研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) （一）研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容 為 滿(mǎn)足公安 系統(tǒng)在處理突發(fā)刑事案件、火災(zāi)、交通事故等時(shí) 現(xiàn)場(chǎng) 應(yīng)急決策和提早 預(yù)案需求，本項(xiàng)目 研發(fā) 警用的 三維 快速建模與動(dòng)態(tài) 實(shí)時(shí) 仿真系統(tǒng) ， 突破其中交互式快速建模、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真、大規(guī)模場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制等關(guān)鍵技術(shù)，建立分布式、開(kāi)放式軟件平臺(tái)， 并 建立應(yīng)用示范。 項(xiàng)目中建模方法與已有軟件的 交互式建模方法有一定不同。在 虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域， 動(dòng)態(tài)對(duì)象模擬 多用于數(shù)字娛樂(lè)的游戲、影視制作的特技等，這些應(yīng)用一般僅要求視覺(jué)真實(shí)，不考慮精度問(wèn)題。這些導(dǎo)致了 另一個(gè)問(wèn)題， 即 建模的效率 較低 。因此必須探索新的仿真策略和方法，以實(shí)現(xiàn)警用動(dòng)態(tài)對(duì)象的實(shí)時(shí)仿真。非物理的方法主要采用幾何等方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)象的仿真，這類(lèi)方法的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算速度快，但是對(duì)于警用領(lǐng)域而言，劣勢(shì)也比較明顯，因單純依賴(lài)計(jì)算機(jī)輔助幾何分析等理論，難于結(jié) 合 對(duì)象的材料等屬性進(jìn)行仿真，從而即使仿真結(jié)果視覺(jué)上比較逼真， 模擬結(jié)果上也達(dá)不到應(yīng)用需求。 這三類(lèi)方法優(yōu) 缺點(diǎn)各異 ，見(jiàn)表 1，但都不能同時(shí)達(dá)到操作簡(jiǎn) 單、建模效率高、精度合適的效果，直接應(yīng)用于警用快速建模，都存在著 不足， 因此探索新的三維造型方法很有必要。描述式造型方法沒(méi)有交互式造型的直觀性，掌握命令行或者腳本相對(duì)困難，但是其執(zhí)行的效率很高，且更易精確地描述模型的屬性。在結(jié)構(gòu)方面，形狀語(yǔ)法被非常成功地運(yùn)用在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中的構(gòu)造和分析上 。這種方法通常采用的是過(guò)程化建模，最早起 源于過(guò)程式的紋理圖像生成技術(shù)。通過(guò)這些簡(jiǎn)單的操作，就能構(gòu)造出較為復(fù)雜的幾何圖形。根據(jù)操作內(nèi)容和處理流程的不同，可以將當(dāng)前的主流造型 技術(shù)分為：交互式建模、描述式建模、和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式建模三類(lèi)。 本項(xiàng)目擬 在近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域以及分布式計(jì)算技術(shù)研究與發(fā)展的基礎(chǔ)上，突破警用快速建模與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真的若干關(guān)鍵技術(shù)，包括警用場(chǎng)景的三維快速建模、警用動(dòng)態(tài)對(duì)象仿真、場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制與渲染等；研發(fā)界面友好、開(kāi)放軟件體系架構(gòu)的三維快速建模和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，并在公安部門(mén)建立應(yīng)用示范。同時(shí)，面向警用對(duì)象的動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用也尚未開(kāi)展，其主要原因在于面向該領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)尚缺乏足夠的領(lǐng)域智能技術(shù)支持。一方面，重大刑事案件的現(xiàn)場(chǎng)分析和應(yīng)對(duì)，需要快速、直觀地掌握案件中對(duì)象（疑犯、著火點(diǎn)等）的環(huán)境信息，包括室內(nèi)外建筑物場(chǎng)景等，以幫助現(xiàn)場(chǎng)決策與指揮；另一方面，重要公共設(shè)施（如體育場(chǎng)館、會(huì)議中心等）都需要對(duì)可能出現(xiàn)的 災(zāi)情做出合理地模擬仿真，以便提出科學(xué)的應(yīng)對(duì)預(yù)案。 1 警用三維快速建模仿真系統(tǒng)研發(fā) 及 應(yīng)用 示范 項(xiàng)目 可行性報(bào)告 一、 立項(xiàng)的背景和意義 在日常生活中，重大刑事案件、火災(zāi)、重大交通事故等嚴(yán)重威脅著國(guó)家和人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全，如何準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)這類(lèi)突發(fā)惡性事件，并作出及早預(yù)案以及事后分析總結(jié)是公安部門(mén)亟待解決的重大科技問(wèn)題。在課題組多年與市 公安系統(tǒng)的合作研究中總結(jié)發(fā)現(xiàn)，公安系統(tǒng)針對(duì)案件和事故現(xiàn)場(chǎng)的快速建模和仿真的需求最為迫切。 面對(duì)公安系統(tǒng)對(duì)三維快速建模與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)仿真的迫切需求，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成 2 熟的技術(shù)手段，可以依據(jù)少量的已知圖像或描述信息來(lái)快速 準(zhǔn)確地重構(gòu)警用場(chǎng)景模型，并提供和諧的人機(jī)交互界面，以方便廣大公安干警等非專(zhuān)業(yè)人士使用。系統(tǒng)的核心問(wèn)題是正確地建立突發(fā)事件場(chǎng)所的室內(nèi)外場(chǎng)景；刻畫(huà)出突發(fā)事件的主要真實(shí)情景；模擬事件過(guò)程中可能出現(xiàn)的后果；在安防部門(mén)內(nèi)部快速傳遞現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)信息。 1. 快速建模技術(shù) 快速 建模 技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的重要領(lǐng)域，從二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展成為重要的研究領(lǐng)域和工業(yè)產(chǎn)業(yè)。這類(lèi)軟件一般都提供了對(duì)點(diǎn)線(xiàn)面的基本 3 操作，比如復(fù)制、移動(dòng)、刪除、變換、拉伸等等。 描述式造型方法通常采用命令行或者腳本等形式來(lái)描述對(duì)象，再由建模系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為內(nèi)部造型指令，最后生成目標(biāo)模型。對(duì)于植物的幾何建模， Prusinkiewicz 和 Lindenmayer 展示了可以通過(guò)使用 L系統(tǒng)來(lái)生成可以由類(lèi)似于 LOGO 語(yǔ)言的小烏龜來(lái)解釋運(yùn)行的字符串 。形狀語(yǔ)法簡(jiǎn)化后