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粒子系统算法在矿井巷道风流三维可视化中的应用 陈学习 1, 周 刚2, 王 平3 1 华北科技学院 安全与环境工程系, 北京 东燕郊 101601; 2 安徽电力建设第二工程公司, 安徽 淮南 232001; 3 中国矿业大学 北京校区, 北京 100083 摘 要 基于粒子系统算法, 采用科学可视化技术, 研究了矿井巷道风流三维可视化的若干关键问题, 实现了 巷道内风流方向、 风流性质、 风流速度和风流大小等方面的逼真显示和实时交互查询, 对提高矿井通风管理 水平起到了一定的促进作用。 关键词 粒子系统算法; 矿井通风; 三维可视化; 巷道风流 中图分类号 TD723 文献标识码 A 文章编号 1672- 7169200404- 0039- 05 矿井通风是矿山重要的日常工作之一, 传统 矿井通风网络图所反映的矿井巷道间连接关系及 风流的流动路线, 虽然具有一定的直观性, 但存在 许多缺陷, 如无法从图上反映风流的性质, 不能显 示风流流动的速度和巷道内风量的大小等。随着 可视化技术在矿山应用的不断深入, 人们迫切希 望能够实现矿井巷道风流的直观动态显示和实时 交互查询, 以便为矿井通风管理和防灾救灾等工 作提供可靠的依据。本文正是基于这种思想, 采 用粒子系统算法, 借助科学可视化技术, 以巷道内 部流动的短线演示风的流动, 短线的颜色来表示 风流的性质 即新泛风 , 短线运动的速度模拟演 示巷道风流的速度, 短线的粗度和密度来表示风 流的大小, 并实现了巷道的半透明显示 使巷道内 演示短线可见 , 达到较好的矿井巷道风流可视化 模拟效果, 对促进矿山通风管理水平的提高起到 了一定的积极作用。 1 粒子系统算法的基本原理 1983 年 Reeves 提出了一种模拟不规则模糊 物体的方法, 即粒子系统方法。它充分体现了模 糊物体的动态性和随机性, 能很好地模拟风中飘 摇的树枝、 流云、 浪花、 薄雾、 雨水和雪花等三维复 杂自然景物。 粒子系统模型的基本思想是用大量的、 具有 一定生命的粒子图元来描述自然界不规则的模糊 景物。每个粒子在任一时刻都具有随机的形状、 大小、 颜色、 透明度、 运动方向和运动速度等属性, 并随时间推移发生位置、 形态的变化。每个粒子 的属性及动力学性质均由一组预先定义的随机过 程来说明。粒子在系统内都要经过 产生、 活 动和 死亡这三个具有随机性的阶段, 在某一时 刻所有存活粒子的集合就构成了粒子系统的模 型。 11 粒子的产生及初始属性 粒子的产生由粒子产生函数来控制, 该函数 一般是随机函数。每一帧产生的数目直接影响着 模糊物体的密度, 常使用下述两种方法进行定 义 1 第fi 帧新产生粒子数目 NP fi 直接定义 为 NP fi MNP fi Rand * VNP fi ; 式中, Rand 是[ - 10, 10] 上均匀分布的 随机函数, MNP fi 和 VNP fi 是第 fi 帧新产生 粒子数目的平均值和方差。 2 第 fi 帧新产生粒子数目 NP fi , 根据它 所模拟的物体在屏幕上显示的大小而定义为 NP fi MNPS fi Rand * VNPS fi * SA 39 第 1 卷 第 4 期 华北科技学院学报 2004 年 12 月 作者简介 陈学习 1972- , 男, 江苏徐州人, 在读博士, 华北科技学院安全系讲师, 主要从事 3DGIS 数字矿山和煤矿安全研究。 收稿日期 2004- 10- 23 式中, MNPS fi 和 VNPS fi 是第 fi 帧每单 位屏幕面积产生的粒子数目的平均值和方差, SA 是粒子系统的屏幕面积。上面两式中粒子数目的 平均值和方差可定义为常数或变量。对每一新产 生粒子都必须赋以初始属性, 如初始位置、 方向、 颜色、 透明度、 尺寸、 形状和生存期等。 12 粒子的活动 粒子产生后, 一帧接一帧的运动, 直至死亡。 粒子的运动轨迹可以设定为固定值, 也可以用随 机函数来控制, 在运动过程中, 可以改变其颜色、 透明度、 大小、 运动轨迹、 生命值等。 13 粒子的死亡 粒子一产生就赋予了生存期 L f0 , 用帧数 来度量, 随着粒子一帧一帧的运动而递减, 即 L fi L fi- 1 - 1, 递减到零时, 粒子死亡。将其 从系统中删除。还可采用其他方法来衡量粒子的 存亡。如, 当粒子的颜色和透明度低于限定值, 或 粒子的运动超出给定距离, 则可认为粒子死亡, 将 其从系统中删除。粒子的产生、 活动、 死亡这三个 阶段构成了一幅动态进化的画面。 2 用改造的粒子系统算法实现矿井巷道 风流可视化模拟 21 传统粒子系统算法的改造 传统的基于粒子系统方法的物体建模使用粒 子的诞生、 活动及死亡三个阶段来描述, 并且这三 个阶段具有随机发生特性, 在某一时刻活动的粒 子集合就构成物体模型。如果对传统的基于粒子 系统的方法进行改造即可实现巷道风流模拟演 示。方法是确定其生命的三个阶段的发生过程, 除去其随机特性, 具体如下 1 控制粒子生成的位置 在传统的粒子系统中, 每个粒子生成的开始 点是随机产生的。为了实现巷道风流模拟演示, 需要把生成粒子开始点的位置固定在要进行风流 模拟演示的巷道起始点。 2 控制粒子运动 活动 的路径和速度 为了实现巷道风流模拟演示需要将粒子运动 的路径固定在巷道中, 粒子运动的速度可以控制 为和实际风流的运动速度相当。 3 控制粒子消亡的时间 每个粒子的消亡时间是它运动到巷道的末点 的时刻。 另外, 对粒子赋不同的颜色即可区别风流的 性质, 即新风或泛风。 22 粒子结构设计 粒子可以用点状物体来表达, 当然也可用其 他形状的图元来表示, 本文采用短线来表达粒子。 由一条或多条短线在巷道中的移动来表示巷道中 的风流。将每一个短线作为一个粒子, 短线的移 动速度作为粒子的移动速度, 短线的颜色作为粒 子的颜色, 短线的产生位置作为粒子的产生位置。 根据矿井巷道的特殊性, 以及模拟目的, 提出粒子 的结构如下 Struct WindPartic { Pt3D mpStart; // 开始点 Pt3DmpEnd;// 结束点 DoublempLengTH;// 短线长度 DoublempPace;// 运动速度步长 DoublempAngle;// 运动方向 巷道 的方位角 COLORFLTmpColor;// 颜色 CStringmpType;// 粒子性质 LongmpWidth;// 宽度 LongmpLife;// 生命值 } ; 在粒子结构中所用到的点结构为 struct Pt3D { double x, y, z; Pt3D {} ; Pt3D double x1, double y1, double z1 { x x1; y y1; z z1; } ; double Distance PT3D p; } ; 颜色的结构 40 第 1 卷 第 4 期 华北科技学院学报 2004 年 12 月 struct COLORFLT { float r, g, b, a; void SetColor float red, float green, float blue, float alpha 10f; void SetRGBBYTE BYTE red,BYTE green, BYTE blue ; COLORFLT operator COLORREF const; BYTE RedBYT E const; BYTE GreenBYTE const; BYTE BlueBYTE const; } ; 23 控制粒子系统实现巷道风流可视化模拟 实现巷道风流可视化模拟所需的数据保存在 通风数据库中, 所以不需要重新构建数据库, 只需 要从通风数据库中直接得到数据即可。需要的巷 道风流数据包括 巷道号、 巷道长度、 巷道起点坐 标、 巷道终点坐标、 风量、 风速、 风流性质 新泛风 等。这些数据保存在通风数据库中。其中风量, 风速, 风流性质, 风向 巷道风速的正负 等是从现 场实时得到的。控制粒子系统实现巷道风流可视 化模拟方法如下 1 生成粒子的位置 粒子的初始值, 从数据库中得到巷道的起始 点和终点, 根据风流的运动方向, 确定粒子的产生 位置。确定方法 从数据库中获得风流速度 V, 如 果 V 0, 则粒子的产生位置为巷道的起点, 否则, 如果 V 0, 粒子的产生位置为巷道的终点。 2 粒子的颜色 粒子的颜色用来表示风流的性质, 从数据库 中取得粒子所在巷道的风流性质, 赋值于该粒子 的性质。且当风流性质为新风时 mpColor RED; 当 风 流 性 质 为 泛 风 时 mpColor GREEN。 3 粒子长度 粒子长度和粒子直径都是来表达巷道风流的 大小的。本论文采用粒子长度来表达。首先从数 据库中得到巷道风量 Q, 将风量乘以一个系数 w, 取整后赋给粒子长度。具体做法是 mpLength Qw。 4 粒子直径 同上 5 粒子运动速度 用粒子运动速度来表达巷道风流速度。粒子 的运动速度是指粒子在下一帧的显示位置与上一 帧显示位置的差值的大小。从数据库中取得巷道 风流速度值 V, 取绝对值后乘以系数 w, 赋值于粒 子运动速度。具体做法是 mpSpace Vw。 6 粒子的生命值 粒子的生命值表示粒子能够存活的步数, 即 如果粒子每一帧都显示的话, 它能在多少帧后灭 亡。对巷道风流粒子的生命值可以采用两种方法 来获得 一是设巷道的长度为 Ll, 粒子的长度为 Pl, 粒子运动的步长 即其速度 S, 则该粒子的生 命值为 mpLife Ll/ Pl S 。此时, 每显示一 次该粒子就要将其生命之减一, 当 mpLife 0 时, 该粒子消亡; 二是生命值为无群大, 此时粒子 的消亡不能靠其生命值来判断, 而是当其移动到 或超过巷道的终点时消亡。 3 粒子系统算法关键程序及其流程图说明 限于篇幅, 论文只对与粒子绘制和粒子运动 有关的关键算法及流程图进行说明, 如图 1 所示, 首先从数据库中读取数据, 包括巷道号、 巷道长 度、 巷道起点坐标、 巷道终点坐标、 风量、 风速、 风 流性质 新泛风 。然后生成粒子并根据数据库读 取的数据为粒子赋初值, 在计算粒子的中间运动 状态后, 开始粒子的绘制和显示。 粒子变量定义和初始化关键程序如下 粒子变量定义 WindPartic * mpDotSmoke[100]; // 粒子 粒子变量初始化 for int i 0; i 100; i // 为粒子分配内存 { mpSmoke[ i] new WindPartic[500] ; } 粒子变量销毁 41 第 4 期陈学习等 粒子系统算法在矿井巷道风流三维可视化中的应用 图 1 粒子系统算法主要程序流程图 for i 0; i 100; i / /程序结束时释放粒子 所占内存 { ifmpDotSmoke[i] delete mpDotSmoke[i] ; } 在某一帧上绘制粒子时首先要计算粒子状 态, 确定粒子位置、 颜色、 大小和生命值等, 然后绘 制粒子, 最后刷新显示屏, 准备绘制下一帧粒子。 4 实例与结论 基于上述原理和思路, 我们开发了矿井巷道 风流三维可视化模拟系统。系统中提供巷道的半 透明功能可为风流模拟服务, 这样可以使模拟点 线显示出来。用户可以选择要进行模拟的巷 道, 系统将根据用户的选择, 从数据库中读取这些 巷道的一些数据, 定出风流的方向, 风的类型, 及 其风流的速度, 同时, 进入风流动画模拟状态, 在 系统中, 新鲜风流用红色显示, 泛风显示为蓝色。 巷道的半透明保证了模拟点能被用户看到。图 2 为矿井巷道风流三维可视化模拟系统主界面图, 图 3是部分巷道透明的效果图, 图 4 为巷道风流 模拟效果图。图 5 为某条巷道上点击后, 系统从 后台空间数据库中查询所点选的巷道的属性及其 通风属性, 显示在左边的属性显示框中。 图 2 矿井巷道风流三维可视化模拟系统主界面图 图 3 部分巷道透明效果图 图 4 风流模拟效果图 42 第 1 卷 第 4 期 华北科技学院学报 2004 年 12 月 图 5 巷道风流属性查询 本文对传统的粒子系统原理进行改造, 通过 控制模拟粒子的产生点、 活动 生长 过程和生命 期, 实现了对巷道风流的三维可视化模拟显示, 很 好地反映了巷道风流的速度、 性质、 方向等, 对提 高矿井通风管理水平具有重要意义。由于时间有 限, 论文对矿井通风管理的某些环节做了简化, 下 一步的工作是开发一个功能比较完善的三维矿井 通风信息系统管理, 如在原有系统基础上进行更 加全面的数据管理 论文对数据的处理只限于对 通风数据的动态查询 , 可以加入更多的数据管理 功能, 如数据的修改, 报表的打印等, 从而满足煤 矿通风信息的管理; 实现对通风构筑物的建模, 并 且将这些通风构筑物单独的设为一个图层, 这将 会使立体通风系统图更完善。 参考文献 [1] 邢玉忠. 绘制矿井通风系统立体图之 CAD 软 件的研制[ J] . 太原理工大学学报, 1998, 21. 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Key Words particle system arithmetic; mine ventilation; three dimensional visualization; air flow in laneway 43 第 4 期陈学习等 粒子系统算法在矿井巷道风流三维可视化中的应用