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仿真模型范文1

關鍵詞:運動模型;模擬器;運動分析

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)02-406-02

System Simulation Model of Boat Motor Realization

ZHANG Yi-jun1, YANG Zhi2, WANG Shi-qiang2

(1.Engineering Institute of Engineering Corps, PLA Univ of Sci. & Tech., Nanjing 210007, China;2.PLA Xi'an Communication College, Xi'an 710006, China)

Abstracts: In this paper, by boat simulator analysis, exerting rotary motion transformation tensor method to solve the three-dimensional of the mathematical system model. Because the rotation transformation tensor method is convenient, simple, practical advantages, making the whole movement analysis of the model calculation has been simplified, besides the establishment of the movement model and the actual model match.

Key words: motion model; simulator; Motion Analysis

在快艇模擬器的設計中,視景仿真平臺的開發是在利用虛擬現實技術開發高逼真度、有沉浸感的三維模型,是整個模擬器開發的軟件部分。它主要包括了視景仿真三維模型的建立、運動系統數學模型解算三維姿態建立兩大部分。其中運動數學模型(快艇模型)是整個模擬器的核心,只有建立正確的運動模型才能保證模擬器最后達到快艇運動時的真實效果。

1 自由度和空間運動分析方法的選取

在運動模型(快艇模型)運動過程中,我們主要關注的數據是它的三維坐標X、Y、Z, 和它的俯仰、側傾、轉向三個姿態,以及運動速度。他們分別為三個位移和三個角度和一個速度。在模型器開發中, 根據實際的情況, 有的能夠開發出六自由度的訓練模擬器, 如果在外觀上再加工細致, 可以說與實物能取得最大的一致。完全模擬實艇車狀態下的各種運動情況以達到一種理想狀態,是不現實的。基于仿真度、成本――效益比等綜合因素的考慮,研究以三自由度仿真器模擬以下三種運動:俯仰Pitch、側傾Roll和轉向Turning運動,這也是實車中使用最頻繁最重要的運動姿態。但是,由于我們的運動仿真平臺并沒有安放在轉輪上, 無法實現繞Z軸的旋轉, 但是可以三個液壓缸同時作上下運動, 所以能夠實現俯仰Pitch、側傾Roll和抬升Heading運動。

目前,世界上用來進行空間機構運動分析的學習方法很多,有四元素法、矩陣、回轉變換張量法、建立在球面三角基礎上的向量代數法等等.對于繞定點的空間轉動,回轉變換張量法具有方便、簡潔、實用的優點。

2 回轉變換張量法解算三維姿態

2.1 坐標軸的轉換

2.1.1 繞坐標主軸回轉的坐標變換

將坐標系Oijk繞坐標軸k回轉θ角,這時得到另一坐標系Oi'j'k'。如上所述,點P在坐標系Oijk中的坐標為(x,y,z),在新的坐標系中的位置坐標為(x',y',z'),如圖1所示。

設新坐標系各單位向量i',j',k'在基礎坐標系Oijk各坐標上的分量分別為i'i,i'j,i'k。各元素由運動參數―轉角θ的函數構成,表示坐標系Oijk繞k回轉θ角所得的Oi',j',k'坐標系坐標的變換,表示為Ekθ。

2.1.2 繞共原點的任意回轉變換

如圖2所示,基礎坐標系Oijk繞O任意回轉到達新坐標系Oi'j'k'的位置。對于繞共原點任意回轉的情況,可以轉化為繞坐標主軸連續轉動的過程。由坐標系Oijk到達坐標系Oi'j'k'可用歐拉變換的方法,連續三次繞不同坐標主軸而得。方法如下:

1) 取k、k'的公垂線ON,這時i與ON同垂直于k,故將繞軸回轉θ角即可到過ON的位置;

2) 由于ON是k與k'軸的公垂線,故將k繞ON回轉Ф角而到達位置k’;

3) 由于k'是ON和的公垂線,這時將ON繞k'回轉Ψ角,ON可達i'位置。

則按公式及上述變換的順序,則有:

可知E為坐標系Oi'j'k'對坐標系Oijk的坐標變換矩陣,也為回轉變換張量,且等于三個繞坐標主軸的回轉變換張量的連乘積。

2.2 轉換運算

根據空間兩點之間的坐標計算公式,可以分別計算作動器I、II、III在此姿態下的實際長度L1、L2、L3,即:

當i=1,j=a,可得作動器I在此姿態下的長度L1;當i=2,j=b,可得作動器II在此姿態下的長度L2;當i=3,j=c,可得作動器III在此姿態下的長度L3。

由此,可以得出當給定車輛與地面之間的狀態參數(俯仰角(±α)、側傾角(±β)、轉向(γ))時,三個作動器活塞桿在此姿態下相應的伸長量ΔL1、ΔL2、ΔL3分別為:

ΔL1=Li-Li0 (i=1、2、3)(4)

2.3 逆運算

對于三自由度運動系統,控制系統的輸入變量是三個角度,經轉換運算以后變成三個作動器的伸長量。逆運算的目的是為了及時計算運動平臺在運動過程中的實際姿態,即通過反饋(位置傳感器)同時測出某一瞬間三個作動器的伸長量,經過計算得出運動平臺的實際姿態(俯仰角、側傾角、轉向角)值。計算過程如下:

已知各作動器伸長量ΔLi (i=1、2、3)個坐標軸的長度投影為Xi、Yi、Zi。則各作動器長度Li為:

Li=ΔLi+Li0 (5)

式中: Li0為各作動器在平衡位置α=β=γ=0時的長度,相應的在三個坐標軸的長度投影為Xi0、Yi0、Zi0。

由公式(3)得:

又因為:

這是一個非線性方程組Xi、Yi、Zi解這三個方程即可求得α、β、γ。

3 運動模型的特點

采用上述方法解算快艇模擬器三維姿態,建立模擬器運動模型,通過實驗證明具有以下特點:1)計算過程相對簡單,計算復雜度降低;2)所建立的運動模型和真實快艇運動基本相符,可以作為快艇模擬器的運動模型。

4 結束語

有關建立模擬器運動模型的知識很多,有很多地方值得取研究。文章中提到的六個自由度模型問題,其所考慮的問題就會更多,對其進行研究就必須具有相當的數學功底;還有可以采用別的空間機構運動分析方法對運動模型進行分析。

參考文獻:

[1] 肖田元. 虛擬制造[M].北京: 清華大學出版社,2004.

[2] 李安定,尹念東.汽車駕駛模擬器的運動模型研究[J].黃石理工學院機電工程學,2008,24(2):26-30.

仿真模型范文2

4. 上層建筑和零部件的組裝

在模型套材里，上層建筑零部件分布在幾個注有模型零部件的框架內（圖1）。小型模型的船體則被單獨注塑在框架內。為便于查找零部件位置，每個塑料框架上印有“A”、“B”、“C”、“D”等大寫英文字母，而框架內零件的邊緣分別印有“1”、“2”、“3”等數字編號。如尋找圖紙上標注為“A11”號零件時，可先拿到“A”框架，再從該框架上找出第11號零件，即為“A11”號零件。尋找零部件時，要輕拿輕放注塑框架，避免零件損壞或掉落。特別是桿狀零件，如桅桿、首旗桿、橫桁、炮管等一旦折斷（圖2），雖然可用膠水修復，但會影響模型的整體美感。

如對模型套材提供的某些零部件的精細程度不滿意，可根據搜集到的資料和照片對其“細化”和改進。模友還可根據從畫報、雜志上找到的圖片資料，在套材基礎上加裝側門、扶手、梯子、管道、欄桿等，進一步提高模型的仿真程度。

上層建筑和零部件的拼裝按照裝配圖（圖3 ～圖8）說明進行。方法是邊尋找零件、邊修整、邊組裝（圖9～圖12）。與此同時，仔細研究每個零部件的涂裝顏色，切忌將不同顏色的零件在涂裝前就組裝在一起，給涂色造成困難。組裝時還需注意膠水的使用量（圖13），過少粘接不牢固，過多膠水容易流向模型的非粘接面，影響表面美觀。每個零部件組裝成型后，將其分類分層存放在工作臺上，既可避免丟失又便于之后的涂裝。

5. 粘接各個位置的小構物件

把各個完整的小物件粘接在各自位置上。組裝粘接時先把下面的大構物件及設備粘接好，再粘接上面的小構物件及設備，即遵循先下后上的原則。如果想讓模型更加仿真，上色時也要本著先上色后粘接的原則。

各種零部件的裝配工作十分重要，粘接處既要整潔又要牢固。特別是已經涂裝后的零部件，要先將粘接處的漆層刮掉（圖14），漏出塑料再進行粘合（圖15）。如果帶著涂料粘接，會因涂層的附著力有限，減弱零部件組裝的牢固性。

接收機及調速器的安裝

艦船模型仿真航行項目代號為F4，比賽時由仿真和航行兩部分組成。完成整套模型的組裝后，模友可得到一條精美的“俄羅斯現代級Ⅱ型導彈驅逐艦”靜態模型，并參加C6項目的角逐。只有在為其加裝動力系統、操縱和遙控部分后，它才能成為一艘動力艇，即由C6模型變為F4模型。

仿真模型范文3

關鍵詞：鋰離子電池；充放電；模型；特性曲線

中圖分類號：TM46；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

目前鋰電池被廣泛應用在便攜式設備中。在便攜式應用中，一般采用容量相對不大的鋰電池，以求在設備的便攜性和工作時間之間取得一定的平衡。同樣，作為設備內部鋰電池管理系統，其體積和重量也應相應縮小。由于電池容量不大，管理系統相對簡單，一般不涉及復雜的均衡等問題。因此，基于專用芯片在一定電路的配合下，能夠實現鋰電池的充放電管理和保護功能，完全滿足便攜式設備的需要，同時有效控制了設備的體積和成本，深受設備廠家的歡迎。目前的芯片有的能夠單獨使用，實現充放電保護功能；也有的帶微機控制接口，能夠與處理設備協同工作，實現復雜功能。基于專用芯片的鋰電池管理已成為便攜式設備電池管理的最主要方式。

1 鋰離子電池充放電模型

1.1 鋰離子電池放電模型

鋰離子電池的最終電壓表達式見公式（1）：

其中，Vbatt為電池電壓；E0為恒壓源電壓；K為極化電阻比例；Q為電池容量；it為電池的實際充電量；R為電池內阻；i為電池電流；A為指數區振幅；B為指數區時間反向比例；i*為過濾電流。按照公式（1）構建電池放電模型如圖1所示。

1.2 鋰離子電池充電模型

在充電模型中，極化電阻會一直增大直到電池達到充滿狀態，此時it=0，極化電阻會急劇增大。在充電模型中極化電阻為：

因此當it=0時極化電阻無意義。公式（2）在實際中并非完全正確。事實上，實驗已經證明了極化電阻的變化也與百分之十的電池容量有關。所以此時極化電阻為：

充電模型中公式（1）就改為

此充放電模型在Battery中的封裝如圖2所示。

在圖2（b）中，當i*0時即為放電模型。

在圖2（c）中，當電池類型不同時其模型輸出也不同。鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳氫電池這3類電池的輸出為exp（t），有exp（t）=B?|i（t）|? （-exp（t）+A?u（t））。當為充電模型時，u（t）=1，當為放電模型時，u（t）=0。

2 仿真

本文采用的充放電電流如圖3所示。

整個系統的Matlab/SimuLink仿真設計如圖4所示

該系統中使用Signal Builder（信號生成器）生成了如圖5所示的電流信號。通過對Battery進行充放電然后在Scope（示波器）中顯示電池的電壓，SOC及電流值。

充放電系統的結果如圖5（a）所示。

初始化的SOC=0.8，在前100 s以1 A的恒定電流充電，則增加的SOC=[（100/3 600）×1]/6.5=0.043，所以第100 s時SOC=0.804 3，SOC的曲線如圖5（b）所示。

此處，Battery response time 設為30 s，因此可從圖中看到電壓明顯變化的區域占整個區域的30%。若設為100 s，圖形如圖5（b）所示，電壓明顯變化的區域占整個區域的100%。

從這兩個圖中可以看出，其電壓增長曲線雖然不同，但最終結果一致。以1 A電流進行充電，其最終電壓約為108.8 V，不充不放時其最終電壓約為108.3 V。以1 A電流放電時，其電壓約為108 V，當其以2 A電流充電時，最終電壓約為109.5 V。

3 結 語

未來的鋰離子電池將會具有更高的能量密度，更小的體積和更輕的重量。隨著對鋰離子電池的深入研究，對電池各種參數的了解將越來越多也越來越精確。與其相應的新充電方法和充電控制也會誕生，今后必將出現性能更加優越的鋰電池充電器芯片。

參考文獻

[1]馮雅楠，黃秋安.鋰離子電池特征時間常數的理論提取及仿真[J].物聯網技術，2016，6（6）：67-69.

[2]李練兵，李炳偉，武玉維，等.動力鋰離子電池建模及其動態特性研究[J].科學技術與工程，2015，15（4）：234-238.

[3]張麈，付蓉，姚建國.微網內儲能單元的建模及協調控制[J].微型機與應用，2013（20）：73-76.

[4]朱亮.高精度線性鋰電池充電控制芯片的研究與設計[D].西安：西安電子科技大W，2008.

[5]洪劍鋒，龐爾江，單曉宇，等.一種充放電雙時間常數動力鋰電池的建模與仿真[J].廈門大學學報（自然版），2014，53（3）：364-367.

[6]陳雷.一款低功耗單節鋰離子電池充放電保護芯片的設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

仿真模型范文4

【關鍵詞】 通訊模型 救援仿真 通訊協議；智能體

一、引言

RoboCup Rescue 是多智能體仿真環境。在這個仿真環境里，消防員、救護車和警察協同工作以減少仿真環境下災難所造成的損失。每一種智能體各司其職地工作[1]，要盡可能協同合作。RoboCup Rescue 研究的主要目的是利用有限資源來實現救援效果的最大化，從而將該項技術應用于人類社會突發事件的有效救援。救援的前提就是了解總體情況，更新世界模型，但地圖模擬的災害情況越來越復雜，通訊很可能超負荷運載[2]，要出色完成救援，首先要解決通訊問題。在通訊狀況良好或者受限情況下已經有很多的通訊模型[3][4][5]，但是應對壞消息或者無中心情況的模型還很少，本文創建一種有效的通信模型。并對其進行分析和驗證。

二、通訊模型

在救援仿真中，除去中心體外，有三種智能體，AT（救護隊）、FB（消防員）、PF（警察），他們是仿真的核心，他們是異常情況（房屋著火，人被掩埋，道路堵塞）的發現者和終結者。有了通訊的幫助才能使世界模型及時更新，才能使智能體的決策更加明智[6]。

針對這三類智能體，我提出一個通訊模型如1，通訊的類型有兩種， SAY 和TELL[5]。SAY 的距離限制為30m，TELL則不受距離限制，但兩者都受帶寬、掉包等限制。

三、 通信協議

圖 1的模型很簡單，但由于是智能體監聽信道的數目很小，如果不對發送的字節進行壓縮，很難真正的發揮這一模型的作用。

在仿真過程中，一個仿真周期，先是處理視覺，處理聽覺，更新世界模型，然后執行動作（move、extinguish、rescue、load、unload、clear and so on）最后發送信息。在無中心差通訊條件下，發消息時，SAY和TELL兩種通訊類型每周期都要發送，并且對消息的種類也做了優先級，確保重要消息的及時共享。處理消息時，要結合自己的實際情況進行過濾。

大部分消息都包含有道路或者房屋的ID，可是這道路或者房屋的ID非常大，就Kobe來說，道路數目1602，最大ID為36512，房屋數目757，最大房屋ID36476，直接用消息包含ID則需要很多字節，而地圖初始化完成的時候我們就能獲得地圖所有道路和房屋的ID，我們可以給每一個ID根據種類匹配一個固定數字（label），這個數字最大就是這個種類的數目，這樣可以盡可能優化消息。由于救援消息包含Damage、Buriedness、HP等變化的量，如果需要的精度不大的話，可以利用一個固定的數字進行壓縮和解壓。對于其他變量也可以如此，這是一種靜態表示，有的時候可以根據這些變量的變化趨勢，做一些變量處理，就HP來說，HP只會下降，如果我能找出一個函數能模擬HP的大致效果，并根據這個函數的結果對變量進行壓縮，消息的優化會更好。

可是市民的ID在地圖的前期是不可獲知的，只有被智能體發現后，世界模型里才更新有這個市民，這就導致智能體了解到的市民不是相同的，所以也不能使用ID轉label的方法，但是可采取另一種方式來解決這個問題，我使用位置來表示有受傷的市民，位置的ID可以用label表示。

四、仿真實驗及結果分析

本文仿真實驗的仿真環境根據2014年國際賽仿真救援組委會的要求，采用Linux操作系統的Ubuntu12.04版本。

為了驗證準確性，我們對比智能體的世界模型有通訊和沒有通訊以及仿真真實的著火的房屋對比，如圖2。

通過以上的對比，發現沒有通訊的智能體了解著火房屋數目明顯少于有通訊的智能體，而且有通訊時智能體世界模型里著火房屋數目與仿真器中的著火房屋數目也很靠近。

五、結語

本文主要介紹了一種在仿真救援中的有效的通訊模型，該模型有效用于在無中心智能體、差通訊條件下，在很復雜的救援環境下，也能對智能體的是世界模型及時更新，這也對仿真救援的各種決策來說至關重要。該方法應用到東南大學救援仿真隊伍的代碼中，并在2014年中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽中獲得仿真組的特等獎，驗證了該通訊模型的有效性。

參 考 文 獻

[1] Task Allocation for the Police Force Agents in RoboCupRescue Simulation[J] A. Bredenfeld et al. （Eds.）： RoboCup 2005， LNAI 4020， 656-664， 2006.

[2] Timotheou， S. and Loukas， G. （2009） Autonomous Networked Robots for the Establishment of Wireless Communication in Uncertain Emergency Response Scenarios. Proc. 24th ACM Symp. Applied Computing， Track on Intelligent Robotic Systems，Honolulu， HI， USA， pp. 1171-1175.

[3]. S. B. M. Post and M. L. Fassaert. A communication and coordinationmodel for ‘robocuprescue’ agents. Master’s thesis， Universiteit van Amsterdam， June 2004.

[4] Stef B.M. Post， Maurits L. Fassaert， and Arnoud Visser. Reducing the communication for multiagent coordination in the robocuprescue simulator. In 7th RoboCup International Symposium， Padua， Italy， July 2003.

仿真模型范文5

【關鍵詞】值機 隊列 窗口 生成 仿真

隨著地方經濟以及航空工業的發展，國際樞紐機場的乘客數量呈現逐年增長的態勢。因此，乘客值機的時間長短就直接影響機場的服務滿意度。值機時間除值機員操作過程所消耗的時間以外，值機柜臺導入收集皮帶的等待時間也是影響值機過程滿意度的主要因素之一。

值機柜臺行李導入等待時間主要受到收集皮帶速度，系統處理量設計以及其他機械設計等因素約束，在本論文中主要是忽略行李物理滑移以及其他機械設施對行李運行的干擾的理想情況下，分析值機柜臺導入的數學模型。

Automod是Brooks自動化公司提供的的仿真軟件。采用3D實時動畫的形式模擬大型以及復雜的工程生產，裝配，倉儲以及機場等離散事件模型。它為分系統控制邏輯、功能以及行李提供有效的仿真解決方案。

1 速度模型

在參數中，速度定義為V毫米/秒，而位移運算的時候，需要將速度進行離散化，因為計算機的掃描時間不是連續的，其最小時間單元為CPU的每一個掃描周期的執行時間，其為毫秒，在勻速運動的時候，當前掃描周期的速度為毫米/秒。

電機運行需要經過加速和減速的過程，對于需要經常啟動和停止的輸送機，運算得到的位移會因為加減速過程中的累加誤差，使得運算得到的位移與實際值偏差很大。因此，輸送機的位移運算也要有加速和減速的過程。

同樣，將行李放置在輸送機某一固定位置，并測得行李前端與PE之間的距離，并啟動輸送機，行李在輸送機末端自動停止下來，并記錄從輸送機運轉至光電開關檢測到行李之間的時間間隔t。該過程中行李從加速到勻速以及停止的過程，但停止過程的時間已知，所以是行李加速過程所走過的距離，用表示。和減速過程一樣，由可以得知輸送機的加速度為。

因此，可以得知輸送機的速度和位移模型。速度，加減速時間為速度模型的關鍵性參數，以確保參考模型與實際對象之間的偏差較小。

為了完成行李的導入，那就要在輸送機上采用數據跟蹤，也就是需要得知行李在收集輸送線上的位置，并將相關的信息賦予相應的行李數據。因為收集輸送線較長，且存在多個行李，就需要采用脈沖發生器來精確定位行李的位置。

脈沖發生器是緊貼在輸送機皮帶上，因此檢測位置的皮帶破損，編碼器的安裝是否標準，以及編碼器表面是否存缺陷，都將影響測量的結果。

脈沖編碼器的脈寬對應的輸送機的位移為ncm，采樣的周期為m，在每次采樣的時候比較該采樣周期中，由脈寬得到的位移n×mcm，與程序中運算得到的位移∑?s（k），如果誤差在允許的范圍內，則采用脈寬得到的位移作為基準，否則視為編碼器存在故障。

2 窗口導入及排隊模型

2.1 窗口的生成

窗口是用來存放行李數據的虛擬位置，前面已經得知輸送機的位移，在輸送機的頭部，在系統的啟動的時候，也就是時間等于0，在皮帶的頭部生成一個未被占用的窗口識別碼，這里定義為-1；該虛擬窗口會隨著輸送機的位移，逐漸朝輸送機的末端運行，當其位置大于一個窗口長度的時候，就會在皮帶的頭部再生成一個窗口，空窗口的識別號是一樣，依次生成窗口。

2.2 窗口的依次生成

當窗口的位置達到光電開關的位置的時候，數據被清零，且位置復位。每一個值機柜臺都有自己的編號cu，并且要保證其編號是沿輸送機轉動的方向遞增。總共有C個柜臺。

當有一個行李在導入口等待預約導入的時候，將向其上游的位置（輸送機頭部）查詢，是否有空窗口，如果有空窗口，就將其柜臺編號加上100，在乘以-1之后，為預約號碼nu=-（100+cu），寫入到查詢到空窗口的位置。

窗口的數量為N= L?LW。柜臺數減去窗口數量C-N，就是初始無法導的行李的數量。這些行李都會在一個隊列中排隊，先進入隊列的預約號會先寫入到收集皮帶上，也就是窗口生成的時候，檢查隊列中是否存在數據，如果有的話就把預約號寫入到生成窗口的位置。

2.3 排隊模型

排隊等待隊列的長度小于等于值機柜臺的數量，這樣每一個柜臺導入的等待時間就會因為其離窗口生成位置的距離、隊列的位置以及窗口的大小等因素影響。在滿負荷的情況，即需要排隊等待的時候。

3 計算機仿真

整個仿真環境由仿真計算機以及底層控制其組成，主要包括：PLC控制器，Automod仿真計算機，SCADA工作站以及數據分析工作站組成。

其中：PLC控制器用于運行控制程序，并將控制指令發送給仿真計算機的仿真模型，仿真計算機模擬輸送機以及行李的運行，并將傳感器的信號反饋給PLC控制器。SCADA工作站監視輸送機的狀態，并發送控制指令，事件記錄工作站主要記錄系統運行過程中的程序事件以供問題分析。

仿真得到行李在每個柜臺的等待時間如圖2所示。

最大值為：1：28：50（11號柜臺）；

最小值為：0：16：55（1號柜臺）；

最大值與最小值時間的差值是：1：11：55。

平均每個行李的等待時間：

11號柜臺每個行李導入需要的平均時間為：27s；

1號柜臺每個行李導入需要的平均時間為：5s；

由此可知，第23號柜臺處理行李的時長是13號柜臺處理時間的5.25倍。

4 結論

由仿真結果可以看出，在忽略值機操作時間和安檢結果等待時間等外界條件的情況下，系統滿負荷運行，因為排隊距離的遠近會導致值機服務時間的不同。使得乘客滿意度會因為柜臺的分布而不同。因此，需要優化其控制算法模型，使得行李導入等待時間最優。

參考文獻

[1]Brian Edwards：The Modern Airport Terminal，edited by Brian Edwards Taylor&Francise-Library Publishing， （London 2005）.

[2]YANG Fu-Qing，in：Thinking on the Development of Software Engineering Technology，Journal of Software Vol6，No.1.1-7（2005）.

仿真模型范文6

關鍵詞：氣象災害；積雪仿真；三維可視化；衛星遙感圖像

中圖分類號： TP399

文獻標志碼：A

Snow simulation model based on landscape and topography

PENG Mian1*， LI Chao2， GAN Jian-hong1

1.College of Software Engineering， Chengdu University of Information Technology， Chengdu Sichuan 610225， China；

2.Development and Planning Department， Chengdu University of Information Technology， Chengdu Sichuan 610225， China

Abstract：

The author presented a snow simulation model in the 3D meteorological disaster analysis system. It could help analysts prevent snow storm and avalanches. First， the author classified the pixels of the satellite remote sensing images by their color vectors’ distance. Each of the colors represents a landscape. Then the author derived a formula by using mechanics. This formula was used to determine whether or not the snow could be covered on different regions. These regions had same landscape but different topography. If the regions were determined covered by snow according to the formula， the snow color was used to fill the regions. After this process， the satellite remote sensing images were used as textures in the 3D meteorological disasters analysis system. The experimental results show that snow effects can be produced by the snow simulation model.

英文關鍵詞　Key words：

meteorological disaster； snow simulation； 3D visualization； satellite remote sensing image

0 引言

在氣象災害方面的三維仿真模擬能幫助氣象人員有效預防氣象災害。尤其是對積雪的仿真，能大幅提高對雪災預報的準確性，避免因雪災造成的各種損失。

對積雪的仿真的研究，可以追溯到1997年，Nishita等[1]采用Metaball技術構造積雪。而在1999年，Premoze等[2]同時考慮了地形高度和日光照射的因素真實還原了阿爾卑斯山被積雪和植被覆蓋的場景。2000年，Fearing等[3]介紹了基于粒子系統的雪景繪制。2004年，Ohlsson等[4]為了提高積雪仿真的速度，利用生成陰影的方法來計算積雪覆蓋量，以此產生積雪覆蓋的效果。2007年，Foldes等[5]使用光照模型來估算場景上每個點獲得的光照，由此計算每個點的熱量，最后綜合計算積雪區域和積雪量。同年，賀懷清等 [6]通過在紋理上添加噪聲實現了積雪效果。2009年，殷海明等[7]利用一幅雪景參考圖中的積雪顏色，實現了對雪景的仿真。2011年，韓秀珍等[8]使用視點相關遮擋圖和積雪灰度紋理圖，分別模擬近處和遠處的整體積雪效果。

通過前人的研究可以看出，要對積雪進行仿真，首先要解決兩個問題：一是確定可能積雪的區域；二是判斷該區域能否積雪。因此，本文首先介紹了彩色圖像按照顏色進行分類的方法，以確定可能積雪的區域；然后通過力學原理推導出判斷一個區域能否積雪的公式，以此作為判斷能否產生積雪的標準。