警用三维快速建模仿真系统研发及应用示范项目可行性报告.doc

警用三维快速建模仿真系统研发及应用示范项目可行性报告一、 立项的背景和意义在日常生活中，重大刑事案件、火灾、重大交通事故等严重威胁着国家和人民的生命与财产安全，如何准确应对这类突发恶性事件，并作出及早预案以及事后分析总结是公安部门亟待解决的重大科技问题。警用三维快速建模与仿真系统针对各类恶性突发事件，通过快速模拟事件现场，在事件发生前进行模拟反事件演习，在事件发生时为现场的指挥决策提供可视化交互式的支持，在事件发生后对事件过程进行回放，分析事件发生原因或总结经验教训，从而有效地提高公安系统处置恶性事件的能力。虽然现代高科技已经为各类刑事案件的侦破、火警消防、交通事故的预案与分析提供了有效地技术手段，但各种复杂环境下案件现场指挥与决策、火灾现场模拟、恶性事件预演与回放等都对警用科技提出了更高要求。在课题组多年与市公安系统的合作研究中总结发现，公安系统针对案件和事故现场的快速建模和仿真的需求最为迫切。一方面，重大刑事案件的现场分析和应对，需要快速、直观地掌握案件中对象（疑犯、着火点等）的环境信息，包括室内外建筑物场景等，以帮助现场决策与指挥；另一方面，重要公共设施（如体育场馆、会议中心等）都需要对可能出现的灾情做出合理地模拟仿真，以便提出科学的应对预案。此外，在对重大事件的事后分析与研究时，如要对事件的情景回放，也需要场景的快速建模与对象行为的仿真。总之，借助方便易用的三维快速建模和仿真平台，可帮助公安人员更为合理地设计复杂建筑物中疑犯的抓捕方案、大型建筑中的人群疏散预案、地震火灾时大型建筑中的人员脱逃路线、高层建筑物的救火方案，以及现场相关人员实时了解案情进展并迅速制定恰当的应对方案等等。面对公安系统对三维快速建模与现场实时仿真的迫切需求，国内外还没有成熟的技术手段，可以依据少量的已知图像或描述信息来快速准确地重构警用场景模型，并提供和谐的人机交互界面，以方便广大公安干警等非专业人士使用。同时，面向警用对象的动态仿真应用也尚未开展，其主要原因在于面向该领域应用的实时仿真技术尚缺乏足够的领域智能技术支持。因此，研发面向警用的三维快速建模与实时仿真系统意义重大。项目的成功研发将有帮于警员快速有效地分析突发公共事件的真实场景，制定应对方案和启动快速反应机制。系统的核心问题是正确地建立突发事件场所的室内外场景；刻画出突发事件的主要真实情景；模拟事件过程中可能出现的后果；在安防部门内部快速传递现场真实信息。本项目拟在近年来虚拟现实领域、计算机图形学领域以及分布式计算技术研究与发展的基础上，突破警用快速建模与动态实时仿真的若干关键技术，包括警用场景的三维快速建模、警用动态对象仿真、场景的实时绘制与渲染等；研发界面友好、开放软件体系架构的三维快速建模和动态实时仿真系统，并在公安部门建立应用示范。二、 国内外研究现状和发展趋势本项目目标是面向警用领域研发三维快速建模与动态实时仿真系统，为重大事故与案件的现场分析、情景重现或案情预演提供平台，并在应用单位建立分布式、开放式的应用示范系统。面向警用的三维快速建模和动态仿真是本项目的两大核心问题，迄今为止，国内外研究和应用领域都做了大量的相关工作。1. 快速建模技术快速建模技术是计算机技术研究的重要领域，从二十世纪六十年代开始到现在，已经发展成为重要的研究领域和工业产业。根据操作内容和处理流程的不同，可以将当前的主流造型技术分为：交互式建模、描述式建模、和数据驱动式建模三类。其中应用最广泛的就是交互式造型，现有主流三维造型软件如 3DMAX、MAYA、AutoCAD、Google SketchUp等都是基于交互式造型的。所谓交互式造型，通常是提供一个三维交互建模平台，用户通过鼠标及键盘交互地操作各类几何元素，进行各类几何编辑，最终形成目标模型。这类软件一般都提供了对点线面的基本操作，比如复制、移动、删除、变换、拉伸等等。通过这些简单的操作，就能构造出较为复杂的几何图形。1980年代发展起来的自由变形技术，到近年来的网格曲面多分辨率方法等，不断地丰富着交互式造型。此方法在给予了用户很大灵活性的同时，也带来了操作量大，建模效率不足的问题。描述式造型方法通常采用命令行或者脚本等形式来描述对象，再由建模系统将其转换为内部造型指令，最后生成目标模型。这种方法通常采用的是过程化建模，最早起源于过程式的纹理图像生成技术。后者发展于80年代，采用精确的过程式脚本描述，可以生成各种木材、云彩、石料纹理，以及各种材质的绘制效果。A. Lindermayer最早在其多细胞生物的建模论文中引入了L-系统概念。对于植物的几何建模，Prusinkiewicz 和 Lindenmayer 展示了可以通过使用L-系统来生成可以由类似于 LOGO 语言的小乌龟来解释运行的字符串。在结构方面，形状语法被非常成功地运用在结构化设计中的构造和分析上。最初的形状语法直接对标注过的线和点进行操作。然而，这种派生过程因其本质而变得复杂，并且通常由人手动完成，或者由人来决定使用的规则，再由计算机完成。形状语法简化后可以使语法变得更易于用计算机实现。描述式造型方法没有交互式造型的直观性，掌握命令行或者脚本相对困难，但是其执行的效率很高，且更易精确地描述模型的属性。数据驱动式造型侧重于数据重用，与前两类造型方法有很大不同。这类方法出现的主要原因是由于现有的几何造型系统生成的大量遗产数据存在，而同时新兴的三维扫描与重建技术的发展使得真实世界的几何数据获取变得更为方便。此类方法有很好的造型性能，但是其造型范围受限于后台驱动的模型数据库。这三类方法优缺点各异，见表1，但都不能同时达到操作简单、建模效率高、精度合适的效果，直接应用于警用快速建模，都存在着不足，因此探索新的三维造型方法很有必要。 表1 三类主流造型技术的特性比较：造型方法原始数据交互工作量建模效率适应面应用领域交互式不需要中等至高较低广各类模型描述式抽象描述少高较窄植物、建筑数据驱动式具体数据中等中等广动漫、机械2. 动态仿真技术动态仿真技术在工程领域及虚拟现实领域研究十分广泛，因应用领域的不同而存在差别。在工程领域，动态仿真需要较高的模拟计算精度，因而主要基于物理学、力学相关规律，考虑具体的仿真对象建立数学模型，求解得到仿真结果，由于考虑影响因素较多，计算精度要求高，因而计算速度较慢，一个大型的结构对象的动态仿真计算即使采用分布式计算也需要几小时、几天甚至几十天的时间。在虚拟现实领域，对象的动态仿真发展了两大类方法，非物理的方法和基于物理的方法。非物理的方法主要采用几何等方法进行动态对象的仿真，这类方法的优势在于计算速度快，但是对于警用领域而言，劣势也比较明显，因单纯依赖计算机辅助几何分析等理论，难于结合对象的材料等属性进行仿真，从而即使仿真结果视觉上比较逼真，模拟结果上也达不到应用需求。基于物理的方法主要采用物理学、力学规律，建立数学模型，与工程领域方法相比，该类方法同时结合虚拟现实自身发展的算法，通过求解控制方程模拟对象的运动效果。该方法因其遵循或近似地遵循物理规律，从而容易对对象施加材料属性等信息，使得模拟结果相对于非物理的方法更加真实，但对于警用实时应用而言，目前的技术手段对大规模对象或场景的动态模拟，计算速度较慢，不能满足需求。根据警用领域的实际应用特点，本项目研发目标是既符合物体运动规律，又能做到实时仿真。因此必须探索新的仿真策略和方法，以实现警用动态对象的实时仿真。3.国内外快速建模与动态仿真的应用发展快速建模技术在诸多领域有广泛的应用，已经成为各种计算机辅助分析软件中的核心模块之一。主流通用建模软件很多，如Maya、3ds MAX等通用的建模软件。但对于公安系统的警员来说，由于这些软件需要许多专业知识，操作复杂，不便于现场应用，培训也需要大量的物力和人力。这些导致了另一个问题，即建模的效率较低。另外，普通CAD软件的普适性使得用户在使用其软件生成建筑模型的时候要做很多细化的工作，严重影响了建模效率。同时，在推行软件正版化、社会越来越尊重知识产权的今天，CAD软件的高昂费用也成为了各用户的一大负担。动态仿真技术主要应用领域之一是分析软件，如Ansys、Fluent等，这些应用软件的优势是计算精度高，不足在于计算速度低。在虚拟现实领域，动态对象模拟多用于数字娱乐的游戏、影视制作的特技等，这些应用一般仅要求视觉真实，不考虑精度问题。快速建模与动态仿真技术应用于公共安全领域的探索，国内尚处起步阶段，率先进行系统的应用探索的是中国科学院计算技术研究所，2006年，王兆其研究员主持的“十一五”863项目“支持大型公共设施安全问题研究的虚拟现实系统研发”项目，对面向大型公共设施安全问题研究的虚拟现实系统进行研发，为大型公共设施安全危机处置预案模拟、可视化编辑与辅助论证分析提供平台。该项目主要服务于事故处置预案，所以对建模与仿真的实时性要求不高，因此如将其项目成果直接应用与公安系统，也不能满足警用的简便、快速建模与仿真需求。综合国内外研究与应用现状，本项目重点突破面向警用的快速建模与动态仿真技术，实现警用实时的交互式快速建模与动态仿真。项目中建模方法与已有软件的交互式建模方法有一定不同。平台牺牲将一定的建模对象的普适性，使其设计专门面向于警用建筑结构室内外环境的生成，用户不必拘泥于场景各个部件的精细造型，从而用户可以从一些无关的细节中得以解脱，将精力重点放在室内外环境的整体架构上，表达用户真正想表达的信息。在动态仿真过程中，对动态场景基于警用标准规范采用示意性和物理仿真引擎相结合，研发快速模拟方法，实时仿真警用对象的关键性的运动行为。在具体的研发过程中采用建模仿真的多层次处理，注重软件操作界面的简单直观、建模的高效和软件平台的易扩展性。三、 研究开发内容、技术关键及主要创新点（一）研究开发内容为满足公安系统在处理突发刑事案件、火灾、交通事故等时现场应急决策和提早预案需求，本项目研发警用的三维快速建模与动态实时仿真系统，突破其中交互式快速建模、实时动态仿真、大规模场景实时绘制等关键技术，建立分布式、开放式软件平台，并建立应用示范。具体而言，本项目的研发内容包括：1) 警用交互式快速建模三维快速建模是本项目的核心，具有基础和支撑性作用，是后续动态实时仿真的基础，也是警用信息管理的对象之一。快速、准确地建立刑事案件、火警消防场景的模型，才能够使得后续仿真得以有效实施，换而言之，警员才能正确获悉环境和现场的可靠信息，做出正确的应对决策和预案。因此，交互式快速建模技术是本项目研发的重点。本项目中的建模首先必须快速，其次是要能准确地反映事件的实际环境。结合公安系统实际需求，重点研究如下三方面：a. 对于建筑物室内外结构建模，采用面向警用领域的形状文法描述，重点研发基于单幅参考图像的三维建筑草图建模算法。研发基于草图交互的单幅二维图像照相机参数快速推测技术，基于草图交互的三维建筑模型分析方法。研发根据用户输入的二维手绘勾画线预测三维自由网格曲面的方法。b. 对于场景的动态模型，包括人、交通工具、作案工具等，重点研发个性化标注与参数化模型库建立和应用技术。根据警用的特点，结合相关规范，对重要模型采用特征化网格表面模型、网格实体以及采样点模型建立。对于场景中的次要对象和非仿真计算应用对象，采用个性化标注方式进行建立，以提高建模的效率。c. 研究三维场景模型的底层特征提取，包括建筑模型的内在几何特征以及几何重要度（geometric saliency）计算；研发场景中模型的整体特征分析，探索基于草图交互的提取模型对称性以及其他结构信息的快速算法。2）突发事件场景的动态仿真定性与定量地对突发事件中对象进行仿真，对突发事件的下一步发展趋势进行有效地预测，实现重大案情、事件的重现、还原以及预演，能帮助警员做出正确的决策与预案。本项目拟采用以下策略做动态仿真： a. 为实现系统的快速反应，结合行业相关规范和应用需求特点，对场景中的动态对象，通过人、交通工具运动路线的设定和个性化标注方式实现对虚拟对象的控制和仿真，以帮助警员做现场分析； b. 对于子弹、火焰和交通工具等和周围环境的交互，预测可能出现的案情进展情况，采用基于物理的方法进行仿真，即主要根据物理学、力学的中相关的运动定律，结合虚拟现实技术，进行合理地简化和处理，获得运动对象的逼真动态效果。3）突发事件场景的实时绘制 响应速度是快速建模和仿真的关键，为实现系统的实时性，需要对项目实施中的每个环节的速度做重点考虑。大规模场景绘制与渲染是其中的重要问题之一，项目在计算机图形学相关研究和发展基础上，结合应用特点和需求实际，重点在以下两个方面做重点研发： a. 突出实际场景中环境和动态对象的主要特征，忽略次要特征，对主要的特征采用真实感绘制方法，对次要特征和行业规范的典型特征采用表意性绘制方法，从而实现表意性与真实感场景绘制的有机结合，提高场景的真实感和绘制速度。 b. 对规模较大的场景，即对人群运动、大规模的建筑场景等，采用采样点和层次绘制技术相结合的方式，优化计算分解和计算重用，提高虚拟对象的绘制规模。4）分布式、开放式软件体系架构实现快速建模与动态仿真系统在应用领域内的协同工作与快速发布，我们采用开放的分布式架构。一方面，分布式的系统保障应用时上下级部门的场景快速有效地传递以及在同级业务部门协同分析； 另一方面，采用开放式的应用模式，遵循标准化、统一性、先进性、安全性、扩展性和稳定性等基本原则。在系统实现中，强调各类基础资源的复用和可扩展性，采用建立基本模型数据库以实现典型模型的参数化建立和模型特征的统计分析，以引擎-插件的架构方式完成系统功能及其扩展。 5）应用示范项目将以某省会城市公安局为示范单位建立警用快速建模与仿真系统。系统采用分布式网络体系结构，在各级公安机关内实现三维环境信息快速传递，完成突发事件的上报、三维场景信息的传递、决策和指挥等功能，包括提供X3D结合XML场景信息、视频、音频等形式服务。在此基础上实现三种典型应用模式，即刑事案件模式、火警消防模式和交通事故处理模式。 （二）关键技术本项目面向警用领域研发快速建模与动态仿真系统，为警方现场对案情进行分析决策提供服务，同时在安防演练中对突发事件的具体发生发展做具体演示，为安全分析和应对预案做有效参考。在本项目中，核心问题是模型建立的快速准确以及动态仿真的有效性。具体而言，本项目对以下关键技术做重点研发：（1） 合理运用二维草图交互界面，完成三维建筑模型的交互设计、分析与计算任务。其科学本质是在信息缺失的情况下（特别是深度信息的缺失），寻找合适三维建筑统计表示模型，构建二维草图交互元素到三维几何信息的合理映射关系。（2） 利用有限的图像信息，利用建筑物本身的结构特点，来提高草图交互的精确性以及做到二义性排除。（3） 对应用领域内的动态对象做有效仿真，实现对火焰、人群以及作案工具等的运动仿真，平衡仿真过程中的运行速率和仿真有效性问题。（4） 对警用规模较大场景进行快速实时绘制与渲染，解决表意性绘制与环境和对象真实感绘制渲染问题。（5） 建模与场景信息系统的管理，提供分布式协同工作机制，采用文本、视频、音频等形式使得模型、场景信息能够在应用中快速、有效传递。（三）主要创新点与通用的建模系统和已有的诸多行业建模系统相区别，本项目所研发的系统主要是警用域内的应用，侧重与快速、交互，目标是灵活易用。尤其是在所给控制参数和图像信息不足的情形下中如何快速建立模型。同时，本项目的另一重点是场景的动态仿真，在重现或预演刑事案件、火警消防、交通事故场景，对实际应用意义重大。具体而言，本项目的具有以下创新点或特色：1) 将草图交互与三维建筑几何计算问题融合起来进行研究，注重草图交互建模中三维建筑模型统计信息的引入。2) 采用手绘草图界面，有助于快速准确地构建几何模型的拓扑结构，实时修改调整。3) 将规则驱动的过程式建模与草图交互技术相结合来构建三维几何形体，做到造型直观性和造型精确性之间的均衡。4) 基于物理的动态对象的模拟，采用计算机图形学中多分辨率等技术与物理规律相结合，对动态对象进性快速的模拟与仿真。5) 采用采表意性绘制与真实感绘制相结合，侧重提高计算与分析的重用，提高场景的绘制与渲染效率。6) 系统采用引擎-插件模式，使得建模和仿真系统易于扩展，同时采用分布式架构实现警用域内的协同工作与场景信息快速有效传递。四、 项目预期目标（主要技术经济指标、应用或产业化前景）（一） 主要技术指标本项目针对警用快速建模与动态实时仿真需求，在总结已有建模和仿真等相关技术现状的基础上，针对警用领域的特定应用需求，突破其中若干关键技术，并建立应用示范，其主要功能与性能指标包括：1）系统具有开放的软件体系架构，能够支持建模方法的扩展、仿真算发的改良与生长，用户插件的开发，应用模式的拓展，使得系统能够根据日益增长的用户需求不断发展，并支持场景信息和动态仿真数据的分布式管理；2）系统能够集成二、三维场景信息以及文本、影像、音视频数据。支持场景信息、仿真信息以及决策信息一体化模式的网络发布；3）研发的系统整体响应性能在5秒以内，正常情况下并发访问量应不小于20个；4）在300个用户并发访问时，系统仍能稳定运行；5）二维场景信息以及表意化三维场景信息交换的响应时间应小于3秒； 6）系统熟练使用者对于建筑面积200平米的一般室内场景建模不超过5分钟，刑事案件场景的仿真速度每秒在15帧以上；7）系统高层居民楼单户火灾场景建模不超过3分钟，仿真速度在每秒20帧以上。 预期可获得的专利等知识产权项目将在面向域的快速建模技术、基于物理的实时动态仿真技术、警用大规模场景的表意绘制与真实感绘制等关键技术与算法实现上取得突破，预计可申请包括发明专利在内的如下自主知识产权：（1）申请国家发明专利2项以上；（2）获得拥有完成自主知识产权的软件著作权4项以上；（3）在国内外重要期刊和知名国际学术会议上发表论文8篇以上；人才培养状况警用三维快速建模与动态实时仿真系统的研发是一个系统工程，同时，快速建模和动态仿真技术在工程领域、虚拟现实领域以及其它诸多应用领域有关非常重要的作用，相关研究亦是计算机图形学、计算机视觉、机械工程等学科的热点研究领域。本项目既有对相关科学问题的深入研究，又有较强的开发实践环节，通过本项目的开展，将可以培养一批计算机图形学、虚拟现实技术领域高质量的研究生（8人以上）；培养一支高素质、具有在虚拟现实等相关学科研发能力、系统运行服务能力的人才队伍。（二）经济指标、应用前景和产业化分析警用三维快速建模与动态实时仿真系统是面向公安系统重大需求而进行的研究与开发，项目的成功研发将有助于解决公共场所灾情预警与灾后救助，提高公安系统应急救援与处理能力。将为刑事案件的侦破、疑犯的抓捕、重大火灾的现场指挥和事后分析、重大事故的预案以及交通事故分析等提供强大的辅助手段。从而有利于维护国家与人民生命财产安全，其社会效益巨大。项目所研发的初步成果（三维场景静态编辑、关键部位标注及示意）已经在市公安局刑侦支队进行试应用，支队刑警对该初步成果在刑事案件现场指挥中发挥的辅助决策作用表示非常满意，同时也提出了许多改进意见与建议，并在此基础上经多次协商课题组提出了警用三维快速建模与动态实时仿真系统的系列需要目标。因此，基于上述警用实际需要而提出的项目研发成果必然具有广泛的应用前景，可以在全省乃至全国公安系统进行推广应用，从而对提高刑事案件的破获率、恶性事件的科学分析与事前预案、灾情应急处理与救助起到积极作用。本项目在研发过程中突破的关键共性技术，包括快速建模技术、动态仿真技术、实时场景绘制技术，将为相关领域的应用提供技术支持，这些应用领域涉及民用安防系统，重大自然灾害的预警、预报、灾后救助与分析系统，以及数字娱乐、动画影视制作等领域。五、 课题实施方案、技术路线、组织方式与课题分解（一）实施方案与技术路线针对警用室内三维预案与辅助决策，项目研发快速建模和动态仿真平台，使之能快速建立、重建或恢复案件的情境，以协助警方进行案件的讨论与侦破、以及罪犯的抓捕、火警消防的现场决策、重大事故的预防等。其中快速建模和动态仿真是本项目的核心工作，项目针对警用域的特点重点研究和开发；场景的绘制与渲染是影响系统响应速度的重要因素，项目将研发实时绘制与渲染策略预算法。并在此基础上，在应用单位建设支持协同工作与场景信息传递的的分布式、开放式软件平台，进行应用示范。1) 警用交互式建模平台警用建模平台的主要功能就是进行室内外情景模拟。可以在此基础上动态对象的仿真，从而进行案情分析，犯罪模拟等等。考虑到应用需求和使用对象的具体情况，在平台研发中重点考虑软件操作界面的简洁直观性、平台建模的高效性、良好的扩展性。据此，项目重点研发基于草图的交互式建模技术，主要从形状文法和基于图像建模角度入手，作研究和突破，从而达到快速建模的目的。研发的建模方法总体上属于几何建模，采用计算机视觉与草图交互方法的交叉性研究与开发，主要的思路在于通过方便直观的草图勾画交互，提供有效的算法启发信息，寻求几何计算问题的高效稳定解决方案。为了便于系统的统一，我们将最终的模型都转换到离散网格形式。整体思路如图1所示。目标场景模型二维参考图像三维场景模型基于手绘草图的人机交互三维模型元素库三维概率模型建筑等图元命令模型纹理素材分析与处理识别与处理图1 警用快速建模结构图基于草图的建模方法的研究已经较为广泛，本项目的建模方法实在已有成果基础上进行的。同时，注意到单纯依赖于草图交互的已知方法，不管从计算精度，还是从计算鲁棒性来衡量，都不能取得满意的效果。本项目结合警用具体需求，主要从常用场景中抽象出抽象的领域知识表达，将结合几何计算问题的本质特点，探寻场景模型生成的统计规律，然后结合已有的过程式几何表述法，来找到有效表达方法。基于此，在本项目的研究中，着重考虑引入模型特征对三维模型数据进行统计的方法，以及考察基于参考图像的交互建模方法，具有较强的技术可行性。特别的，这种基于概率模型的整体表达方法有助于消除三维语境中，草图交互过程的二义性与模糊性。为适应于草图交互中所需的几何计算分析要求，项目将重点研究三维几何形体数据的本质特性。类似于图像分析与理解中的研究，三维几何形体的底层特征对于三维形体的分析与理解至关重要。在二维栅格图像处理中，基于拉普拉斯算子或高斯算子的鲁棒特征提取方法如SURF和SIFT都获得了巨大成功。项目将借鉴这种思路，将其推广到网格曲面情况，主要考察网格曲面的二阶微分量。根据后续局部形状匹配和三维模型库构造的要求，以此为起点找到与旋转缩放无关的几何特征子。然后，通过特征配对方法，来计算几何模型各种与尺度旋转相关的对称性表示，并用于对三维建筑模型进行交互式地分割。我们拟对处理后的几何模型进行对称性标记，便于整体几何特征的索引和统计分析。采用统一的参数和符号，将三维警用模型表达为一个过程式生成过程，是一个较为简便易行的方法。然而这种方式缺乏表达的多样性，不易引入约束条件。因此项目将重点考察将已有的模型生成式表达推广至带参数的贝叶斯网络（Bayesian networks）概率模型，这样有利于获取室内外模型的重复性和对称性的统计特征表达。对于几何特征之间的约束关系，拟通过找出各特征之间的条件概率表达，统一到这一概率模型中；而各种部分常见的建筑语义元素（如房门、窗户等）拟通过引入状态量进行建模与统计。在此基础上，发展出各种形状参数的概率估计方法。对于给定参考图像或者各种草图输入的情况，项目的核心思路是基于贝叶斯网络的概率模型，将各种输入数据综合起来放到一个后验概率表达式中，以构造出基于后验概率的变分问题。这时由于形状参数和许多状态量都未知，一种可行的解法是依赖于类EM方法来优化求解。另外，拟借助这一统计模型的参数估计能力来优化建模过程中从图像提取高分辨纹理的技术。由于我们的概率表达模型对应于整个建筑等模型的生成过程，因此可以对模型如建筑物内部结构进行预测。对于单幅基于参考图像的建模方法中，需要构造一个合适的照相机参照系，以便于进一步的三维信息预测或几何特征提取。为此，项目主要利用参考图像中的模型平行线等约束条件进行相机参数的预测。至于多幅模型参考图像情况，借助于SIFT及其类似方法图像特征方法为预处理，获得较为稀疏深度信息，然后利用于平面约束和草图交互信息，获取足够可靠的三维深度预测。采用计算机视觉相机标定问题和稀疏点的三维恢复问题方法实现，这样算法实现劳动量和风险都可降低。由于目前基于平面图的二维识别方法已较为成熟，主要针对草图交互模式，借助于图像分割技术，提高已有算法的稳定性。为了能实现像Frank Gehry一样直接由二维草图勾画线来构建三维自由曲面模型外型。我们拟基于已有的细分曲面相关应用，选取适于警用场景模型的自由曲面表示方法。由于二维到三维的映射问题是一个欠约束问题，引入基于曲面曲率计算的光顺性度量作为附加的约束条件，以使问题得以解决。2) 动态对象仿真系统本项目系统中的动态仿真主要包括动态场景编辑系统、动态对象运动行为仿真以及动态场景浏览三个主要部分。通过动态仿真，实现重大事件（包括刑事案件、火警消防和恶性交通事故等）的情景再现、现场还原以及案情分析和预演等功能，为警员提供有效的分析依据，从而辅助提出科学的对应决策和预案等。在动态仿真的三个主要部分中，动态场景编辑、动态场景浏览可以分别通过快速建模系统中的用户交互和场景文件自动生成方法来实现，这里重点阐述动态对象运动行为仿真的技术方案。重大事件的场景复杂，影响因素很多，完全实现动态对象的运动行为的真实模拟，难度较大，目前的硬件设备也不能满足实时计算的需要，本项目重点采用以下处理。个性化标注与动态路径设定、仿真计算相结合的策略。采用统计学策略，建立相应警用对象信息数据库，对已发生的重大事件做统计，从中设定主要仿真对象、次要方针对象以及可计算对象。具体而言，对场景中建筑元素如室内物品、道路等采用个性化示意标注或者是从模型信息库中依据给定参数提取模型；对与自然人的运动采用路径设定，对于作案工具如子弹、飞刀、交通工具的运动碰撞等，采用计算仿真的形式。根据警用实际特点，个性化标注采用附加三维包围盒信息和必要物理属性（如材质等）的表示方法，主要目的是为使仿真效果更加直观，也有利于与可计算模拟对象之间相互影响的计算。对于可计算的对象，项目采用结合物理规律的基于物理的模拟仿真方法。理论上说，如果给定足够的信息，对于物体的运动可以做出较为精确的数值计算，但是对本项目应用而言，运行速度更为重要，所以我们拟简化物理学、力学规律，突出主要因素，忽略次要因素，根据具体应用条件，结合虚拟现实的相关技术对运动实现定性与定量的近似模拟与仿真。本项目将采用引擎式动态对象模拟方案，即开发仿真计算引擎，将所要计算方针对象统一纳入同一框架下。具体而言，对于子弹、飞刀等刚体运动与碰撞，主要采用质点动力学的欧拉-拉格朗日方程进行统一模拟，并对碰撞等现象作具体分析；对于柔性物体，我们采用基于多分辨率的物理方法，对物体做实体网格处理，进而通过有限元等方法建立相应的控制方程求解模拟；对于火焰、烟雾、人群等流动对象，采用有限差分法和具体的警用行业规范进行近似地扩散模拟。同时，结合图形学中多分辨率技术、降维技术等加速仿真的模拟计算。仿真计算引擎的关键对所需计算的对象行为建立模拟所使用的物理模型，系统开发两种选择方式，一是用户选择的方式，使得操作者能够对一些简单明显的对象直接选择应用物理模型；第二种方式就是系统自动识别仿真对象运动属性（包括材质属性、主要环境因素影响等），自动选择物理模型。物理模型主要分为刚体模型、连续体模型、流体模型、耦合模型等，并能方便地扩展更多模型。根据物理模型的选择，系统建立相应的数学计算模型进行求解。具体方案如图2：图2 仿真计算流程数学方程求解可计算对象场景输入物理模型建立数学模型建立2134部分模型路径设定连续体模型材质、环境等属性刚体模型流体模型耦合模型粒子模型有限元法差分方法多分辨率技术降维方法牛顿定律拉格朗日方程斯托克斯方程碰撞检测处理约束条件施加硬件加速3) 警用大规模场景的实时绘制与渲染技术本项目的场景属于动态场景，对于场景规模较大的重大事件而言，绘制与渲染速度是制约整个系统响应速度的重要因素，因此必须对场景的绘制技术做重点研发。根据项目自身特点，我们拟采用以下方案：对场景中的典型的模型，如自然人、常规家具用从参数化模型库中导入，对纹理信息等与渲染相关的信息，做到重用地绘制。对于其他典型的，不影响分析决策的模型，如道路两旁的建筑等，我们采用表意性绘制，即综合运用示意性标注、线框绘制等方法较为形象地反映模型的形状等。对于室内场景、人群流动、火焰等采用真实感渲染的方法逼真绘制，以增加用户的真实感感受。对规模较大的场景中需要真实感绘制的，如人群运动、大规模的建筑场景等，其中由于系统要求支持多角度、全方位场景浏览与编辑，我们主要采用可见性预测和层次细节模型方案。本项目采用三维场景结合动态虚拟群体策略进行可见性预测,目标动态对象的运动及事件场景实现实时绘制. 首先对对室内外场景进行分割,利用基于硬件的可见性剔除方法实现场景绘制加速的同时,具体如图3所示。图3 场景绘制与渲染结构具体而言，对初始静态场景的处理,利用轴向的二叉空间分割方法对场景进行自适应划分,形成场景层次二叉树.对场景进行可见性剔除处理处理,剔除视域外和被遮挡的场景节点,主要采用硬件遮挡剔除方法实现.然后读取体仿真数据中每个个体的运动路径,计算与路径上每个位置坐标相对应的场景节点,并更新到群体仿真数据中. 对动态动态的实时可见性判断,根据场景可见性处理的结果将场景节点的可见性直接赋予相对应的个体,实现个体的可见性剔除，进而进行渲染与绘制，对于具体场景而言，如有必要，通过模型的网格简化进行处理。项目将对表意性绘制与真实感绘制的融合机制做重点研究，采用三维表意性绘制、模型包围盒显示以及个性化标注相结合的策略，使得整个动态场景直观、明晰、真实感强。4) 分布式、开放式警用建模与仿真系统本项目的目标是建立分布式的、开放的警用建模与仿真系统，在警用内部网中实现场景信息和案件分析决策的有效传递、协同工作系统。系统主要以快速建模平台为核心，建立仿真动态模拟引擎和引擎，以够以易于扩展的方式支持特定的应用模式如，刑事案件、火警消防等。系统的总体框架如图4。 图4 系统总体框架图 系统分布式架构主要考虑建模和仿真的场景能在公安系统内部相关部门中通过网络传递，开放式系统主要是指系统的相关数据库支持相关添加、删除、编辑等数据操作；快速建模和仿真引擎支持相关模块与方法、技术的改进与添加；各子系统的功能方便地扩展。在系统的各个组成部分中，快速建模引擎、仿真计算引擎使项目关键技术突破的重点。各子系统的构建是系统方便易用、稳定运行的关键。以下对系统的各部分的技术方案等做必要的说明。1. 相关数据库的建立。 本系统主要包括三维模型数据库、场景信息数据库和警用对象数据库。系统的数据库分别是系统的建模、绘制与渲染、以及仿真计算做必要的数据准备和支持。其中三维模型数据库主要对典型模型的信息、包括形状信息、参数信息做管理。此数据库是基于草图的快速建模的技术的基础，二维草图的形状信息以及相关参数信息的建立是由三维模型数据库中数据采用人工智能、统计学等方法获得的。所以该数据库数据的有效性、数据管理的科学性是本项目实施的关键问题之一。本项目重点研究面向警用领域的建模，所以三维模型数据库主要管理对典型模型如建筑物模型、室内家具模型、道路模型以及公用设施模型等常用数据。同时，数据库管理系统能够方便地建立典型的新的科目的三维模型。场景信息数据库服务于面向警用领域大规模场景绘制与渲染功能，用于用户交互或系统自动地区分场景中模型的绘制方法，包括表意性绘制或真实感绘制。该数据库主要管理警用典型场景的绘制信息，即结合警用专业性，对一些典型对象如人、常规家具等的具体绘制方法做管理。警用对象数据库与场景信息数据库的功能类似，所不同的是该数据库为仿真计算服务，用于系统能够自动或交互地选择可计算仿真对象或给定路径的仿真。此外，该数据库也存储典型模型的材质等物理信息。 2. 警用三维快速建模子系统。在建立警用三维模型信息库的基础上，系统采用了“统一系统框架+插件”来实现相关的功能。主要研发交互式快速建模和动态仿真系统，以交互式快速建模平台为核心，形成三维警用快速建模子系统框架。警用三维快速建模子系统（暂时开发代号GF）采用形状文法描述，以输入脚本的形式做用户配置。具体而言，输入由一个用户配置的XML，一组按照标准方式开发的插件DLL以及相关的各种媒体资源所组成。所需定制的三维应用程序。当解析的脚本有错误时，可自动报错。总体描述如图6所示。 部分典型模型，如人、刀具、简单家具等，可以直接从模型库中通过设定参数输出。而绝大多数的场景是通过用户绘制草图或者输入图像辅之以交互实现模型的构建。 图 5 快速建模子系统工作方式项目将研发简洁、直观、易用的建模交互界面，布局分为四个区域：A. 菜单及快捷按钮；B. 场景信息区；C. 三维视窗区；D. 功能命令区。各区域功能如表2所示。此种设计优点是，三维视窗区及其右键菜单承担了大多数的操作，辅助以界面上部的菜单和工具栏，使受过良好训练的用户可以快速的进行建模操作。表2：交互区域的简介及比较区域名称功能简介使用频率菜单及快捷按钮区提供文件操作、视角转换功能低场景信息窗口管理场景树，供用户选择以进行进一步操作。中三维视窗区用户的主要交互区域，可在此进行三维模型绘制及浏览。高功能命令区为减少交互复杂性而提供的交互命令，中-高考虑到用户的方便与笔式输入设备的结合，项目将在在三维视窗区一侧端添加了功能命令区，分担了三维视窗区内操作的压力。采用层的复制实现形状与底层形状相匹配等问题。3. 动态仿真子系统。 开发统一的快速仿真物理引擎，同时结合个性化标注以及动态路径设定方式，使得用户能够自由选定需要模拟对象的类别（示意性标注、动态路径设定和可计算对象），能够自动激发仿真模拟计算，并能够将结果实时地进行显示。动态仿真子系统主要通过个性化标注、运动路径设定和动态仿真引擎来完成动态对象的实时仿真的需要。该子系统通过设定合理的交互方式，包括路径设定、可计算仿真对象指定等来完成，通过访问警用对象信息数据库，触发仿真引擎，完成动态对象仿真的计算。该模块的关键是设计合理的界面和对象数据库信息、运动约束的正确处理，包括快速的碰撞检测算法。系统可以通过交互界面由用户指定对象的运动路径，也可以分析对象数据库信息，智能地确定可计算的模拟对象，并能够通过两种方式结合的方式触发可计算模拟计算所采用的物理模型和数学求解方法。4. 二维矢量子系统。该子系统是基于警用需求所设计的二维矢量分析和仿真子系统。由于三维交互建模和仿真是项目所构建系统的难点，所以本报告主要针对三维建模方法和仿真技术做了介绍和分析。系统同时提供二维矢量分析与仿真系统。主要包括两方面的应用，一是与警用地理信息系统等与矢量相关信息相结合的应用；另一是二维建模的需要。5.个性化标注子系统。个性化标注子