林火蔓延三維模擬系統(tǒng)中場(chǎng)景編輯的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃詩(shī)物+李建微+林建德

【摘 要】 林火蔓延的三維模擬是目前關(guān)于林火蔓延研究中的一個(gè)重點(diǎn)，而虛擬林火場(chǎng)景的創(chuàng)建與編輯是實(shí)現(xiàn)三維化模擬的一個(gè)非常重要的部分。本文詳細(xì)分析了林火蔓延系統(tǒng)對(duì)于場(chǎng)景編輯功能的需求，采用多種軟件設(shè)計(jì)方法以及開(kāi)源技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了模擬系統(tǒng)中的場(chǎng)景編輯功能，并能與模擬系統(tǒng)的其他部分良好協(xié)作實(shí)現(xiàn)林火蔓延的三維模擬。

【關(guān)鍵詞】 林火蔓延 三維模擬 場(chǎng)景編輯

林火蔓延是指從森林可燃物起火開(kāi)始，燃燒擴(kuò)散并最終熄滅的過(guò)程[1]?？茖W(xué)家們研究了各種相關(guān)因子（如可燃物、氣象和地形等）與林火的定量關(guān)系，構(gòu)建出林火蔓延模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)林火蔓延過(guò)程進(jìn)行模擬研究，已有一些二維模擬系統(tǒng)比如美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局的FARSITE[2]和BEHAVE系統(tǒng)在國(guó)外獲得較多的應(yīng)用。目前在林火蔓延模擬方面的研究由主要針對(duì)地表火和林火起始階段的二維模擬，發(fā)展為針對(duì)三維、立體的林火蔓延模擬[1][8]。本文針對(duì)此研究領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于FARSITE的林火蔓延三維模擬系統(tǒng)，該三維模擬系統(tǒng)以FARSITE的核心模型作為林火蔓延邊界的模擬基礎(chǔ)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景創(chuàng)建編輯功能以構(gòu)建一個(gè)逼真的虛擬森林場(chǎng)景，模擬三維的林火蔓延過(guò)程。

三維場(chǎng)景編輯器是用來(lái)搭建三維系統(tǒng)中的場(chǎng)景，是為了給使用者提供一個(gè)能夠自由創(chuàng)建三維場(chǎng)景的平臺(tái)。一般三維場(chǎng)景編輯器都集成了模型、地形、光照、天空盒、水面、粒子系統(tǒng)等三維編輯功能，并且具備整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)管理功能[4][5]。

1 系統(tǒng)場(chǎng)景編輯功能需求

由于本文討論的是三維林火蔓延仿真系統(tǒng)中的場(chǎng)景編輯功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，因此需要根據(jù)這一特定應(yīng)用的特殊需求在目前通用的三維場(chǎng)景編輯器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)之上進(jìn)行功能裁剪與修改，使得較為通用的三維場(chǎng)景編輯技術(shù)能夠滿足本系統(tǒng)特定的需要。虛擬林火場(chǎng)景是現(xiàn)實(shí)世界中林火真實(shí)環(huán)境的模擬抽象，為進(jìn)行林火蔓延模擬提供基礎(chǔ)環(huán)境。虛擬林火環(huán)境包括眾多要素，主要包括地形三維可視化、植物三維建模和林火三維可視化[8]等三個(gè)方面的內(nèi)容。因此具體來(lái)說(shuō)本文構(gòu)建的林火蔓延仿真系統(tǒng)對(duì)于場(chǎng)景編輯方面的需求主要有：

（1）三維地形的載入與構(gòu)建。由于本系統(tǒng)要求具有較高的仿真度，因此要求可以直接使用所研究林區(qū)的真實(shí)三維地形。這可以通過(guò)使用林區(qū)的高程圖以及衛(wèi)星遙感圖通過(guò)本系統(tǒng)使用到的OSG三維渲染引擎[6]的一個(gè)地形數(shù)據(jù)庫(kù)生成工具VirtualPlanetBuilder（VPB）[6]生成，然后進(jìn)行地形的載入。（2）虛擬植物的創(chuàng)建。森林中的可燃物是林火發(fā)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，林火蔓延的主要影響因素之一。虛擬植物的創(chuàng)建包括樹(shù)木、灌木、草叢等的渲染，植物的種類與分布反映了該區(qū)域的森林可燃物的類型和分布。目前虛擬植物建模方法很多，如參數(shù)化單株木三維建模、過(guò)程植物建模、基于圖像三維建模、基于草圖建模及交互式建模等方法。綜合考慮場(chǎng)景的真實(shí)感和繪制速度，項(xiàng)目目前采用Billboard方法創(chuàng)建植物模型。（3）林火是虛擬森林火災(zāi)場(chǎng)景的主要模擬對(duì)象。林火模擬包括火焰和煙霧的模擬。由于火焰的形狀和顏色的變化是不規(guī)則地動(dòng)態(tài)變化的，因此對(duì)其的模擬至今仍沒(méi)有完美的解決方案[9]。目前，對(duì)火焰的模擬方法主要有以下幾種：基于粒子系統(tǒng)的方法、基于紋理的方法及基于數(shù)學(xué)物理的方法[10]。本系統(tǒng)使用OSG三維渲染引擎的粒子系統(tǒng)[11]來(lái)進(jìn)行火焰和煙霧的模擬。

2 總體框架與設(shè)計(jì)方法

本文開(kāi)發(fā)的林火蔓延三維模擬系統(tǒng)使用QT圖形界面庫(kù)[7]實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)界面的快速設(shè)計(jì)和消息通信機(jī)制。使用OSG三維渲染引擎的應(yīng)用框架實(shí)現(xiàn)三維模擬場(chǎng)景世界的實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)調(diào)用其接口實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模擬場(chǎng)景的編輯工作除了采用上面的兩個(gè)重要的編程設(shè)計(jì)工具之外還使用了XML技術(shù)，XML格式文件用于保存編輯的場(chǎng)景數(shù)據(jù)信息，使用XML解析器TinyXml庫(kù)讀取和重現(xiàn)場(chǎng)景?？傮w框架如圖1所示。

本項(xiàng)目使用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML對(duì)場(chǎng)景編輯模塊中的類進(jìn)行建模，直觀體現(xiàn)出對(duì)象、接口、協(xié)作和它們之間的關(guān)系。根據(jù)面向?qū)ο蟮姆治龊蚒ML建模圖，運(yùn)用單例模式、對(duì)象工廠模式等設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)各個(gè)對(duì)象類、對(duì)象間的層次關(guān)系和繼承關(guān)系、對(duì)象間的通信方式等，見(jiàn)圖2。

最后便是面向?qū)ο缶幋a的實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)對(duì)各個(gè)對(duì)象類進(jìn)行編碼，封裝對(duì)象數(shù)據(jù)及相關(guān)操作。并適時(shí)地對(duì)類進(jìn)行重構(gòu)，調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改善代碼，減少代碼冗余，提高程序的效率，使以后的拓展更加的容易。

3 詳細(xì)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 界面操作

界面操作功能由界面接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。界面接口模塊劃分為界面框架模塊和工作區(qū)功能模塊。其中界面框架結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。工作區(qū)功能模塊再劃分為場(chǎng)景渲染模塊、資源管理列表模塊、模型視圖模塊、地形編輯模塊、日志模塊、和屬性模塊（這里列出的是涉及到場(chǎng)景編輯功能的子模塊）。除了場(chǎng)景渲染窗口外，本系統(tǒng)以Dock窗口形式來(lái)設(shè)計(jì)其他五部分，它們可以隱藏和顯示，還可以依賴于主窗口或懸浮獨(dú)立。當(dāng)所有的Dock窗口都隱藏或處于懸浮狀態(tài)時(shí)，場(chǎng)景渲染窗口將擴(kuò)充到整個(gè)工作區(qū)來(lái)顯示當(dāng)前的場(chǎng)景。

3.2 實(shí)體編輯

場(chǎng)景編輯必須能夠快速的創(chuàng)建實(shí)體，實(shí)體的編輯功能主要由實(shí)體編輯模塊實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景實(shí)體接口不僅提供對(duì)場(chǎng)景中所有實(shí)體的基本的操作功能，如平移、鎖定、刪除等，還提供了獲取實(shí)體狀態(tài)、狀態(tài)操作、光線圖實(shí)時(shí)渲染。其中模型實(shí)體接口是對(duì)模型實(shí)體編輯的功能；地形編輯接口提供了對(duì)地形編輯的功能；而其他實(shí)體模塊主要是場(chǎng)景編輯中的一些基礎(chǔ)的實(shí)體，比如攝像機(jī)，天空，光源等。

3.3 場(chǎng)景管理

編輯場(chǎng)景時(shí)還必須提供對(duì)場(chǎng)景信息的管理功能，因此需要設(shè)計(jì)場(chǎng)景管理模塊。場(chǎng)景管理模塊主要用來(lái)管理編輯器的各種數(shù)據(jù)，包括界面數(shù)據(jù)和場(chǎng)景編輯時(shí)數(shù)據(jù)的管理。場(chǎng)景管理模塊四大部分：模型管理模塊、日志模塊、屬性模塊和場(chǎng)景存儲(chǔ)模塊。