面向人群疏散仿真的三维场景生成方法研究

发布时间：2018-04-02 01:27

本文选题：三维建模　切入点：图像矫正　出处：《山东师范大学》2016年博士论文

【摘要】：公共安全是国家安全和社会稳定的基石。每年,各种突发的公共安全危机事件时有发生,严重威胁着人们的生命财产和安全。如何能够有效的组织管理好大型公共设施内复杂而庞大的人群,在高峰期或紧急事件出现等情况下进行科学而有效的疏散,根据设施环境和可能发生的各种安全危机事件设计人群疏散管理应急预案是非常重要也是具有高度现实意义的。传统的人群疏散管理的应急预案是由专家人工制定,但随着大型公共设施不断出现,公共安全危机事件的类型不断增加,使得人工解决如此复杂的安全问题成为不可能。传统的实战演练方法也会受到人员规模,场地限制,并不能真正验证人群疏散方案的有效性。人群疏散仿真就是在计算机生成空间中建立公共设施和人群的三维模型,假设各种可能发生的安全危机和相应的疏散预案,模拟并三维地展示人群疏散的场景,通过对仿真结果进行统计分析,来验证疏散管理预案的合理性和有效性。人群疏散仿真系统中主要包含了三维场景的建模技术,场景语义生成技术,群体运动仿真技术及仿真结果分析技术。当前的疏散仿真主要注重于疏散算法的研究,通过不同的疏散算法来仿真行人在疏散中的行为。大多数算法中使用的场景都非常简单比如单个空房间加几个出口,导致算法仅局限于模拟几种人群疏散现象,而无法有效的仿真大场景疏散,也无法验证疏散管理预案的合理性和有效性。因此人群疏散仿真需要有复杂场景模型的支持,本文主要探讨当前疏散仿真系统研究中所欠缺的场景建模部分,对面向人群疏散仿真的三维场景的建立及场景语义的生成进行了研究,以期对疏散仿真算法提供快速的有效的大规模三维场景模型及场景语义的支持。这样,可将疏散算法应用于大场景人群疏散仿真中,能够帮助相关专家对疏散管理的应急预案做出实质性分析,制定合理的应急预案以对紧急事件下的人群做出有效的疏散管理,避免大规模的人员伤亡。随着摄影技术,GIS技术及互联网的普及,场景图像的获得越来越容易,本文主要研究基于图像的三维建模方法及语义生成方法。主要内容和创新之处概述如下:1、提出了一种基本主灭点的单幅图像矫正算法。从互联网或拍摄中得到的图像,在成像过程中,平面场景因为透视原因会发生畸变,三维深度信息的丢失,导致图像矫正有一定的难度,需要通过若干约束关系,进行矫正。对于图形结构比较单一的图像,无法找到足够的约束关系,需进行一定的假设来实现图像的矫正,本文对透视投影中心与主灭点的特点进行了研究,提出了基于主灭点的单幅图像矫正算法。该方法用于场景图像的矫正,得到较好的矫正效果,并对矫正后的图像进行分析,得到物体的轮廓信息,以供三维建模中使用。2、提出了一种基于SARM同伦映射的建筑物轮廓生成算法建筑物的建模离不开对建筑物的轮廓等的获得,根据建筑物的简单图像快速获得其轮廓信息对于后期的建筑物快速建模是非常重要的。本文结合同伦映射算法,将建筑物的轮廓的生成过程转化为建筑物底层轮廓曲线到顶层轮廓曲线的同伦映射问题。分析了现有建筑物的特点,将影响建筑物外观轮廓的因素归纳为四个,提出了基于SARM同伦映射的建筑物轮廓生成算法,解决了同伦映射中对轮廓曲线的限制及生成轮廓的局限性,为建筑物轮廓生成方法提供了多样性,灵活性,并提高了建模速度。3、提出了一种结合SARM算法和形状文法的建筑物快速生成方法。建筑物是室外场景的主要部分,如何快速生成建筑物关系到整个场景建模的效率。针对在人群仿真疏散中对建筑物模型的精度要求不高的情况,本文提出了基于形状文法的建筑物自动生成方法。通过对建筑物构造的分解,对建筑构件结构特性的分析,构建相应的形状文法,控制建筑物自动生成。这样在获得由SARM算法生成的建筑物各层轮廓后,并设置相关的参数,就可由系统按照形状文法的规则,自动生成用户需要的建筑物,大大加快了建筑物的三维建模速度。4、提出了一种基于两层结构的场景语义表示方法场景语义是人群疏散仿真中个体路径生成所必不可少的信息,在平面图中获取各物体轮廓时,已经得到了各种物体相应的语义信息,但还要对其进行更深层次的整合。为了便于后期疏散仿真中个体路径规划的使用,本文提出了基于两层结构的语义表示方法,将语义信息分为数据层和拓扑层,并定义了统一的语义表示规则。在数据层根据人群疏散的特点,将室内室外场景物体统一规划为四大类:可行区域、门、障碍物、楼梯。拓扑层记录了各可行区域之间的拓扑关系,支持快速的路径规划。此方法使得场景语义的表述规范化、简单化,更有利于疏散算法的使用。
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【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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