基于图像空间的焦散实时逼真绘制算法研究

提出了一种基于图像空间的焦散实时逼真绘制算法,算法将焦散的计算过程进行了分解并采用动态组织浮点纹理的方式将计算所需的几何数据从几何空间转换到了图像空间,可完全通过GPU编程实现实时逼真绘制.算法的主要优点是适用于可变形物体,可模拟由物体双面折射形成的焦散现象,算法效率受场景规模影响小并可方便地与阴影等绘制效果相结合.实验表明,GPU的数据处理能力和可编程特性得到了充分挖掘,与经典焦散绘制算法相比具有明显的效率优势.     

轻量级WebVR地铁站大规模火灾情景实时仿真研究

大规模火灾仿真需要庞大的计算量和卓越的渲染能力，对Web端实时在线火灾仿真系统的实现提出了挑战。提出了一套轻量级Web端地铁站火情实时仿真技术框架。基于火灾安全领域中的计算公式整理简化，分析地铁站防烟设施影响，提出了基于防烟分区的两阶段烟雾扩散模型，实现烟雾扩散趋势计算；提出了Web端的防烟分区级多粒度粒子发射器框架，完成火焰和烟雾形态的渲染，实现基于Web端实时计算和可视化过程。试验验证表明：本文方法与专业火灾模拟软件模拟结果在大体趋势上相近，并且打开网页即可实时在线对火灾进行模拟，在便捷性上拥有显著优势。     

玉米群体冠层实时物理模拟

植物器官具有柔性体性质,如何快速高效地处理植物群体内部、植株之间,以及植物器官之间的碰撞检测及变形问题是进行植物群体实时物理模拟的关键.以玉米群体冠层为例,提出了四面体网格结合皮肤网格的双层架构的植物群体物理模拟方法.该方法创建与植株精细的三角形皮肤网格模型相对应的较粗糙的四面体网格包络模型,在四面体网格模型上进行物理模拟、碰撞检测等计算,然后通过四面体网格与皮肤网格间的关联将模拟结果变换到三角形精细网格模型,从而实现了较为逼真、稳定的植物群体实时物理模拟效果.     

一种面向场景图系统的刚体模拟应用框架及其实现

场景图系统是在虚拟环境生成领域应用十分广泛的技术,而刚体是虚拟环境中大量存在的一种物体对象类型.借鉴一般场景图的思想,对基于场景图系统的刚体运动建模方法进行了研究,面向通用场景图系统提出了一个实时刚体动力学仿真模拟框架,并针对Vega场景图系统给出了基于开源动力学引擎的模块化实现.     

海面物体热像模拟的通用物理模型研究

在通用的海面物体三维几何构型的描述以及准均匀网格生成方法的基础上，改进了原有的海面物体热像模拟物理模型，建立了通用的海面物体热像模拟物理模型，并进行了计算机实现，计算结果表明该通用物理模型涵盖了原有的物理模型，并使有些计算结果的精度得到了提高，还可进一步扩展后应用到其它环境下物体的红外辐射场的模拟。     

混合边界条件下绕旋成体的势流——横向流

本文系统地阐述了平面运动中作用在带有拖尾空泡的轴对称体上的流体动力和力矩的计算方法,计算中考虑了空泡表面的横向偏转。对不大的空泡偏转情况,所用的基本假设是,认为物体-空泡外形无偏转,并规定空泡偏转与相应的物体-空泡表面上的源强分布有关,借此我们可以计算与非轴对称物体-空泡外形相应的势流,以满足恰当的混合边界条件。然后,使用类似于轴向流情况时所用的迭代法,分别求解与刚体平移和旋转有关的势流解。接下来计算作用在运动物体上的压力分布,并与模拟自由飞行时所测得的压力数据进行比较。我们将计算出的流体动力系数作为Froude数和空泡数的函数给了出来。     

基于元胞自动机的云层实时模拟

云层的实时模拟是构造真实的虚拟自然环境的重要组成部分.然而,外观形状的不规则性和物理形成过程的复杂性增加了云层实时模拟的难度.在分析和研究现有云层建模和渲染方法的基础上,提出了一种基于元胞自动机的云层实时模拟方法,该方法的核心是采用元胞自动机理论对云层建模,使用风力函数对云进行控制;综合单散射和多重散射的方法构造云的光照模型;利用连续帧之间的相关性实现基于视点变换的云层实时渲染, 并利用Murakami的元球方法计算云的密度分布.实践证明该方法可以实时模拟具有较强真实感的云层.     

用于虚拟力觉再现的弹簧-质点力/变形模型研究

为提高虚拟力觉再现的精度与实时性,提出了一种弹簧-质点力/变形模型,它将物体以受力点为中心,沿径向方向分割为呈同心圆分布的弹簧-质点系统。系统中各个质点的相对位移的叠加对外等效为物体表面变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等于物体表面的接触力。该方法由于分割只涉及到发生变形的局部区域,不需要对整个物体进行大量的矩阵运算;进行了基于图像边缘检测的变形测量,推导了模型参数;基于此力变形模型,利用DELTA手控器,进行了柔性物体接触变形以及实时虚拟力反馈的半物理仿真。     

虚拟装备仿真训练系统中的一种行为建模方法

首先分析了虚拟现实系统的自主性特点,要使得虚拟环境中物体具备自主性需要建立相应物体的其物理行为模型,对其物理行为进行仿真,从而确定虚拟环境中物体的状态。在构建特定的VR系统时,人作为参与者必须按照一定的规则和虚拟环境中的物体进行交互,尤其在虚拟装备仿真训练系统中,建立相应的操作行为模型以确定环境中物体行为和反应。本文提出了一种基于规则的行为建模方法,已成功应用于某大型武器装备虚拟仿真训练系统,提高了系统的沉浸感和交互性。     

一种于基于有限元的形变模型算法

针对实时虚拟手术仿真中的弹性形变特性,本文提出了一种新的算法,该算法考虑到虚拟手术中存在的特殊情况,在形变模型的实时交互性与精确性之间取得了良好的平衡,模型的实时交互性是通过进行预处理实现的,此时响应操作的实时形变计算得到加速,模型的精确性则来自于基础算法有限元法的精确性。     

不同施肥措施对黑土土壤水分及保水性的影响

在长期定位试验中,采用中子水分测量仪对其中的4个处理(F1-无肥、F2-中量化肥、F3-高量化肥、F4-高量化肥加有机肥)进行了为期3年的土壤水分监测。结果表明:施肥处理显著影响了土体内的水分变化,影响范围主要是10cm~90cm。深度超过90cm之后,施用高量化肥的处理含水量超过了其它3个处理,施用相对高量的化肥具有明显的保水作用,而施用有机肥则增加了土壤的疏松透气性,因而增加了蒸发。施肥多的两个处理比较于不施肥和施肥少的处理水分的纵向变幅要大。施入了高量化肥的处理,在高产的同时,保存了70cm以下土体的含水量,而施入同样高量化肥配合有机肥的处理,深层的含水量没有单施高量化肥的高。施用化肥降低了土壤水分的蒸发,提高了保水性。施用化肥同时施用有机肥改善了土壤的透气性。施用有机肥的处理具有如下特点:在含水量高的时候,有排水的作用;在含水量适中的情况下,蒸发量最小,有保水的作用。不施肥的处理,在适宜的水分条件及干旱的情况下,蒸发量最大;在土壤含水量较大的情况下,蒸发较慢,相对而言不具有保水及排涝的作用。图5,表2,参13。     

四川龙溪河流域水污染分析及水环境保护措施

随着工业化、农业化和城市化进程的发展，流域内水污染问题日渐严重，流域水污染防治已是一个热点。现以四川省乐山市龙溪河为研究对象，根据该流域的水文、污染物等特征和相关的调查资料对该流域水质进行分析计算，结果表明：龙溪河水质污染问题已经非常突出，污染较为严重。根据水环境容量模型计算出各污染物的水环境容量、最大允许排放量以及达到控制目标需削减的污染物量。并根据该流域污染源的实际情况，针对工业污染源、农业面源和城镇生活污染源的不同特点提出具体的防治对策。图4，表3，参11。     

基于混合禁忌搜索算法的水位流量关系拟合

将禁忌搜索算法与免疫进化算法、模拟退火算法有机地结合起来，建立了求解优化问题的混合禁忌搜索算法（HTS）。具体的改进策略为：通过与模拟退火算法结合，使用蒙特卡罗准则和退火过程，改善禁忌搜索的“下山”能力，提高搜索效率的同时避免陷入局部最优；采用免疫优化算法产生优秀子代解的思想生成禁忌搜索算法的邻域结构，增大了寻找优秀解的几率。将混合禁忌搜索算法应用于水位流量关系公式的参数优化，得到的拟合结果与实际值接近，误差较小，表明此混合算法精度较高，性能稳定。     

控制灌溉下三江平原稻田耗水量和水分利用效率研究

采用田测法对三江平原控制灌溉下稻田灌溉水量、耗水量、产量和水分利用效率进行了研究。实验采用控制灌溉Ⅰ、控制灌溉Ⅱ和淹灌3种灌水处理。结果表明：控Ⅰ灌、控Ⅱ灌和淹灌3种处理的总灌溉水量分别为344.1mm、319.4mm和467.4mm,与淹灌处理相比,控Ⅰ灌和控Ⅱ灌处理分别节省灌水26.4%和31.7%。在整个生育期内田测法测得的控Ⅰ灌、控Ⅱ灌和淹灌3种处理的耗水量分别为538.5mm、500.5mm和627.8mm,与淹灌处理相比,控Ⅰ灌和控Ⅱ灌处理分别节水14.2%和20.3%。控Ⅰ灌、控Ⅱ灌和淹灌3种处理的实际籽实产量分别为10 200 kg·hm^-2、10 500 kg·hm^-2和9 320kg·hm^-2,控Ⅰ灌和控Ⅱ灌处理分别增产9.4%和12.7%。控Ⅰ灌、控Ⅱ灌和淹灌3种处理的水分利用效率分别为1.89kg·hm^-3、2.10 kg·hm^-3和1.49 kg·hm^-3,控Ⅰ灌、控Ⅱ灌的WUE分别较淹灌增加26.9%和40.9%。对比分析结果表明,控制灌溉在节约水资源的同时还能提高产量,控Ⅱ灌的节水和增产效果都略优于控Ⅰ灌。图3,表4,参7。     

闽江水域水质时空分布探索性研究

依据2008-2009年11个采样点8个水质指标数据,运用主成分分析和聚类分析,对闽江水质时空分布进行探索性研究。通过统计分析将8个水质指标概括为2个主成分,在空间尺度上分为2组,重污染区和轻污染区,在时间尺度上分为2组,枯水期和丰水期。结果表明闽江上游污染较为严重,中游一直到下游污染程度呈下降趋势。经过福州市区后,由于汇入了大量的生活和生产污水造成污染,使闽江水质急剧下降。同时,闽江水质受该地区的降雨量影响较大,它亦随着水温的变化呈季节性变化,冬季的水质最差。     

水箱液位系统的建模与仿真

应用流体力学原理对三容水箱液位系统进行分析,并在不同的工作点对水箱系统建立机理模型。基于不同的模型结构:线性模型、BP神经网络模型、非线性Hammerstein ARMAX模型,利用测量到的输入输出数据辨识对象的模型参数,对水箱系统建立数学模型,并通过仿真检验模型的有效性。不同的模型结构和相应参数及其辨识方法将对控制系统的设计具有很强的指导意义。     

基于水资源合作的水资源短缺区域水资源优化配置

为提高水资源短缺区域的水资源利用效率,实现区域水资源初始配置后的有效再配置,提出三阶段水资源短缺区域水资源优化配置方法：阶段1,利用高效的“优先规则”构建部门间水资源合作清晰联盟的用水收益支付函数,对联盟成员水资源共用、获益方式进行了合理刻画;阶段2,基于Choquet积分形式的模糊合作博弈、阶段1中的清晰联盟支付函数,构建部门间水资源模糊联盟支付函数;阶段3,基于上述成果,构建水资源短缺区域水资源优化配置模型,求解得到用水部门最优水资源合作联盟,并将求得的最优模糊联盟视为大联盟,通过求解其核仁解获得最优模糊联盟的收益分配。以京津冀区域水资源优化配置问题为例,算例结果表明：①基于Choquet积分形式模糊合作博弈的三阶段水资源优化配置模型能够最大化区域整体用水收益水平,实现水资源短缺区域中的水资源优化配置,并使区域中用水部门有机会分得更多的获益;②本文模型无需引入模糊Shapley值等分配方法作为约束条件即可求得最优联盟,模型不影响不同收益分配方法分配结果的有效性;③采用将最优模糊水资源合作联盟视为大联盟,并求联盟收益的核仁解的方法分配最优联盟收益,无论最优联盟的核心是否为空,都能保证联盟收益分配结果满足个体理性和集体理性要求,即能保证最优联盟中各成员不会“叛逃”最优联盟、联盟稳定存在,且保证获得的分配方案为确定分配值而非分配区间。即本问题中该分配方法优于Shapley值、模糊最小核、弱最小核方法。所构建的水资源短缺区域水资源优化配置模型及最优水资源合作联盟收益分配方法对水资源短缺区域的水资源优化配置问题有较好的适用性,能够为我国京津冀区域等水资源短缺区域的水资源优化配置工作提供参考。     

PEMFC水管理模型及控制

根据质子交换膜燃料电池两侧的极化反应、电渗过程、浓度差现象,运用Simulink仿真工具,建立燃料电池水含量与输出电压关系的仿真模型,仿真结果与实际数据相符,证明了模型的有效性.将该模型按扰动输入进行分段线性化后,取得适合每段模型的PID参数,设计从扰动输入到PID参数的模糊控制器,仿真结果显示控制器对电堆电流及温度产生的扰动具有较好的抑制效果,保证了电堆输出功率的稳定性和快速性,对指导电堆水管理有一定意义.     

降雨入渗和再分布对边坡土壤水分运移的数值模拟研究

根据饱和-非饱和土壤水分运移的混合型Darcy-Richards方程,建立了降雨入渗和再分布条件下非饱和边坡土壤水分运移模型,并采用有限差分方法对模型进行数值求解,选取广州西二环高速公路C10标的路堑边坡进行降雨入渗和再分布下坡面土壤水分分布的动态规律研究.模拟结果表明:随着降雨历时的增加,湿润锋面逐渐向下推进,当入渗时间达到8小时后,土壤中体积含水量达到饱和含水量.降雨5小时后停止降雨,分析边坡表层土壤再分布下含水量的递减随时间的变化关系为y=0.2526262+0.1742exp(-t/8.70805).数值模拟及分析结果可为边坡排水加固设计提供定量依据,并对边坡稳定性评价具有理论意义和现实意义.     

基于水利设施运行下的水质污染与控制混沌非线性效应

采用混沌非线性技术,对水利设施运行造成的水质污染效应进行了分析,通过葛洲坝船闸运行实验结果发现:受影响12公里长的河道常年24小时内水位变幅1.50m,最大变幅时间11、16、20、22时.物理化学特性及主要污染物化学需氧量、高锰酸盐指数、总磷、氨氮在不同水域浓度差异极大,表现高浓度区远离污染源分布区,水体质量与河流水文期参数(枯、丰、平)无明显变化,关系模糊,系统具有突变、约束、开放、自组织混沌非线性效应.应用耗散结构理论建立了水质污染非线性动力学模型,经实测验证误差为3%~6%.