（立项分析）警用三维快速建模仿真系统研发及应用示范项目立项可行性论证建议书（终稿）

结合公安系统实际需求，重点研究如下三方面对于建筑物室内外结构建模，采用面向警用领域形状文法描述，重点研发基于单幅参考图像三维建筑草图建模算法。

研发基于草图交互单幅二维图像照相机参数快速推测技术，基于草图交互三维建筑模型分析方法。

研发根据用户输入二维手绘勾画线预测三维自由网格曲面方法。

对于场景动态模型，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，以提高建模效率。

研究三维场景模型底层特征提取，包括建筑模型内在几何特征以及几何重要度计算研发场景中模型整体特征分析，探索基于草图交互提取模型对称性以及其他结构信息快速算法。

突发事件场景动态仿真定性与定量地对突发事件中对象进行仿真，对突发事件下步发展趋势进行有效地预测，实现重大案情事件重现还原以及预演，能帮助警员做出正确决策与预案。

本项目拟采用以下策略做动态仿真为实现系统快速反应，结合行业相关规范和应用需求特点，对场景中动态对象，通过人交通工具运动路线设定和个性化标注方式实现对虚拟对象控制和仿真，以帮助警员做现场分析对于子弹火焰和交通工具等和周围环境交互，预测可能出现案情进展情况，采用基于物理方法进行仿真，即主要根据物理学力学中相关运动定律，结合虚拟现实技术，进行合理地简化和处理，获得运动对象逼真动态效果。

突发事件场景实时绘制响应速度是快速建模和仿真关键，为实现系统实时性，需要对项目实施中每个环节速度做重点考虑。

大规模场景绘制与渲染是其中重要问题之，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突出实际场景中环境和动态对象主要特征，忽略次要特征，对主要特征采用真实感绘制方法，对次要特征和行业规范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有机结合，提高场景真实感和绘制速度。

对规模较大场景，即对人群运动大规模建筑场景等，采用采样点和层次绘制技术相结合方式，优化计算分解和计算重用，提高虚拟对象绘制规模。

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协同工作与快速发布，我们采用开放分布式架构。

方面，分布式系统保障应用时上下级部门场景快速有效地传递以及在同级业务部门协同分析另方面，采用开放式应用模式，遵循标准化统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参数化建立和模型特征统计分析，以引擎插件架构方式完成系统功能及其扩展。

应用示范项目将以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。

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，完成突发事件上报三维场景信息传递决策和指挥等功能，包括提供结合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快速准确以及动态仿真有效性。

具体而言，本项目对以下关键技术做重点研发合理运用二维草图交互界面，完成三维建筑模型交互设计分析与计算任务。

其科学本质是在信息缺失情况下特别是深度信息缺失，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合理映射关系。

利用有限图像信息，利用建筑物本身结构特点，来提高草图交互精确性以及做到二义性排除。

对应用领域内动态对象做有效仿真，实现对火焰人群以及作案工具等运动仿真，平衡仿真过程中运行速率和仿真有效性问题。

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。

建模与场景信息系统管理，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建模系统和已有诸多行业建模系统相区别，本项目所研发系统主要是警用域内应用，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情形下中如何快速建立模型。

同时，本项目另重点是场景动态仿真，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，本项目具有以下创新点或特色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引入。

采用手绘草图界面，有助于快速准确地构建几何模型拓扑结构，实时修改调整。

将规则驱动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均衡。

基于物理动态对象模拟，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模拟与仿真。

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重用，提高场景绘制与渲染效率。

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基础上，针对警用领域特定应用需求，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系统具有开放软件体系架构，能够支持建模方法扩展仿真算发改良与生长，用户插件开发，应用模式拓展，使得系统能够根据日益增长用户需求不断发展，并支持场景信息和动态仿真数据分布式管理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体化模式网络发布研发系统整体响应性能在秒以内，正常情况下并发访问事故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合作研究中总结发现，公安系统针对案件和事故现场快速建模和仿真需求最为迫切。

方面，重大刑事案件现场分析和应对，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灾情做出合理地模拟仿真，以便提出科学应对预案。

此外，在对重大事件事后分析与研究时，如要对事件情景回放，也需要场景快速建模与对象行为仿真。

总之，借助方便易用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抓捕方案大型建筑中人群疏散预案地震火灾时大型建筑中人员脱逃路线高层建筑物救火方案，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迫切需求，国内外还没有成熟技术手段，可以依据少量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实时仿真技术尚缺乏足够领域智能技术支持。

因此，研发面向警用三维快速建模与实时仿真系统意义重大。

项目成功研发将有帮于警员快速有效地分析突发公共事件真实场景，制定应对方案和启动快速反应机制。

系统核心问题是正确地建立突发事件场所室内外场景刻画出突发事件主要真实情景模拟事件过程中可能出现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基础上，突破警用快速建模与动态实时仿真若干关键技术，包括警用场景三维快速建模警用动态对象仿真场景实时绘制与渲染等研发界面友好开放软件体系架构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应用示范系统。

面向警用三维快速建模和动态仿真是本项目两大核心问题，迄今为止，国内外研究和应用领域都做了大量相关工作。

快速建模技术快速建模技术是计算机技术研究重要领域，从二十世纪六十年代开始到现在，已经发展成为重要研究领域和工业产业。

根据操作内容和处理流程不同，可以将当前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。

其中应用最广泛就是交互式造型，现有主流三维造型软件如等都是基于交互式造型。

所谓交互式造型，通常是提供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。

这类软件般都提供了对点线面基本操作，比如复制移动删除变换拉伸等等。

通过这些简单操作，就能构造出较为复杂几何图形。

年代发展起来自由变形技术，到近年来网格曲面多分辨率方法等，不断地丰富着交互式造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，完成突发事件上报三维场景信息传递决策和指挥等功能，包括提供结合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快速准确以及动态仿真有效性。

具体而言，本项目对以下关键技术做重点研发合理运用二维草图交互界面，完成三维建筑模型交互设计分析与计算任务。

其科学本质是在信息缺失情况下特别是深度信息