本发明涉及火灾场景模拟技术，尤其是涉及一种大规模火灾动态烟雾场的轻量级网页可视化方法及系统。
背景技术：
火灾产生的动态烟气的数据量巨大，扩散时形态变化复杂，使得烟气可视化渲染的计算量与存储量均很大，所以动态烟雾场的实时可视化一直都是一个难题。即便是单机版，目前在大规模场景中进行烟气可视化，还是需要耗费巨大的硬件资源。而在网页上进行大规模烟气可视化，在硬件内存上受到了更多的限制，网页的渲染能力也是远远低于单机上的渲染能力。由此，轻量级的大规模火灾烟雾场景的可视化实现，长期以来一直没有得到解决。
目前烟气表现形式多种多样，从stamj等人开始就对烟雾的蔓延问题进行了研究，美国zhub等人利用自适应网格来凸显烟雾蔓延细节，燕山大学唐勇利用欧拉法以及gpu加速在pc机器上实现了实时有效的烟雾融合动态蔓延模型，能精准模拟真实世界中多火源烟雾蔓延过程。以上研究偏重于烟气蔓延的计算过程，而面向场景内烟气轻量级可视化的方法，目前尚未出现。
在烟气可视化中，由于烟气的不规则动态变化，国内外学者先后提出了基于过程纹理函数模型、基于分形几何的模型、细胞自动机模型、基于物理的模型、基于粒子系统的模型等。
基于过程纹理函数模型不方便模拟外力作用，基于分形几何模型可以定义几个规则，利用无穷回归的自相似性仿真烟气蔓延过程，缺点是逼真度和精确度较低。而细胞自动机模型是冯诺依曼和乌兰于1950年提出来的一种模型，利用格子细胞在某时刻的状态以及邻居格子细胞的状态，进行烟气的填充，结构简单，但是组合效果复杂。基于物理的模型，例如josstam从热力学定律出发，提出了用扩散过程描述气体现象及其传播的方法，虽然烟气蔓延计算精度高，但是该模型算法都很复杂。基于粒子和基于体素化的可视化方式是主流。这是因为粒子系统是公认的模拟不规则物体最成功的方法之一，采用图元来定义物体的体积而不是采用多边形的方法。然而，基于粒子的方式中，需要确定每个烟雾粒子的位置及其可视化，占据了大量的运算资源。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大规模火灾动态烟雾场的轻量级网页可视化方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大规模火灾动态烟雾场的轻量级网页可视化方法，包括以下步骤：
1)服务器端采用体素化方式将原始烟气数据进行轻量化处理，获得轻量级烟气数据；
2)浏览器端接收所述轻量级烟气数据进行渲染，实现实时网页可视化。
优选地，所述轻量化处理具体为：
101)获取经火灾动力学模拟工具计算的封装的原始烟气数据；
102)将火灾场景空间划分为三维矩阵式体素化场景，进而将所述原始烟气数据转化原始体素化烟气数据；
103)对所述原始体素化烟气数据依次进行去冗余、数据归一化和数据去重处理，获得轻量级烟气数据。
优选地，所述原始烟气数据的获取过程为：
火灾动力学模拟工具设置不同的易起火的火源点，在火源点根据实际情况下的可燃材质进行火灾模拟，并采用火灾流体力学算法进行火灾烟气的动态蔓延计算，从而获得烟气的蔓延过程数据，形成封装的原始烟气数据。
优选地，步骤103)中，冗余处理具体为：
去除掉原始体素化烟气数据中烟气浓度为0以及烟气浓度数据小于0.00001数据。
优选地，步骤103)中，数据归一化处理具体为：
step301：针对去冗后的烟气数据，对烟气数据进行大小的比较，获得最大的烟气数据max，获得最小的烟气数据min；
step302：计算δ＝max-min，获得10个级别的烟气数据段数据集，这10个烟气数据段是δ/10、2δ/10、3δ/10、4δ/10、5δ/10、6δ/10、7δ/10、8δ/10、9δ/10和δ；
step303：将所有的烟气数据归一化为上述10个级别。
优选地，步骤103)中，数据去重处理具体为：
step311：根据某一归一化后的烟气数据所在位置，比较该烟气数据是否和周围的烟气数据值是在同一个级别上，记录和该位置相邻的位置上有同一层级的烟气数据，并记录新的烟气位置；
step312：将新加入的烟气位置作为对象，继续向其周围遍历同一级别的烟气数据，如果还有同一级别的烟气数据，则记录该烟气数据的位置；
step313：不断重复step312，直到周围没有同一级别的烟气数据为止，从而获得一个同一级别烟气数据的位置数据组；
step314：将所述位置数据组作为一个整体。
优选地，步骤2)中，所述网页可视化包括烟雾可视化和毒气可视化。
优选地，步骤2)中还包括：
在进行渲染时进行纹理粒子可视化模拟，实现图片纹理方式可视化。
本发明还提供一种应用所述的轻量级网页可视化方法的大规模火灾动态烟雾场的轻量级网页可视化系统。
与现有技术相比，本发明提供一种自动化、真实化、精确化、轻量化的网页级大规模烟雾场实时可视化方法，节约硬件资源和烟气渲染资源，具有如下有益效果：
①自动化：本发明可以自动地针对重量级的原始烟气数据，进行轻量化工作，可以将重量级的烟气数据进行轻量化处理，从而自动地实现目前亟待解决的烟气自动化的数据处理。其中数据去重处理中，将同一级别烟气数据的位置数据组作为烟气可视化时的数据矩阵，可以减少很多体素烟气绘制的次数。
②真实化：烟气数据无论是其可视化效果还是用于其它方面计算的需要，都是需要对烟气的真实性有着非常高的要求，如此一来方能够在场景中仿真真实的火灾和烟气蔓延的场景和情景，本发明能够保证烟气数据的真实性。
③精确化：本发明不仅需要能够保证烟气数据的真实性，同时还使烟气具备精确属性，这样在虚拟现实火灾逃生中，才能够获得精确的数据，从而进行精确的路径规划，完成有效的逃生导航。
④轻量化：目前还没有一种烟气轻量化方法，本发明可以在网页上呈现轻量级的烟气数据可视化，将目前重量级的烟气数据进行有效轻量化处理，从而实现烟气可视化的核心需求。本发明还可通过对烟气纹理图片方式，进一步减轻烟气情景渲染的缓存负载以及计算负载。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为实施例中双层地铁站的场景模型示意图；
图3为实施例中双层地铁站内烟气轻量化后浓度值；
图4为轻量化的体素化烟雾可视化效果图；
图5为轻量化的体素化毒气可视化效果图；
图6为基于纹理粒子烟雾可视化情景效果图；
图7为基于纹理粒子的毒气可视化情景效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种大规模火灾动态烟雾场的轻量级网页可视化方法，包括以下步骤：
1)服务器端采用体素化方式将原始烟气数据进行轻量化处理，获得轻量级烟气数据。轻量化处理具体为：
101)获取经火灾动力学模拟工具计算的封装的原始烟气数据，原始烟气数据的获取过程为：
火灾动力学模拟工具设置不同的易起火的火源点，在火源点根据实际情况下的可燃材质进行火灾模拟，并采用火灾流体力学算法进行火灾烟气的动态蔓延计算，从而获得烟气的蔓延过程数据，形成封装的原始烟气数据。
102)将火灾场景空间划分为三维矩阵式体素化场景，进而将所述原始烟气数据转化原始体素化烟气数据。
这种体素化的方式，可以借助于将空间划分为3维矩阵式的体素化场景，划分地越细致，获得的体素块越细致，但是所耗费的计算机资源及需要花费的时间就越多。考虑到人眼可视化效果的需要，本实施例可以将烟气可视化体素规定在0.25m，不仅大大减少了渲染计算量，而且也减轻了内存的负担。
103)对所述原始体素化烟气数据依次进行去冗余、数据归一化和数据去重处理，获得轻量级烟气数据。
烟气数据去冗步骤：
step1：输入原始烟气数据；
step2：去除掉烟气浓度为0的数据，去除掉烟气浓度数据小于0.00001的烟气数据；
step3：将得到的烟气数据，开始准备进行烟气数据的归一化处理。
烟气数据归一化步骤：
step1：针对去冗后的烟气数据，对烟气数据进行大小的比较，获得最大的烟气数据max，获得最小的烟气数据(通常选取为min＝0.00001)；
step2：计算出来δ＝max-min，然后获得10个层级的烟气数据段数据集，这10个烟气数据段是δ/10,2δ/10,3δ/10,4δ/10,5δ/10,6δ/10,7δ/10,8δ/10,9δ/10,δ。
step3：将所有的烟气数据完成上面的10段归一化处理。
烟气数据去重步骤：
step1：根据归一化后的烟气数据所在位置，比较该烟气数据是否和周围的烟气数据值是在同一个级别上，记录和该位置相邻的位置上有同一层级的烟气数据，并记录新的烟气位置；
step2：将新加入进来的烟气位置作为对象，继续向其周围遍历同一级别的烟气数据，如果还有同一级别的烟气数据，则记录该烟气数据的位置；
step3：不断重复step2，直到周围没有同一级别的烟气数据为止，从而获得一个同一级别烟气数据的位置数据组；
step4：将该位置数据组作为一个整体的烟气数据，作为烟气可视化时的数据矩阵，可以减少很多体素烟气绘制的次数。
2)浏览器端接收所述轻量级烟气数据进行渲染，实现实时网页可视化，包括烟雾可视化和毒气可视化。
在某些实施例中，步骤2)中还包括：在进行渲染时进行纹理粒子可视化模拟，实现图片纹理方式可视化。
上述方法在烟气轻量化上突破了三个难点：首先，它是完全自动地针对烟气数据进行轻量化处理，不需要每次针对烟气数据进行手工轻量化，并且数据量大，手工轻量化也不现实；同时，该方法在获得了可靠的真实的烟气数据之后，经过了一系列轻量化处理，最终得到了轻量化烟气数据，该数据是精确的；在此基础上，进一步地将轻量化烟气数据，应用到实际的地铁站内人群逃生中，并且可以实现实时的烟气可视化。
本发明还提供一种应用所述的轻量级网页可视化方法的大规模火灾动态烟雾场的轻量级网页可视化系统。
以双层地铁站的烟气模拟为例说明上述方法。如图2所示，首先根据场景的cad电子数据地图，搭建出来fds内的场景模型，该场景模型具有高精确度的特点。烟气经过轻量化后，形成的体素化烟气，不同体素块中具有不同的烟气浓度，如图3所示为地铁站内烟气轻量化后浓度值。图3中，每一行的数据中的前三个数代表对应于场景中x，y，z体素下的坐标，后面的数值代表每个时间点上该位置的烟雾浓度，两个时间点之间间隔的时间长度一致。
1)首先，从数据中可以看到，场景中浓度数据的变化是在0-3之间，此外，大部分的数据都是0.1以下，而在模拟过程中，0.1以下的数据是几乎不可见的。所以可以据此将数据离散分层，在这套数据中，将数据分为16个阶段：0-0.1，0.1-0.3，0.3-0.5，0.5-0.7,0.7-0.9…，2.7-3。其中第一阶段是不作为渲染的数据，即数据小于0.1时当作0来处理。只有数据超过0.1之后才开始产生浓度时间变化。
2)在创建体块时，如果当前体块的浓度为0(当烟气浓度ρ<0.1)时，不创建该位置下的体块，当浓度大于0.1时，再创建对应位置下的体块模型。从而保证场景中模型数量尽量少。通过以上优化算法，基于体素化的火灾场景就能较为流畅的运行。
在对烟气浓度进行二进制转换后，可以快速的在场景中进行绘制渲染。通过对烟气数据中的烟雾数据，进行剥离，可以获得单独的烟雾数据，接下来可以在场景中对烟雾进行可视化渲染，渲染后的情景如图4所示。
烟雾的可视化是基于实际场景中，烟雾浓度，借助计算机完成的可视化效果。而烟毒是看不见但也是在具体扩散的。根据fds获得烟毒数据，可以通过图1中的轻量化方法，获得基于体素的轻量化烟毒气体。
由于烟毒气体往往是不可见的，所以更加具有危害性，毒气也更有杀伤性。所以，对烟毒气体进行可视化呈现，可以在时空上，随时看到烟气所蔓延到的位置，以及烟气在该位置上的浓度情况，并可以根据这些情况，进行逃生人员的路径规划，指导逃生人员的逃生行为。
根据fds获得的烟气数据中，可以剥离出烟毒气体，根据烟毒气体的原始重量级数据，可以进行轻量化处理，将获得的轻量化烟毒数据，使用体素可视化技术，根据烟毒气体的浓度，进行可视化渲染，可以达到如图5的效果。
fds在进行烟气计算前，就给出了具体燃烧物释放的烟毒气体类型，例如火灾中会有co,so2，那么具体的烟毒剥离算法如下：
step1：输入原始fds烟气数据；
step2：将原始fds烟气数据进行解压，并完成格式转换，获得语义文件；
step3：将语义文件中属性为毒气的烟气数据全部抓取，并构建新的语义文件，并保存该语义文件；
step4：根据具体需要，可以将具体烟毒气体(例如：co,so2)从中分离出来；
step5：输出所需要的烟毒气体。
基于烟气轻量化的可视化目标，本发明也进一步进行了基于纹理粒子烟气的可视工作，也就是通过fds计算出来的烟气的位置，以及烟气的浓度数据，采用烟气纹理图片的方式，进行纹理粒子可视化地模拟工作，使得体素化的烟气浓度的绘制方法，转化为图片纹理的渲染绘制方法，效果如图6和图7所示，使用该方法可以进一步减轻烟气情景渲染的缓存负载以及计算负载。
本发明首次将重量级的烟气数据，进行基于体素化的轻量化处理，形成了数据量减轻了300倍的轻量化效果。并确保了烟气浓度数值范围的精确度，烟气所在位置的精确度，从而使得基于fds的烟气的真实性也得到了非常好的保持。
本发明首次将轻量级的烟气数据运用在网页上，并在网页上实现了可视化的效果以及精确寻路的效果，为火灾烟气情景下人群逃生提供了科学依据以及可行性的可视化方案。
本发明首次通过编码实现了服务器上重量级烟气数据的一系列轻量化处理方法，通过轻量化的技术完成了重量级烟气数据面向网页(包括移动互联网页)上的轻量化处理，并在用户端的网页上实现了轻量级烟气的渲染及呈现技术。
本发明首次实现了大规模场景内的烟气轻量化处理及可视化呈现，结合大规模场景的可视化，进行了精确的烟气可视化，使得烟气所在起火的大规模场景中，无差错地呈现烟气的动态蔓延过程。
本发明首次实现了大规模场景内基于纹理粒子的web上的烟气数据轻量化处理后的可视化，同样结合大规模场景的可视化，进行精确的烟气可视化，可以更加轻量化地呈现烟气蔓延的过程。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。