基于Unity3D和粒子系統(tǒng)的冶金仿真特效模擬

朱婉瑩 陳姚節(jié) 張琦 丁一帆

摘要：粒子系統(tǒng)可模擬冶金過(guò)程中因難以直接在生產(chǎn)線上進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，如煙霧、噴水等特效，在仿真冶金過(guò)中可利用Unity3D引擎并借助粒子系統(tǒng)的原理基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)鋼坯冷卻時(shí)的噴水效果和動(dòng)態(tài)煙霧場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：Unity3D；粒子系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)煙霧

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）52-0260-02

由于冶金工業(yè)過(guò)程的復(fù)雜特性，以及設(shè)備，工藝，加工材料和成本等因素的影響，科研人員或操作員難以直接在實(shí)際的生產(chǎn)線上進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，影響了人們對(duì)復(fù)雜對(duì)象的深入了解。系統(tǒng)仿真技術(shù)具有安全性，經(jīng)濟(jì)性、交互性及前瞻性等特點(diǎn)，利用仿真系統(tǒng)不僅可以深入理解并掌握各種復(fù)雜對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，而且可以進(jìn)行故障診斷和各種先進(jìn)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，其中為了增加系統(tǒng)仿真過(guò)程中最大程度的逼真性，可以在冶金過(guò)程中對(duì)鋼坯冷卻時(shí)噴水和煙霧的特效。Unity3D是一款支持Windows、Mas OS桌面操作系統(tǒng)平臺(tái)和Android、iOS等移動(dòng)操作系統(tǒng)平臺(tái)的三維游戲引擎，并已成功的應(yīng)用到很多不同領(lǐng)域的三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)中了。它包含圖形、音頻、物理、網(wǎng)絡(luò)、粒子等功能組件，支持大多數(shù)三維模型文件格式，提供柔和陰影與烘焙等光影渲染系統(tǒng)和強(qiáng)大的可視化編輯器。在Unity3D的三維引擎的基礎(chǔ)上結(jié)合粒子系統(tǒng)，可完美的實(shí)現(xiàn)冶金過(guò)程中噴水和煙霧的特效。

一、粒子系統(tǒng)原理

粒子系統(tǒng)是Reeves在1983年首次提出的一種模擬不規(guī)則模糊物體建模及其圖像生成的一種方法。粒子系統(tǒng)的基本思想是采用大量的、有一定生命周期和屬性的微小粒子來(lái)描述不規(guī)則的模糊物體，這些不規(guī)則的模糊物體具有不同程度的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，能夠很好地模擬煙霧、水流、火焰、云霧、爆炸等自然場(chǎng)景。粒子系統(tǒng)中的每個(gè)粒子都隨著時(shí)間的推移不斷變化，在時(shí)間和空間上具有動(dòng)態(tài)分布特性，從而能夠很好的模擬冶金現(xiàn)場(chǎng)的噴水特效，并隨著噴水而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)煙霧特效。粒子系統(tǒng)模擬的場(chǎng)景變化多端，根據(jù)粒子形態(tài)的不同，可將粒子系統(tǒng)分為流體粒子、煙霧粒子、破碎粒子等。這里流體粒子可用來(lái)模擬噴水特效，煙霧粒子主要用來(lái)模擬隨時(shí)間發(fā)展不斷繁殖生長(zhǎng)、消亡的動(dòng)態(tài)粒子特效，如冶金過(guò)程中熱處理的鋼坯經(jīng)過(guò)冷卻機(jī)噴水后產(chǎn)生大量的煙霧等，破碎粒子主要用來(lái)模擬噴水與鋼坯發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生水花四濺的特效。在利用粒子系統(tǒng)模擬某一個(gè)自然場(chǎng)景或特效之前，首先要對(duì)模擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)

行分析，將場(chǎng)景或特效對(duì)象分解成由眾多相互關(guān)聯(lián)的粒子構(gòu)成的一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，從而構(gòu)建一個(gè)關(guān)于被模擬對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化模型。

1.分析物體的靜態(tài)特性，初始化粒子的基本屬性，如粒子的數(shù)量、形狀、紋理圖片、大小、顏色、初始的位置，碰撞檢測(cè)等屬性。

2.分析物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，定義粒子屬性變化的動(dòng)態(tài)特性，如粒子的速度，生命周期等屬性參數(shù)。

3.在粒子系統(tǒng)中生成一些具有初始屬性的新粒子

4.根據(jù)粒子的動(dòng)態(tài)變化特性來(lái)更新粒子的屬性，粒子的初始化和運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成后，粒子集合將按照所設(shè)定的規(guī)律和路徑來(lái)進(jìn)行活動(dòng)，并且通過(guò)幀來(lái)控制每個(gè)粒子的動(dòng)態(tài)變化。

5.刪除系統(tǒng)中已經(jīng)死亡的粒子

6.繪制剩余的所有粒子，每個(gè)粒子在經(jīng)過(guò)一個(gè)生命周期的所有活動(dòng)后就進(jìn)入“死亡”階段，這時(shí)需要粒子發(fā)射器按照粒子的生成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)繪制新的粒子。重復(fù)3-6的循環(huán)操作，就形成了物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

二、基于Unity3D粒子系統(tǒng)的冶金過(guò)程特效開發(fā)

1.Unity3D的粒子系統(tǒng)。Unity3D中一個(gè)典型的粒子系統(tǒng)包括粒子發(fā)射器（Particle Emitter）、粒子播放器（Particle Animator）和粒子渲染器（Particle Renderer）三個(gè)組件。

一個(gè)簡(jiǎn)單的靜態(tài)粒子系統(tǒng)采用一個(gè)粒子發(fā)射器和一個(gè)粒子渲染即可實(shí)現(xiàn)。如果粒子系統(tǒng)與其他虛擬物體對(duì)象有交互時(shí)，可在物體上添加一個(gè)粒子碰撞器。粒子發(fā)射器用來(lái)產(chǎn)生大量粒子，Unity3D的粒子發(fā)射器有橢球粒子發(fā)生器（Ellipsoid Particle Emitter）和網(wǎng)格粒子發(fā)射器（Mesh Particle Emitter）兩種。其中，橢球粒子發(fā)射器在一個(gè)球形范圍內(nèi)產(chǎn)生大量粒子，使用Ellipsoid屬性來(lái)縮放和拉伸范圍，網(wǎng)格粒子發(fā)射器在一個(gè)網(wǎng)格周圍發(fā)射粒子，粒子從網(wǎng)格的表面產(chǎn)生，適用于粒子與物體通過(guò)復(fù)雜的交互方式相互作用的情況。粒子動(dòng)畫器將在不同的方向移動(dòng)粒子和改變粒子的顏色，也可通過(guò)腳本編程的方式控制粒子系統(tǒng)中每個(gè)粒子的行為，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的粒子特效。粒子渲染器是將粒子系統(tǒng)所繪制的效果渲染在顯示設(shè)備屏幕上，讓用戶可以直觀地觀察到相應(yīng)的視覺(jué)效果，粒子碰撞器用來(lái)實(shí)現(xiàn)和虛擬場(chǎng)景中其他碰撞體之間的相互作用，如冷卻機(jī)噴水系統(tǒng)碰到目標(biāo)對(duì)象時(shí)發(fā)生水花效果。

2.冷卻機(jī)噴水特效模擬。這里以噴水為例，分析在Unity3D平臺(tái)上模擬三維噴水特效的開發(fā)過(guò)程，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：①制作具有碰撞檢測(cè)功能的噴水預(yù)設(shè)。首先，將制作完成的水柱模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D虛擬場(chǎng)景中，并添加剛體屬性組件（Rigidbody）、碰撞檢測(cè)器（Box Collider）和銷毀控制腳本，同時(shí)將其制作成預(yù)設(shè)，以便能在虛擬場(chǎng)景中多次重復(fù)使用該模型。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中起總開關(guān)作用的PowerOn與控制冷卻機(jī)開關(guān)的state同時(shí)打開（即同時(shí)等于1）時(shí)，冷卻機(jī)開始噴水。而剛體屬性檢測(cè)組件是為了讓水柱有向下的重力屬性。碰撞檢測(cè)器是用來(lái)判斷水柱是否與鋼坯或其他虛擬對(duì)象發(fā)生物理碰撞，即是否滿足產(chǎn)生水花四濺的特效條件。銷毀腳本是為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶關(guān)閉冷卻機(jī)（state==0）或者關(guān)閉總開關(guān)（PowerOn==0）時(shí)，水柱實(shí)例對(duì)象能停止噴水自動(dòng)銷毀。②添加水花粒子系統(tǒng)。新建一個(gè)原來(lái)模擬水花特效的粒子系統(tǒng)，并在這個(gè)粒子系統(tǒng)上添加腳本模擬噴水與鋼坯碰撞時(shí)濺起的水花特效，然后在音頻源組件中添加一個(gè)模擬噴水效果的音頻。因?yàn)樗ㄌ匦б彩前殡S噴水特效產(chǎn)生的，同樣需要添加一個(gè)實(shí)現(xiàn)水花粒子系統(tǒng)適時(shí)自動(dòng)銷毀的腳本。③冷卻機(jī)向鋼坯噴水并伴有水花特效。為了實(shí)現(xiàn)噴水特效場(chǎng)景，首先要新建一個(gè)實(shí)現(xiàn)冷卻機(jī)向鋼坯噴水功能的腳本文件，當(dāng)總開關(guān)PowerOn打開并且冷卻機(jī)開關(guān)state打開時(shí)，實(shí)例化步驟①所創(chuàng)建的噴水模型；當(dāng)水柱與鋼坯發(fā)生碰撞時(shí)，實(shí)例化步驟②所創(chuàng)建的水花粒子系統(tǒng)，當(dāng)關(guān)閉冷卻機(jī)或者關(guān)閉總開關(guān)時(shí)，噴水和水花實(shí)例自動(dòng)銷毀。

3.三維動(dòng)態(tài)霧化特效模擬。向場(chǎng)景中添加一個(gè)包含橢球粒子發(fā)射器、粒子播放器、粒子渲染器等組件的煙霧粒子系統(tǒng)，并設(shè)置每個(gè)粒子系統(tǒng)的尺寸大小和時(shí)間壽命，每秒時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生的粒子數(shù)量、粒子的發(fā)射速度，煙霧粒子的紋理貼圖等屬性。首先應(yīng)將煙霧粒子系統(tǒng)與鋼坯實(shí)例對(duì)象綁定在一起，并將煙霧屬性初始化為不可見，經(jīng)過(guò)高溫灼燒的鋼坯由冷卻機(jī)噴水冷卻時(shí)，煙霧粒子系統(tǒng)屬性更改為可見，產(chǎn)生大量的煙霧，關(guān)閉冷卻機(jī)停止噴水，煙霧不會(huì)立即消失，而是逐漸消散，因此應(yīng)該向煙霧粒子系統(tǒng)添加腳本控制其是否可見性，便可以很方便地模擬出冶金過(guò)程中將鋼皮冷卻時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)煙霧的特效。

針對(duì)冶金工業(yè)過(guò)程復(fù)雜，難以直接在實(shí)際的生產(chǎn)線上進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，本文基于Unity3D粒子系統(tǒng)模擬了冶金流程中的冷卻機(jī)噴水和動(dòng)態(tài)煙霧特效，對(duì)冶金仿真的特效模擬與制作有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李旭.水工結(jié)構(gòu)工程與三維可視化技術(shù)[J].山西建筑，2009，（1）.

[2]柯鵬.楊春信.貨臺(tái)空投系統(tǒng)的三維動(dòng)畫仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，（5）.

[3]許鎮(zhèn).任愛(ài)珠.張勁泉.呂建鳴.宋建永.基于有限元分析和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的橋梁垮塌場(chǎng)景模擬[J].公路交通科技，2012，（5）.

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