基于Unity3D的核設(shè)施廠區(qū)三維漫游與仿真系統(tǒng)設(shè)計*

阮　銳，趙立宏，鄧　騫，張　凱

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽421001)

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基于Unity3D的核設(shè)施廠區(qū)三維漫游與仿真系統(tǒng)設(shè)計*

阮銳，趙立宏，鄧騫，張凱

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽421001)

摘要：核設(shè)施廠房內(nèi)部情況復(fù)雜、輻射嚴(yán)重，不利于人員作業(yè)及維護(hù)、退役處理。基于Unity3D平臺的仿真，設(shè)計一套能對廠房進(jìn)行可視化管理的系統(tǒng)。通過PDMS對三維激光掃描儀獲取的核設(shè)施廠房內(nèi)部點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建；然后將建立的三維模型導(dǎo)入至Unity項目工程以實現(xiàn)核設(shè)施廠區(qū)場景創(chuàng)建，最后為對象添加相關(guān)組件、對場景進(jìn)行特效渲染以實現(xiàn)漫游及仿真功能。對創(chuàng)建好的場景效果進(jìn)行驗證，結(jié)果顯示：場景漫游效果及對象物理屬性、碰撞檢測逼真，達(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞:Unity3D漫游仿真特效渲染

0引言

在核設(shè)施廠區(qū)內(nèi)，由于部分廠區(qū)多年未有人員進(jìn)入，內(nèi)部管線林立，情況復(fù)雜且有較強(qiáng)輻射。為降低調(diào)查工作人員所受輻照劑量，有必要建立一套系統(tǒng)以便于對廠區(qū)環(huán)境進(jìn)行三維漫游及可視化交互[1]。巴西Instituto de Engenharia Nuclear基于UnrealEngine2游戲引擎開發(fā)了模擬工作人員所受輻照累計劑量的虛擬平臺，應(yīng)用在Argonauta Research Reactor上[2]。中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所(FDS團(tuán)隊)基于數(shù)字反應(yīng)堆和輻射虛擬人兩類創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)了核與輻射安全仿真系統(tǒng)RVIS，應(yīng)用到國際熱核聚變實驗堆ITER上[3]。

Unity編輯器可調(diào)整場景地形、燈光、材質(zhì)和物理等參數(shù)，且內(nèi)建了—個地形編輯器，可用于地形創(chuàng)建和編輯。Unity支持3種腳本語言：C#、Javascript和Boo，用戶可以通過編寫腳本附加到對象上以實現(xiàn)各種功能。Unity內(nèi)置一個強(qiáng)大的光照貼圖烘焙工具Beast及NVIDIA的PhysX物理引擎[4]。通過Unity3D平臺可以最逼真地還原核設(shè)施廠區(qū)地形、廠房及廠房內(nèi)設(shè)施、管道分布情況及對廠區(qū)進(jìn)行漫游與仿真。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。系統(tǒng)設(shè)計主要分為：第一步，新建一個項目工程，將Unity引擎自帶的資源包全部導(dǎo)入項目工程。第二步，利用地形編輯器創(chuàng)建一個地形，然后繪制地表材質(zhì)紋理，最后為地形添加草和灌木。第三步，將使用PDMS重建的核設(shè)施場區(qū)的三維模型導(dǎo)入到地形上，然后利用工具欄中的工具對每個對象進(jìn)行擺放且添加相應(yīng)組件及材質(zhì)紋理。第四步，對創(chuàng)建好的場景添加特效渲染，創(chuàng)建光源、添加天空盒并編寫腳本附加到攝像機(jī)上。第五步，進(jìn)行三維漫游與虛擬仿真。

2核設(shè)施廠區(qū)場景創(chuàng)建

2.1廠區(qū)地形創(chuàng)建

打開Unity3D軟件，新建一個項目工程，在彈出的Unity-Project Wizard對話框中選擇Create New Project選項卡，將其下列資源包全選，點擊Create。最終將Unity自帶的資源包全部導(dǎo)入項目工程。

利用筆刷繪制出地形的起伏，然后為地表添加資源庫中的地表材質(zhì)紋理，最后使用Paint Details工具連續(xù)種植草和灌木[5]。圖2為Scene視圖中生成的地形。

圖2　廠區(qū)地形圖

2.2核設(shè)施廠房場景創(chuàng)建

圖3　PDMS三維模型重建

首先，利用三維激光掃描儀獲取核設(shè)施的點云數(shù)據(jù)，然后，利用PDMS將獲取的數(shù)據(jù)重建三維模型[6]，最后，將核設(shè)施廠區(qū)的三維模型導(dǎo)入項目工程，利用工具欄里的工具對設(shè)施對象進(jìn)行布局，將其合理分配在地形上。然后根據(jù)對象的不同繪制出不同的材質(zhì)紋理，并添加相應(yīng)組件以賦予其不同的屬性。利用PDMS重建的某設(shè)施三維模型，如圖3所示。

將核設(shè)施三維模型導(dǎo)入Unity場景后，在Scene視圖中生成的側(cè)視圖和俯瞰圖場景，如圖4和圖5所示。

圖4　核設(shè)施廠區(qū)場景側(cè)視圖

圖5　核設(shè)施廠區(qū)場景俯瞰圖

2.3核設(shè)施廠房場景特效渲染

場景特效渲染的目的是使場景環(huán)境更加逼真并賦予其場景三維漫游與仿真的功能[7]。在本設(shè)計中主要體現(xiàn)為：①為場景創(chuàng)建光源，使其更加清晰；②為場景添加天空盒；③編寫腳本附加至主攝像機(jī)上并對其屬性、參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。圖6為對場景創(chuàng)建光源和添加天空盒后效果圖。

圖6　核設(shè)施廠區(qū)場景最終效果圖

然后對場景進(jìn)行屬性、參數(shù)設(shè)定。在場景中新建一個膠囊體，命名為Main Character Controller；選中膠囊體，并為其附加剛體組件；編寫Mouselook腳本并附加到膠囊體上。在其Inspector視圖中的Mouse look(Script)卷展欄中的Axes選項卡選擇MouseX項，再度編寫FPSWalker腳本附加到膠囊體上[8]。修改其各項屬性、參數(shù)，Main Character Controller的最終Inspect視圖面板，如圖7所示。

最后對主攝像機(jī)進(jìn)行設(shè)定。在Hierarchy視圖中依次選定Main Character Controller與Main Camera，然后對選中對象創(chuàng)建父子關(guān)系，其中Main Camera為子對象。編寫Mouselook腳本并附加到Main Camera上。在其Inspector視圖中的Mouse look(Script)卷展欄中的Axes選項卡選擇MouseY項，修改其各項屬性、參數(shù)。Main Camera的最終Inspector視圖面板，如圖8所示。

圖7　Main Character圖8　Main CameraController屬性面板屬性面板

3核設(shè)施廠區(qū)場景漫游

場景漫游功能是通過鍵盤和鼠標(biāo)控制實現(xiàn)的，可讓用戶在場景中前后左右移動，同時還可實現(xiàn)行走、跳躍等行為[9]。2.3節(jié)中已為Main Character Controller與Main Camera對象添加FPSWalker和Mouselook腳本。FPSWalker行走控制腳本主要實現(xiàn)攝像機(jī)隨鍵盤的方向鍵前后左右移動。而Mouselook旋轉(zhuǎn)控制腳本可實現(xiàn)攝像機(jī)上下左右旋轉(zhuǎn)[10-11]。這樣使得用戶可方便快捷的對場景進(jìn)行漫游，利于對廠區(qū)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。最后對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，單擊工具欄中的播放按鈕后自動進(jìn)入Game視圖，通過對場景漫游可以發(fā)現(xiàn)，場景畫面真實，碰撞效果明顯，交互性十分良好。適合核設(shè)施作業(yè)人員對廠區(qū)環(huán)境進(jìn)行觀察。用戶體驗的場景漫游效果，如圖9所示。

圖9　場景漫游效果圖

4結(jié)論

本文基于Unity3D軟件建立了一個可視化管理系統(tǒng)。實現(xiàn)了對核設(shè)施廠區(qū)場景的還原，得到了真實、清晰的畫面，對廠區(qū)場景進(jìn)行漫游時發(fā)現(xiàn)，用戶可以很好的對廠區(qū)進(jìn)行觀測與管理。設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在不足之處在于：①系統(tǒng)對數(shù)據(jù)依賴度高，而早期核設(shè)施很多工程資料不完整，通過掃描儀獲取對象三維數(shù)據(jù)時容易受到輻射干擾，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，否則會使三維模型失真。②系統(tǒng)建立過程中，多種格式數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，開發(fā)過程中需將各類軟件統(tǒng)一起來，保證各種輸出格式文件能與下一環(huán)節(jié)無縫對接。

本系統(tǒng)可成為核設(shè)施退役工程有力的輔助工具，可為退役實施方案的確定、工藝規(guī)劃及優(yōu)化、施工關(guān)鍵點分析及人員培訓(xùn)等提供支持平臺。同時還可模擬拆除演示、工廠圖紙自動生成等。

參考文獻(xiàn)

[1]王潤生. 基于GIS的礦山可視化管理系統(tǒng) ——地面部分可視化管理系統(tǒng)[D]. 河北理工學(xué)院，2002.

[2]Mol, A.C.A., Aghina, M.A.C., Jorge, C.A.F., Couto, P.M.Virtual simulations of nuclear plants for dose assessment with on-line measurements collected by networked radiation monitors[J].Computational Science and Engineering Workshops，2008.

The design of 3D wandering and simulation system of nuclear facilities based on Unity3D

RUAN Rui，ZHAO Lihong，DENG Qian，ZHANG Kai

Abstract:The internal environment of nuclear facilities plant is complex and full of health-damaging radiation, so it is hard to carry out such work as operating, maintenance and decommissioning. This article is to develop a visual management system based on Unity3D. The point cloud data of the nuclear facilities are obtained with a 3D laser scanner, then a 3D model of the data is established by PDMS. The model is imported into Unity in order to create the nuclear facility scene. At last, we add some components and effects rendering to develop a wandering and simulation system. The verification of the scene shows that the wandering effect, physical properties, as well as collision detection are fairly authentic. We can conclude that it meets the design requirements.

Keywords:Unity3D；wandering；simulation；effects rendering

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0040-04