基于Unity3D和粒子系統的冶金仿真特效模擬

朱婉瑩 陳姚節 張琦 丁一帆

摘要：粒子系統可模擬冶金過程中因難以直接在生產線上進行各種實驗，如煙霧、噴水等特效，在仿真冶金過中可利用Unity3D引擎并借助粒子系統的原理基礎實現鋼坯冷卻時的噴水效果和動態煙霧場景。

關鍵詞：Unity3D；粒子系統；動態煙霧

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）52-0260-02

由于冶金工業過程的復雜特性，以及設備，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際的生產線上進行各種實驗，影響了人們對復雜對象的深入了解。系統仿真技術具有安全性，經濟性、交互性及前瞻性等特點，利用仿真系統不僅可以深入理解并掌握各種復雜對象的動態特性，而且可以進行故障診斷和各種先進控制技術的實驗，其中為了增加系統仿真過程中最大程度的逼真性，可以在冶金過程中對鋼坯冷卻時噴水和煙霧的特效。Unity3D是一款支持Windows、Mas OS桌面操作系統平臺和Android、iOS等移動操作系統平臺的三維游戲引擎，并已成功的應用到很多不同領域的三維虛擬現實開發中了。它包含圖形、音頻、物理、網絡、粒子等功能組件，支持大多數三維模型文件格式，提供柔和陰影與烘焙等光影渲染系統和強大的可視化編輯器。在Unity3D的三維引擎的基礎上結合粒子系統，可完美的實現冶金過程中噴水和煙霧的特效。

一、粒子系統原理

粒子系統是Reeves在1983年首次提出的一種模擬不規則模糊物體建模及其圖像生成的一種方法。粒子系統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描述不規則的模糊物體，這些不規則的模糊物體具有不同程度的動態性和隨機性，能夠很好地模擬煙霧、水流、火焰、云霧、爆炸等自然場景。粒子系統中的每個粒子都隨著時間的推移不斷變化，在時間和空間上具有動態分布特性，從而能夠很好的模擬冶金現場的噴水特效，并隨著噴水而產生的動態煙霧特效。粒子系統模擬的場景變化多端，根據粒子形態的不同，可將粒子系統分為流體粒子、煙霧粒子、破碎粒子等。這里流體粒子可用來模擬噴水特效，煙霧粒子主要用來模擬隨時間發展不斷繁殖生長、消亡的動態粒子特效，如冶金過程中熱處理的鋼坯經過冷卻機噴水后產生大量的煙霧等，破碎粒子主要用來模擬噴水與鋼坯發生碰撞時產生水花四濺的特效。在利用粒子系統模擬某一個自然場景或特效之前，首先要對模擬對象的運動規律進

行分析，將場景或特效對象分解成由眾多相互關聯的粒子構成的一個運動系統，從而構建一個關于被模擬對象的動態變化模型。

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

2.分析物體的運動規律，定義粒子屬性變化的動態特性，如粒子的速度，生命周期等屬性參數。

3.在粒子系統中生成一些具有初始屬性的新粒子

4.根據粒子的動態變化特性來更新粒子的屬性，粒子的初始化和運動規律完成后，粒子集合將按照所設定的規律和路徑來進行活動，并且通過幀來控制每個粒子的動態變化。

5.刪除系統中已經死亡的粒子

6.繪制剩余的所有粒子，每個粒子在經過一個生命周期的所有活動后就進入“死亡”階段，這時需要粒子發射器按照粒子的生成和運動規律來繪制新的粒子。重復3-6的循環操作，就形成了物體的運動過程。

二、基于Unity3D粒子系統的冶金過程特效開發

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

一個簡單的靜態粒子系統采用一個粒子發射器和一個粒子渲染即可實現。如果粒子系統與其他虛擬物體對象有交互時，可在物體上添加一個粒子碰撞器。粒子發射器用來產生大量粒子，Unity3D的粒子發射器有橢球粒子發生器（Ellipsoid Particle Emitter）和網格粒子發射器（Mesh Particle Emitter）兩種。其中，橢球粒子發射器在一個球形范圍內產生大量粒子，使用Ellipsoid屬性來縮放和拉伸范圍，網格粒子發射器在一個網格周圍發射粒子，粒子從網格的表面產生，適用于粒子與物體通過復雜的交互方式相互作用的情況。粒子動畫器將在不同的方向移動粒子和改變粒子的顏色，也可通過腳本編程的方式控制粒子系統中每個粒子的行為，從而實現更復雜的粒子特效。粒子渲染器是將粒子系統所繪制的效果渲染在顯示設備屏幕上，讓用戶可以直觀地觀察到相應的視覺效果，粒子碰撞器用來實現和虛擬場景中其他碰撞體之間的相互作用，如冷卻機噴水系統碰到目標對象時發生水花效果。

2.冷卻機噴水特效模擬。這里以噴水為例，分析在Unity3D平臺上模擬三維噴水特效的開發過程，具體實現過程如下：①制作具有碰撞檢測功能的噴水預設。首先，將制作完成的水柱模型導入Unity3D虛擬場景中，并添加剛體屬性組件（Rigidbody）、碰撞檢測器（Box Collider）和銷毀控制腳本，同時將其制作成預設，以便能在虛擬場景中多次重復使用該模型。當數據庫中起總開關作用的PowerOn與控制冷卻機開關的state同時打開（即同時等于1）時，冷卻機開始噴水。而剛體屬性檢測組件是為了讓水柱有向下的重力屬性。碰撞檢測器是用來判斷水柱是否與鋼坯或其他虛擬對象發生物理碰撞，即是否滿足產生水花四濺的特效條件。銷毀腳本是為了實現當用戶關閉冷卻機（state==0）或者關閉總開關（PowerOn==0）時，水柱實例對象能停止噴水自動銷毀。②添加水花粒子系統。新建一個原來模擬水花特效的粒子系統，并在這個粒子系統上添加腳本模擬噴水與鋼坯碰撞時濺起的水花特效，然后在音頻源組件中添加一個模擬噴水效果的音頻。因為水花特效也是伴隨噴水特效產生的，同樣需要添加一個實現水花粒子系統適時自動銷毀的腳本。③冷卻機向鋼坯噴水并伴有水花特效。為了實現噴水特效場景，首先要新建一個實現冷卻機向鋼坯噴水功能的腳本文件，當總開關PowerOn打開并且冷卻機開關state打開時，實例化步驟①所創建的噴水模型；當水柱與鋼坯發生碰撞時，實例化步驟②所創建的水花粒子系統，當關閉冷卻機或者關閉總開關時，噴水和水花實例自動銷毀。

3.三維動態霧化特效模擬。向場景中添加一個包含橢球粒子發射器、粒子播放器、粒子渲染器等組件的煙霧粒子系統，并設置每個粒子系統的尺寸大小和時間壽命，每秒時間內可以產生的粒子數量、粒子的發射速度，煙霧粒子的紋理貼圖等屬性。首先應將煙霧粒子系統與鋼坯實例對象綁定在一起，并將煙霧屬性初始化為不可見，經過高溫灼燒的鋼坯由冷卻機噴水冷卻時，煙霧粒子系統屬性更改為可見，產生大量的煙霧，關閉冷卻機停止噴水，煙霧不會立即消失，而是逐漸消散，因此應該向煙霧粒子系統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程中將鋼皮冷卻時產生動態煙霧的特效。

針對冶金工業過程復雜，難以直接在實際的生產線上進行各種實驗，本文基于Unity3D粒子系統模擬了冶金流程中的冷卻機噴水和動態煙霧特效，對冶金仿真的特效模擬與制作有一定的參考價值。

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基金項目：湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃（No.T201202）