基于Unity3D的虛擬水流墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張錫英　韓吉燁

摘要 針對(duì)現(xiàn)有水流墻系統(tǒng)中水流真實(shí)性不高、可移植性不好等問(wèn)題，開發(fā)一套新的基于Unity3D虛擬水流墻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用SPH算法對(duì)水流墻系統(tǒng)中的水流加以優(yōu)化，使其能夠達(dá)到模擬真實(shí)水流的效果，真實(shí)地模擬了水流的視覺(jué)效果和物理特性。利用C#語(yǔ)言編寫的畫線代碼可以完美地在屏幕上畫線改變水流的路線。同時(shí)采用了以線段代替點(diǎn)的全新存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，減小存儲(chǔ)壓力，從而提高性能。該項(xiàng)目成果可大量發(fā)布于Windows、Android、IOS、Linux等多系統(tǒng)中供用戶進(jìn)行體驗(yàn)，并且對(duì)硬件需求不高，無(wú)需綁定硬件，一般配置都可以完美運(yùn)行，支持發(fā)布到多種操作平臺(tái)，以便滿足多平臺(tái)的需求，使用戶可以得到更真實(shí)、更全面、更方便的體驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞 Unity3D；虛擬水流墻；粒子系統(tǒng)；SPH算法；存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào) S126；TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）13-04111-03

Abstract A new virtual water wall system based on Unity3D was developed according to the problems of existing water wall system that the virtual water flow was not real enough and the portability was not ideal. This system optimized the water flow with SPH algorithm， which made it reach the effect of simulating the real water wall， really simulated the visual and physical properties of wall flow. The draw line code wrote by C# language could drew lines in screen perfectly to change the water flow ways. And the system adopted a new storage structure of replacing the points with the line segments， which reduced the pressure of the storage as well as improved the system performance. The project results posted on many systems such as Windows， Android， IOS and Linux largely to provide experience for user， and the general configuration operated perfectly because it had not high requirements to hardware without binding any hardware， it supported to post on a variety of operating platforms to met the needs of multiple platforms and then made users obtain more real， more overall， and more convenient experience effects.

Key words Unity3D； Virtual water wall system； Particle system； SPH algorithm； Memory system

虛擬水流墻系統(tǒng)是一款對(duì)現(xiàn)實(shí)中水流的各種物理特性進(jìn)行模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[1]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)研究已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]。初級(jí)版本的虛擬水流墻系統(tǒng)現(xiàn)在已存在于許多城市科技館、科技主題公園等公眾場(chǎng)所用于展示與用戶體驗(yàn)，但這些初級(jí)版本的虛擬水流墻系統(tǒng)中存在著許多缺點(diǎn)和不足。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者開發(fā)了一款全新的虛擬水流墻系統(tǒng)。

1 水流墻的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在水流墻項(xiàng)目系統(tǒng)中，水流是項(xiàng)目的主體。在程序啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有虛擬的水流從屏幕頂端流出。

1.1 Unity3D

Unity3D是一款基于.NET的游戲開發(fā)引擎。作為一款成熟的3D游戲引擎，Unity3D為游戲設(shè)計(jì)者提供了許多游戲開發(fā)所必要的功能。這些強(qiáng)大的功能為開發(fā)該水流墻項(xiàng)目提供了可行性保障。同時(shí)大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期并降低了風(fēng)險(xiǎn)[3]。

由于Unity3D可以充分、實(shí)時(shí)地處理大量的三維模型和數(shù)據(jù)，并能夠提供高效的性能和高質(zhì)量的保證等特點(diǎn)，長(zhǎng)期被用于三維顯示、實(shí)時(shí)交互的項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。Unity3D還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)是跨平臺(tái)開發(fā)，它實(shí)現(xiàn)了一次開發(fā)、一鍵式發(fā)布的方式發(fā)布到多種平臺(tái)的功能，目前支持發(fā)布到Android、Windows、Linux、Mac、IOS、Web和Flash等平臺(tái)[4]。這個(gè)特點(diǎn)為在多平臺(tái)發(fā)布和項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)可移植性提供保障。

1.2 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)是一種用于模擬不規(guī)則物體或自然場(chǎng)景的方法，這些不規(guī)則物體的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性[5]。粒子系統(tǒng)中的每個(gè)粒子都具有形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、生命周期等多種屬性，而且這些粒子隨時(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，從而盡可能真實(shí)地模擬出具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的動(dòng)態(tài)特效[6]。

粒子系統(tǒng)的基本開發(fā)流程包括以下幾個(gè)步驟[7]。

1.2.1 確定模擬對(duì)象的粒子模型。在利用粒子系統(tǒng)進(jìn)行模擬之前，首先要對(duì)待模擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，從而選擇合適的粒子模型進(jìn)行模擬。

1.2.2 初始化粒子系統(tǒng)。根據(jù)上一步驟確定的粒子模型對(duì)粒子系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括設(shè)置粒子數(shù)量、大小、形狀、顏色、初始位置等屬性。

1.2.3 設(shè)置粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。基于要模擬的對(duì)象設(shè)置粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相關(guān)公式。通過(guò)粒子的協(xié)同運(yùn)動(dòng)模擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。

1.2.4 粒子狀態(tài)更新。粒子系統(tǒng)開始運(yùn)行之后，需要根據(jù)粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律按一定頻率更新粒子狀態(tài)。

1.2.5 粒子的消亡。每個(gè)粒子完成一個(gè)生命周期的所有活動(dòng)之后便會(huì)進(jìn)入消亡階段，此時(shí)需要將消亡的粒子及時(shí)刪除，以免耗費(fèi)過(guò)多的系統(tǒng)資源。

1.3 SPH算法

SPH算法是典型的拉格朗日視角，基本原理是通過(guò)粒子模擬流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格進(jìn)行流體渲染[8]。SPH算法的基本思想是將連續(xù)的流體分解為無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)小的顆粒，這些顆粒相互影響，共同形成復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)，其中每個(gè)單獨(dú)的流體粒子都遵循牛頓第二定律[9]。SPH算法的基本運(yùn)算流程包括以下幾個(gè)步驟[10]。

2 畫線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該項(xiàng)目的基本目的是用戶可以在一個(gè)虛擬的有水流的環(huán)境下進(jìn)行畫線、刪除等操作，所畫的線會(huì)與虛擬水流中的水滴發(fā)生碰撞，改變水流的流動(dòng)路徑?；舅枷胧腔贑#語(yǔ)言進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)畫線部分，使得畫出的線具有碰撞盒，可以實(shí)現(xiàn)剛體碰撞。

2.1 畫線操作的設(shè)計(jì)

開發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際操作中并非需要對(duì)每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行存儲(chǔ)，因?yàn)轫?xiàng)目實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)該是在觸摸屏幕上運(yùn)行的，而此時(shí)所需要的最小的長(zhǎng)度單位應(yīng)該是手指的寬度，而非屏幕像素中的每個(gè)點(diǎn)。所以在畫線過(guò)程中并沒(méi)有存儲(chǔ)鼠標(biāo)動(dòng)作的每一個(gè)點(diǎn)，而是采用線段代替點(diǎn)作為畫線過(guò)程中的最小長(zhǎng)度單位，不需要將鼠標(biāo)遍歷過(guò)的所有的點(diǎn)都進(jìn)行存儲(chǔ)，而是僅僅存儲(chǔ)滿足條件的線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，建立與之相對(duì)應(yīng)的對(duì)象并將結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)在鏈表中。這樣做有幾個(gè)好處。

（1）由存儲(chǔ)點(diǎn)變?yōu)榇鎯?chǔ)線段，顯然是減小了存儲(chǔ)的壓力，提升了程序性能。

（2）方便管理。并非將每個(gè)點(diǎn)都存進(jìn)鏈表，而是利用有限的線段代替，每個(gè)線段對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)象，根據(jù)對(duì)象添加碰撞盒，減小了添加碰撞盒的難度。

（3）方便刪除。在刪除操作時(shí)，并不需要考慮每次刪除的點(diǎn)在鏈表中的什么位置，而是僅僅知道刪除的點(diǎn)在哪條線段上，直接將該線段刪除，并刪除對(duì)象即可。

（4） 設(shè)計(jì)的常量可以隨時(shí)變更，更加靈活，以便適應(yīng)更多的環(huán)境要求。這種用線段代替點(diǎn)的算法是項(xiàng)目相對(duì)于已有的系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

畫線算法基本流程如圖1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于Unity3D的水流墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用SPH算法對(duì)粒子系統(tǒng)加以控制，使其能夠達(dá)到模擬真實(shí)水流的效果。真實(shí)地模擬了水流的視覺(jué)效果和物理特性。利用C#語(yǔ)言編寫的畫線代碼可以完美地在屏幕上畫線改變水流的路線。該項(xiàng)目成果可大量發(fā)布于Windows、Android、IOS、Linux等多系統(tǒng)中供用戶進(jìn)行體驗(yàn)，并且對(duì)硬件需求不高，一般配置都可以完美運(yùn)行，無(wú)需綁定硬件，使用戶可以得到更真實(shí)、更全面、更方便的體驗(yàn)效果。

參考文獻(xiàn)

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