Babybus-u3d技術(shù)交流-基于Unity3D的虛擬水流墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究
來(lái)源：[第三維度
作者：張錫英膏蚓，韓吉燁
單位：東北林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院
** 摘要
針對(duì)現(xiàn)有水流墻系統(tǒng)中水流真實(shí)性不高财骨、可移植性不好等問(wèn)題档悠，開(kāi)發(fā)一套新的基于[Unity
3D虛擬水流墻系統(tǒng)戏自。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)水流的效果邓嘹，真實(shí)地模擬了水流的視覺(jué)效果和物理特性酣栈。利用C#語(yǔ)言編寫(xiě)的畫(huà)線代碼可以完美地在屏幕上畫(huà)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)汹押，減小存儲(chǔ)壓力矿筝，從而提高性能。
該項(xiàng)目成果可大量發(fā)布于Windows棚贾、Android窖维、IOS、Linux等多系統(tǒng)中供用戶進(jìn)行體驗(yàn)妙痹，并且對(duì)硬件需求不高铸史，無(wú)需綁定硬件，一般配置都可以完美運(yùn)行怯伊，支持發(fā)布到多種操作平臺(tái)琳轿，以便滿足多平臺(tái)的需求，使用戶可以得到更真實(shí)耿芹、更全面崭篡、更方便的體驗(yàn)效果。
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)
吧秕。隨著[虛擬現(xiàn)實(shí)
技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用琉闪，基于[Unity
3D的[虛擬現(xiàn)實(shí)
研究已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。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寇甸、科技主題公園等公眾場(chǎng)所用于展示與用戶體驗(yàn)塘偎，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)題拿霉，筆者開(kāi)發(fā)了一款全新的虛擬水流墻系統(tǒng)吟秩。
** 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)目的主體绽淘。在程序啟動(dòng)時(shí)涵防，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(kāi)發(fā)引擎沪铭。作為一款成熟的3D游戲擎壮池，[Unity
3D為游戲設(shè)計(jì)者提供了許多游戲開(kāi)發(fā)所必要的功能。這些強(qiáng)大的功能為開(kāi)發(fā)該水流墻項(xiàng)目提供了可行性保障杀怠。同時(shí)大大降低了開(kāi)發(fā)成本椰憋，縮短了開(kāi)發(fā)周期并降低了風(fēng)險(xiǎn)。
由于[Unity
3D可以充分赔退、實(shí)時(shí)地處理大量的三維模型和數(shù)據(jù)橙依，并能夠提供高效的性能和高質(zhì)量的保證等特點(diǎn)证舟，長(zhǎng)期被用于三維顯示、
實(shí)時(shí)交互的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中窗骑。Uni-ty3D還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)是跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)女责，它實(shí)現(xiàn)了一次開(kāi)發(fā)、一鍵式發(fā)布的方式發(fā)布到多種平臺(tái)的功能创译，目前支持發(fā)布到Android抵知、Windows、Linux软族、Mac刷喜、IOS、Web和Flash等平臺(tái)互订。這個(gè)特點(diǎn)為在多平臺(tái)發(fā)布和項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)可移植性提供保障吱肌。
** 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)性仰禽。粒子系統(tǒng)中的每個(gè)粒子都具有形狀氮墨、大小、顏色吐葵、透明
度规揪、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向温峭、生命周期等多種屬性猛铅，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)分布特性凤藏，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)特效奸忽。粒子系統(tǒng)的基本開(kāi)發(fā)流程包括以下幾個(gè)步驟。
1.2.1 確定模擬對(duì)象的粒子模型揖庄。
在利用粒子系統(tǒng)進(jìn)行模擬之前栗菜，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)行模擬蹄梢。
1.2.2 初始化粒子系統(tǒng)疙筹。
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)量禁炒、大小而咆、形狀、顏色幕袱、初始位置等屬性暴备。
1.2.3 設(shè)置粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律∶峭悖基于要模擬的對(duì)象設(shè)置粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相關(guān)公式馍驯。通過(guò)粒子的協(xié)同運(yùn)動(dòng)模擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)阁危。
1.2.4 粒子狀態(tài)更新。
粒子系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行之后汰瘫，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粒子的消亡擂煞。
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)入消亡階段混弥，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)資源对省。
** 1.3 SPH算法
SPH算法是典型的拉格朗日視角蝗拿，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)行流體渲染蒿涎。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)小的顆粒哀托，這些顆粒相互影響，共同形成復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)劳秋，其中每個(gè)單獨(dú)的流體粒子都遵循牛頓第二定律仓手。
SPH算法的基本運(yùn)算流程包括以下幾個(gè)步驟。
（1）初始化粒子玻淑，為每個(gè)粒子添加初始值嗽冒。包括粒子的初始位置、初始速度等补履。
（2）根據(jù)公式[圖片上傳中添坊。。箫锤。（1）]計(jì)算出每個(gè)粒子的密度贬蛙。其中摩钙，m為每個(gè)粒子的質(zhì)量择示，h為相互作用的兩粒子間的距離，ri欲账、rj分別為兩粒子的位置五鲫，ρ（ri）即為ri點(diǎn)處粒子的密度溺职。
（3）根據(jù)公式P=K（ρ－ρ0）計(jì)算出每個(gè)粒子的壓強(qiáng)。其中位喂，ρ0是流體的靜態(tài)密度浪耘，K是和流體相關(guān)的常數(shù)，只跟溫度有關(guān)塑崖。計(jì)算結(jié)果P即為所有粒子壓強(qiáng)七冲。
（4）根據(jù)公式計(jì)算每個(gè)粒子的加速度。
（5）根據(jù)臨界條件來(lái)調(diào)整加速度规婆。
（6）根據(jù)加速度計(jì)算每個(gè)位置的速度變化澜躺。
（7）根據(jù)速度計(jì)算粒子的位置變化蝉稳。
（8）重新繪制粒子位置。
（9）返回到步驟2重新計(jì)算粒子密度掘鄙，直到粒子加速度為0耘戚，位置不再發(fā)生變化為止。
** 2 畫(huà)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(huà)線操漠、刪除等操作收津，所畫(huà)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)路徑浊伙∽睬铮基本思想是基于C#語(yǔ)言進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)畫(huà)線部分，使得畫(huà)出的線具有碰撞盒嚣鄙，可以實(shí)現(xiàn)剛體碰撞吻贿。
** 2.1 畫(huà)線操作的設(shè)計(jì)
開(kāi)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)哑子，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)行的舅列，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)赵抢。所以在畫(huà)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)剧蹂，而是采用線段代替點(diǎn)作為畫(huà)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)烦却，而是僅僅存儲(chǔ)滿足條件的線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)宠叼，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)在鏈表中其爵。這樣做有幾個(gè)好處冒冬。
（1）由存儲(chǔ)點(diǎn)變?yōu)榇鎯?chǔ)線段，顯然是減小了存儲(chǔ)的壓力摩渺，提升了程序性能简烤。
（2）方便管理。并非將每個(gè)點(diǎn)都存進(jìn)鏈表摇幻，而是利用有限的線段代替横侦，每個(gè)線段對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)象，根據(jù)對(duì)象添加碰撞盒绰姻，減小了添加碰撞盒的難度枉侧。
（3）方便刪除。在刪除操作時(shí)狂芋，并不需要考慮每次刪除的點(diǎn)在鏈表中的什么位置榨馁，
而是僅僅知道刪除的點(diǎn)在哪條線段上，直接將該線段刪除帜矾，并刪除對(duì)象即可翼虫。
（4）設(shè)計(jì)的常量可以隨時(shí)變更屑柔，更加靈活，以便適應(yīng)更多的環(huán)境要求珍剑。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)之一掸宛。
畫(huà)線算法基本流程如圖1所示。
圖1 畫(huà)線算法基本流程
** 2.2 刪除操作的實(shí)現(xiàn)
刪除操作是該項(xiàng)目中的又一個(gè)重點(diǎn)招拙，也是難點(diǎn)旁涤。項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行中，不可能因?yàn)槟炒萎?huà)線出現(xiàn)錯(cuò)誤而重新啟動(dòng)項(xiàng)目并且重新畫(huà)線迫像。作為娛樂(lè)、展示的項(xiàng)目的瞳遍，其操作人員并非都是專業(yè)人士闻妓，所以一定要有類似刪除、重做等容錯(cuò)功能掠械。這就使得刪除操作必須存在由缆。
在刪除操作時(shí)，首先需要尋找要?jiǎng)h除的點(diǎn)在哪個(gè)對(duì)象中猾蒂，這部分是調(diào)用C#內(nèi)部函數(shù)處理的均唉。
刪除操作算法流程如圖2所示。
[圖片上傳中肚菠。舔箭。。（4）]
** 2.3 碰撞設(shè)計(jì)
碰撞由碰撞檢測(cè)蚊逢、速度調(diào)整层扶、位置調(diào)整3個(gè)部分組成。該研究中碰撞分為粒子間碰撞烙荷、粒子和所畫(huà)線段之間的碰撞兩部分镜会。對(duì)于粒子間的碰撞，需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)终抽，根據(jù)牛頓第二定律調(diào)整速度戳表，進(jìn)而調(diào)整粒子位置。而對(duì)于粒子和所畫(huà)線段的對(duì)象之間的碰撞昼伴，僅需要在檢測(cè)之后調(diào)整粒子的速度和位置即可匾旭，線段對(duì)象不發(fā)生形變和位移。實(shí)現(xiàn)方法是實(shí)現(xiàn)水流的同時(shí)為粒子系統(tǒng)中的所有粒子添加碰撞盒亩码，使其能夠具有真實(shí)水流的物理特性季率。畫(huà)線的同時(shí)為所畫(huà)的線段添加碰撞盒。使其在與水滴碰撞的同時(shí)發(fā)生剛體碰撞描沟，實(shí)現(xiàn)阻擋飒泻、改變水流流向的目的鞭光。碰撞盒的大小是根據(jù)畫(huà)線過(guò)程中每個(gè)對(duì)象的長(zhǎng)短來(lái)確定的，以保證運(yùn)行時(shí)所畫(huà)的線可以完全阻擋水流泞遗。
** 2.4 成果展示
基于[Unity
3D的水流墻系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)惰许，圖3分別為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)圖、系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)水流流出圖史辙、采用畫(huà)筆畫(huà)線改變水流流向圖汹买、采用橡皮擦擦除線段圖。如圖3所示聊倔，系統(tǒng)要求已經(jīng)基本達(dá)到晦毙，并可以隨時(shí)進(jìn)行發(fā)布。
[圖片上傳中耙蔑。见妒。。（5）]
** 3 結(jié)語(yǔ)
基于[Unity
3D的水流墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)甸陌，采用SPH算法對(duì)粒子系統(tǒng)加以控制须揣，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)效果和物理特性钱豁。利用C#語(yǔ)言編寫(xiě)的畫(huà)線代碼可以完美地在屏幕上畫(huà)線改變水流的路線耻卡。該項(xiàng)目成果可大量發(fā)布于Windows、Android牲尺、IOS卵酪、Linux等多系統(tǒng)中供用戶進(jìn)行體驗(yàn)，并且對(duì)硬件需求不高秸谢，一般配置都可以完美運(yùn)行凛澎，無(wú)需綁定硬件，使用戶可以得到更真實(shí)估蹄、更全面塑煎、更方便的體驗(yàn)效果。
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