Babybus-u3d技術交流-基于Unity3D的虛擬水流墻系統(tǒng)的設計研究
來源：[第三維度
作者：張錫英，韓吉燁
單位：東北林業(yè)大學信息學院
** 摘要
針對現(xiàn)有水流墻系統(tǒng)中水流真實性不高、可移植性不好等問題，開發(fā)一套新的基于[Unity
3D虛擬水流墻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用SPH算法對水流墻系統(tǒng)中的水流加以優(yōu)化，使其能夠達到模擬真實水流的效果，真實地模擬了水流的視覺效果和物理特性。利用C#語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。同時采用了以線段代替點的全新存儲結(jié)構，減小存儲壓力，從而提高性能。
該項目成果可大量發(fā)布于Windows、Android、IOS、Linux等多系統(tǒng)中供用戶進行體驗，并且對硬件需求不高，無需綁定硬件，一般配置都可以完美運行，支持發(fā)布到多種操作平臺，以便滿足多平臺的需求，使用戶可以得到更真實、更全面、更方便的體驗效果。
虛擬水流墻系統(tǒng)是一款對現(xiàn)實中水流的各種物理特性進行模擬的[虛擬現(xiàn)實
系統(tǒng)
。隨著[虛擬現(xiàn)實
技術在各領域的廣泛應用，基于[Unity
3D的[虛擬現(xiàn)實
研究已經(jīng)成為當前研究的熱點。初級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所用于展示與用戶體驗，但這些初級版本的虛擬水流墻系統(tǒng)中存在著許多缺點和不足。針對這些問題，筆者開發(fā)了一款全新的虛擬水流墻系統(tǒng)。
** 1 水流墻的設計與實現(xiàn)
在水流墻項目系統(tǒng)中，水流是項目的主體。在程序啟動時，會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游戲擎，[Unity
3D為游戲設計者提供了許多游戲開發(fā)所必要的功能。這些強大的功能為開發(fā)該水流墻項目提供了可行性保障。同時大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期并降低了風險。
由于[Unity
3D可以充分、實時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，長期被用于三維顯示、
實時交互的項目開發(fā)設計項目中。Uni-ty3D還有一個很重要的特點是跨平臺開發(fā)，它實現(xiàn)了一次開發(fā)、一鍵式發(fā)布的方式發(fā)布到多種平臺的功能，目前支持發(fā)布到Android、Windows、Linux、Mac、IOS、Web和Flash等平臺。這個特點為在多平臺發(fā)布和項目實現(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)則物體或自然場景的方法，這些不規(guī)則物體的特點是動態(tài)性和隨機性。粒子系統(tǒng)中的每個粒子都具有形狀、大小、顏色、透明
度、運動速度、運動方向、生命周期等多種屬性，而且這些粒子隨時間的推移不斷變化，在時間和空間上具有動態(tài)分布特性，從而盡可能真實地模擬出具有復雜運動規(guī)律的動態(tài)特效。粒子系統(tǒng)的基本開發(fā)流程包括以下幾個步驟。
1.2.1 確定模擬對象的粒子模型。
在利用粒子系統(tǒng)進行模擬之前，首先要對待模擬對象的運動規(guī)律進行分析，從而選擇合適的粒子模型進行模擬。
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粒子系統(tǒng)進行初始化，包括設置粒子數(shù)量、大小、形狀、顏色、初始位置等屬性。
1.2.3 設置粒子運動規(guī)律。基于要模擬的對象設置粒子的運動規(guī)律及相關公式。通過粒子的協(xié)同運動模擬對象的運動。
1.2.4 粒子狀態(tài)更新。
粒子系統(tǒng)開始運行之后，需要根據(jù)粒子的運動規(guī)律按一定頻率更新粒子狀態(tài)。
1.2.5粒子的消亡。
每個粒子完成一個生命周期的所有活動之后便會進入消亡階段，此時需要將消亡的粒子及時刪除，以免耗費過多的系統(tǒng)資源。
** 1.3 SPH算法
SPH算法是典型的拉格朗日視角，基本原理是通過粒子模擬流體的運動規(guī)律，然后轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格進行流體渲染。SPH算法的基本思想是將連續(xù)的流體分解為無數(shù)個細小的顆粒，這些顆粒相互影響，共同形成復雜的流體運動，其中每個單獨的流體粒子都遵循牛頓第二定律。
SPH算法的基本運算流程包括以下幾個步驟。
（1）初始化粒子，為每個粒子添加初始值。包括粒子的初始位置、初始速度等。
（2）根據(jù)公式[圖片上傳中。。。（1）]計算出每個粒子的密度。其中，m為每個粒子的質(zhì)量，h為相互作用的兩粒子間的距離，ri、rj分別為兩粒子的位置，ρ（ri）即為ri點處粒子的密度。
（3）根據(jù)公式P=K（ρ－ρ0）計算出每個粒子的壓強。其中，ρ0是流體的靜態(tài)密度，K是和流體相關的常數(shù)，只跟溫度有關。計算結(jié)果P即為所有粒子壓強。
（4）根據(jù)公式計算每個粒子的加速度。
（5）根據(jù)臨界條件來調(diào)整加速度。
（6）根據(jù)加速度計算每個位置的速度變化。
（7）根據(jù)速度計算粒子的位置變化。
（8）重新繪制粒子位置。
（9）返回到步驟2重新計算粒子密度，直到粒子加速度為0，位置不再發(fā)生變化為止。
** 2 畫線的設計與實現(xiàn)
該項目的基本目的是用戶可以在一個虛擬的有水流的環(huán)境下進行畫線、刪除等操作，所畫的線會與虛擬水流中的水滴發(fā)生碰撞，改變水流的流動路徑。基本思想是基于C#語言進行編碼實現(xiàn)畫線部分，使得畫出的線具有碰撞盒，可以實現(xiàn)剛體碰撞。
** 2.1 畫線操作的設計
開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，實際操作中并非需要對每個點都進行存儲，因為項目實際運行時應該是在觸摸屏幕上運行的，而此時所需要的最小的長度單位應該是手指的寬度，而非屏幕像素中的每個點。所以在畫線過程中并沒有存儲鼠標動作的每一個點，而是采用線段代替點作為畫線過程中的最小長度單位，不需要將鼠標遍歷過的所有的點都進行存儲，而是僅僅存儲滿足條件的線段的起點和終點，并存儲在結(jié)構體內(nèi)，建立與之相對應的對象并將結(jié)構體存儲在鏈表中。這樣做有幾個好處。
（1）由存儲點變?yōu)榇鎯€段，顯然是減小了存儲的壓力，提升了程序性能。
（2）方便管理。并非將每個點都存進鏈表，而是利用有限的線段代替，每個線段對應一個對象，根據(jù)對象添加碰撞盒，減小了添加碰撞盒的難度。
（3）方便刪除。在刪除操作時，并不需要考慮每次刪除的點在鏈表中的什么位置，
而是僅僅知道刪除的點在哪條線段上，直接將該線段刪除，并刪除對象即可。
（4）設計的常量可以隨時變更，更加靈活，以便適應更多的環(huán)境要求。這種用線段代替點的算法是項目相對于已有的系統(tǒng)的創(chuàng)新點之一。
畫線算法基本流程如圖1所示。
圖1 畫線算法基本流程
** 2.2 刪除操作的實現(xiàn)
刪除操作是該項目中的又一個重點，也是難點。項目在實際運行中，不可能因為某次畫線出現(xiàn)錯誤而重新啟動項目并且重新畫線。作為娛樂、展示的項目的，其操作人員并非都是專業(yè)人士，所以一定要有類似刪除、重做等容錯功能。這就使得刪除操作必須存在。
在刪除操作時，首先需要尋找要刪除的點在哪個對象中，這部分是調(diào)用C#內(nèi)部函數(shù)處理的。
刪除操作算法流程如圖2所示。
[圖片上傳中。。。（4）]
** 2.3 碰撞設計
碰撞由碰撞檢測、速度調(diào)整、位置調(diào)整3個部分組成。該研究中碰撞分為粒子間碰撞、粒子和所畫線段之間的碰撞兩部分。對于粒子間的碰撞，需要進行碰撞檢測，根據(jù)牛頓第二定律調(diào)整速度，進而調(diào)整粒子位置。而對于粒子和所畫線段的對象之間的碰撞，僅需要在檢測之后調(diào)整粒子的速度和位置即可，線段對象不發(fā)生形變和位移。實現(xiàn)方法是實現(xiàn)水流的同時為粒子系統(tǒng)中的所有粒子添加碰撞盒，使其能夠具有真實水流的物理特性。畫線的同時為所畫的線段添加碰撞盒。使其在與水滴碰撞的同時發(fā)生剛體碰撞，實現(xiàn)阻擋、改變水流流向的目的。碰撞盒的大小是根據(jù)畫線過程中每個對象的長短來確定的，以保證運行時所畫的線可以完全阻擋水流。
** 2.4 成果展示
基于[Unity
3D的水流墻系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)，圖3分別為系統(tǒng)運行時的靜態(tài)圖、系統(tǒng)開始時水流流出圖、采用畫筆畫線改變水流流向圖、采用橡皮擦擦除線段圖。如圖3所示，系統(tǒng)要求已經(jīng)基本達到，并可以隨時進行發(fā)布。
[圖片上傳中。。。（5）]
** 3 結(jié)語
基于[Unity
3D的水流墻系統(tǒng)的設計，采用SPH算法對粒子系統(tǒng)加以控制，使其能夠達到模擬真實水流的效果。真實地模擬了水流的視覺效果和物理特性。利用C#語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。該項目成果可大量發(fā)布于Windows、Android、IOS、Linux等多系統(tǒng)中供用戶進行體驗，并且對硬件需求不高，一般配置都可以完美運行，無需綁定硬件，使用戶可以得到更真實、更全面、更方便的體驗效果。
** 參考文獻
［1］趙沁平.[虛擬現(xiàn)實
綜述［J］.中國科學F輯：信息科學，2009，39（1）：2，46.
［2］邱建松.基于[Unity
3D的實時虛擬仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.電子制作，2012（12）：15
［3］倪樂波，戚鵬，遇麗娜，等.[Unity
3d產(chǎn)品虛擬展示技術的研究與應用［J］.數(shù)字技術與應用，2010（9）：54－55.
［4］陳曉青，王少偉.基于[Unity
的[虛擬現(xiàn)實
技術在教育中的應用［J］.軟件導刊（教育技術），2012（12）：76－78.
［5］吳繼承，江南.[虛擬現(xiàn)實
中粒子系統(tǒng)的設計與應用［J］.計算機仿真，2005，21（11）：137－140.
［6］王功明，郭新宇，趙春江.粒子系統(tǒng)的優(yōu)化技術研究［J］.計算機應用研究，2008，25（2）：495－497，500.
［7］熊耀.基于[Unity
3D粒子系統(tǒng)的三維影視特效開發(fā)研究［J］.軟件導刊，2012，11（11）：134－136.
［8］金阿芳，買買提明·艾尼.論光滑粒子流體動力學（SPH）方法［J］.新疆大學學報：自然科學版，2006，23（2）：188－193.
［9］李會珍.采用SPH方法的拉格朗日方式流體運動模擬［D］.合肥：安徽大學，2013.
［10］鄭興.光滑質(zhì)點流體動力學（SPH）算法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.
［11］何水艷，丁沂.粒子系統(tǒng)與碰撞檢測的研究［J］.輕工科技，2012（6）
