基于Unity3D和粒子系统的冶金仿真特效模拟.pdfVIP

基于Unity3D和粒子系统的冶金仿真特

效模拟

由于冶金工业过程的复杂特性，以及设备，工艺，加工材料

和成本等因素的影响，科研人员或操作员难以直接在实际的生产

线上进行各种实验，影响了人们对复杂对象的深入了解。系统仿

真技术具有安全性，经济性、交互性及前瞻性等特点，利用仿真

系统不仅可以深入理解并掌握各种复杂对象的动态特性，而且可

以进行故障诊断和各种先进控制技术的实验，其中为了增加系统

仿真过程中最大程度的逼真性，可以在冶金过程中对钢坯冷却时

喷水和烟雾的特效。Unity3D是一款支持Windows、MasOS桌

面操作系统平台和Android、iOS等移动操作系统平台的三维游

戏引擎，并已成功的应用到很多不同领域的三维虚拟现实开发中

了。它包含图形、音频、物理、网络、粒子等功能组件，支持大

多数三维模型文件格式，提供柔和阴影与烘焙等光影渲染系统和

强大的可视化编辑器。在Unity3D的三维引擎的基础上结合粒子

系统，可完美的实现冶金过程中喷水和烟雾的特效。

一、粒子系统原理

粒子系统是Reeves在1983年首次提出的一种模拟不规则

模糊物体建模及其图像生成的一种方法。粒子系统的基本思想是

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采用大量的、有一定生命周期和属性的微小粒子来描述不规则的

模糊物体，这些不规则的模糊物体具有不同程度的动态性和随机

性，能够很好地模拟烟雾、水流、火焰、云雾、爆炸等自然场景。

粒子系统中的每个粒子都随着时间的推移不断变化，在时间和空

间上具有动态分布特性，从而能够很好的模拟冶金现场的喷水特

效，并随着喷水而产生的动态烟雾特效。粒子系统模拟的场景变

化多端，根据粒子形态的不同，可将粒子系统分为流体粒子、烟

雾粒子、破碎粒子等。这里流体粒子可用来模拟喷水特效，烟雾

粒子主要用来模拟随时间发展不断繁殖生长、消亡的动态粒子特

效，如冶金过程中热处理的钢坯经过冷却机喷水后产生大量的烟

雾等，破碎粒子主要用来模拟喷水与钢坯发生碰撞时产生水花四

溅的特效。在利用粒子系统模拟某一个自然场景或特效之前，首

先要对模拟对象的运动规律进

行分析，将场景或特效对象分解成由众多相互关联的粒子构

成的一个运动系统，从而构建一个关于被模拟对象的动态变化模

型。

1.分析物体的静态特性，初始化粒子的基本属性，如粒子的

数量、形状、纹理图片、大小、颜色、初始的位置，碰撞检测等

属性。

2.分析物体的运动规律，定义粒子属性变化的动态特性，如

粒子的速度，生命周期等属性参数。

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3.在粒子系统中生成一些具有初始属性的新粒子

4.根据粒子的动态变化特性来更新粒子的属性，粒子的初始

化和运动规律完成后，粒子集合将按照所设定的规律和路径来进

行活动，并且通过帧来控制每个粒子的动态变化。

5.删除系统中已经死亡的粒子

6.绘制剩余的所有粒子，每个粒子在经过一个生命周期的所

有活动后就进入死亡“”阶段，这时需要粒子发射器按照粒子的生

成和运动规律来绘制新的粒子。重复3-6的循环操作，就形成了

物体的运动过程。

二、基于Unity3D粒子系统的冶金过程特效开发

1.Unity3D的粒子系统。Unity3D中一个典型的粒子系统包括

粒子发射器（ParticleEmitter）、粒子播放器（ParticleAnimator）

和粒子渲染器（ParticleRenderer）三个组件。

一个简单的静态粒子系统采用一个粒子发射器和一个粒子

渲染即可实现。如果粒子系统与其他虚拟物体对象有交互时，可

在物体上添加一个粒子碰撞器。粒子发射器用来产生大量粒子，

Unity3D的粒子发射器有椭球粒子发生器（EllipsoidParticle

Emitter）和网格粒子发射器（MeshParticleEmitter）两种。其中，

椭球粒子发射器在一个球形范围内产生大量粒子，使用Ellipsoid

属性来缩放和拉伸范围，网格粒子发射器在一个网格周围发射粒

子，粒子从网格的表面产生，适用于粒子与物体通过复杂的交互