CN106652001A - 一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的实现方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明之目的就是涉及一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练方法及其系统，有效的解决背景技术中的逼真环境模拟、火势动态变化模拟、逃生者伤害程度模拟的技术问题。以现实的人物和场景数据为依据建立三维模型,设计控制火势、烟雾动态变化的火势算法，并利用此算法实现对火势烟雾的控制,设计能够体现人物角色受火和烟雾伤害程度的血条，通过血条的动态变化来反应人物角色受到的伤害程度，设计人物角色受火和烟雾伤害程度的人物伤害算法，根据人物伤害算法利用C#编程控制血条的动态变化,本发明能够使用户在虚拟的环境中，较为真实地去感受消防模拟，增加用户的消防技能。
Description
技术领域
本发明涉及计算机仿真、虚拟现实技术，特别是一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的实现方法及其系统。
背景技术
虚拟现实是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的计算机领域的最新技术。它以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，参与者可以直接参与所处环境中，仿佛置身于一个虚拟的世界中。
随着虚拟现实技术的发展与第三代网络技术的逐渐成熟，越来越多的难以在现实中实现推广的事情，都借以虚拟现实技术实现。
消防演练是我国的一项重要和必须要做的事情，受到党和国家的高度重视。每年国家都会投入大量的人力物力来做消防演练工作。
但是每年因为消防知识匮乏而引起的生命财产巨大损失时有发生。因为现在人们的消防知识的获得，基本是通过网络、消防人员演练和消防民警的讲解获得的。
通过内网络获得时，基本上是看一些视频、文字等方法得到，虽然很便利，但是缺乏交互性，效果不佳。而消防人员演练和消防民警的讲解的次数是有限的，参加演练的人员数量也是有限的。演练时的条件也是有限的，不可能给每个人一个机会去操作对应的消防设备，另外，像一些极端情况，如整个大楼处于大火状态是不可能模拟演练的。所以，这就要借助虚拟现实技术来实现。
现存的消防演练软件很少，而且目前都是针对大型的商场、文物场所等重点大型的机构场所，让民众感觉消防演练离自己很远。而针对人民群众的普通场所如个人家庭、小超市、集体宿舍等的还没有。而这方面的人群占了社会人群的很大一部分。所以开发一个针对个人、家庭、小超市、集体宿舍等的消防演练系统很有必要。
三维虚拟消防演练系统的实现有诸多难点，第一要有逼真的虚拟环境和真实的物理碰撞，让使用者有身临其境的感觉。目前，广泛采取的方法是增加虚拟环境的细节，如在3Ds Max或者Maya中增加细节，以达到逼真的效果。但是，增加细节会增加场景的存储量。系统是一个实时系统，场景存储量的较大会严重影响系统性能和使用效果。在场景的逼真性和系统流畅之间要达到一个平衡点，以达到一个很好的效果，但是这个平衡点很难把握。
火灾现场的火势的模拟是另一个难点，现实中的火灾是在时间和空间上失去人力控制并形成一定灾害的燃烧过程。它是可燃物、助燃物（空气中的氧气）、点火源三者之间相互作用的结果。火势的增长与这三者有直接的关系。不同的可燃物与另外两种条件作用会导致火势增长不同。同时，产生的烟雾也不同。可燃物也要考虑它的数量和形态，通常会以固态、气态和液态三种形态存在。不同的灭火材料对这几种因素的影响都要考虑。这就要求在实现虚拟火势模拟，设计制作火势增长算法的时候，充分考虑这些因素以保证火势的逼真实现。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练方法及其系统，有效的解决背景技术中的逼真环境模拟、火势动态变化模拟、逃生者伤害程度模拟的技术问题。
其解决方案是，步骤如下：
步骤1：采集现实的场景数据并以场景数据为依据，利用三维建模工具建立三维场景模型并添加相应材质，将三维场景模型导入到Unity3D中，并在Unity3D中为三维场景模型添加真实的灯光系统和物理碰撞属性；
步骤2：根据功能和交互需求设计UI，在UI提供各种增加消防演练技能的提示，使用户能在不同的虚拟场景中顺利实现演练；
步骤3：使用PS的纹理绘制、Unity3D的粒子替换工具以及C#编程，设计实现基本的火和烟雾的虚拟模拟；
步骤4：以现实人物为依据，利用三维建模工具建立人物角色模型和添加相应材质，并对人物角色模型进行各种肢体动作的动画设计，将包含有动画数据的人物角色模型导入Unity3D中，使用C#程序控制实现不同虚拟角色在不同情况下的逼真运动；
步骤5：使用PS的纹理绘制、Unity3D的粒子替换工具以及C#编程，设计实现基本的火和烟雾的虚拟模拟；
步骤6：设计控制火势、烟雾动态变化的火势算法，并利用此算法实现对火势烟雾的控制
步骤7：设计能够体现人物角色受火和烟雾伤害程度的血条，通过血条的动态变化来反应人物角色受到的伤害程度，设计人物角色受火和烟雾伤害程度的人物伤害算法，根据人物伤害算法利用C#编程控制血条的动态变化；
步骤8：将上述步骤1至7设计形成系统。
优选地，场景数据包括普通家庭三居室的场景数据、小型超市的场景数据、集体宿舍的场景数据，根据不同的场景数据设计形成家庭演练子系统、小超市演练子系统、集体宿舍演练子系统。
优选地，三维场景模型是依据现实的场景数据按照1:1的比例在三维建模工具中构建的，在建模过程中以用最少的点制作最完美的细节为指导思想。
优选地，人物角色包括老年、中年、青少年、儿童，人物角色是以现实中的真人为参考依据按照1:1的比例构建的。
优选地，家庭演练子系统、小超市演练子系统、集体宿舍演练子系统均包括界面显示、系统设置、消防演练，在进行消防演练的同时界面显示上会展示各种增加消防技能的提示。
本发明能够使用户在虚拟的环境中，较为真实地去感受消防模拟，增加用户的消防技能。
附图说明
图1为本发明消防演练系统图。
图2为本发明火势算法的流程框图。
图3为本发明人物伤害算法的流程框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1至图3给出，一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的方法,其特征在于，步骤如下：
步骤1：采集现实的场景数据并以场景数据为依据，利用三维建模工具建立三维场景模型并添加相应材质，将三维场景模型导入到Unity3D中，并在Unity3D中为三维场景模型添加真实的灯光系统和物理碰撞属性。采用三维建模工具Maya或3DsMax构建三维场景模型，然后使用PS精简过的真实图片作为三维场景模型的材质贴图,并将制作的三维场景模型导出FBX格式文件，然后将其导入Unity3D中。并在Unity3D中为三维场景模型添加真实的灯光系统和物理碰撞属性。对导入Unity3D的场景进行真实感和流畅性测试，如果测试效果不好，则重新设计三维场景模型，在真实感和流畅性之前达到一个平衡点，经过大量的测试后确定最终的场景。
步骤2：根据功能和交互需求设计UI，在UI提供各种增加消防演练技能的提示，使用户能在不同的虚拟场景中顺利实现演练；采用多窗口技术结合C#进行UI设计，使其丰富灵活。
步骤3：使用PS的纹理绘制、Unity3D的粒子替换工具以及C#编程，设计实现基本的火和烟雾的虚拟模拟；首先，在PS中设计制作火焰和烟雾序列贴图。其次，在Unity3D中使用粒子替换来制作火焰和烟雾模拟。最后，使用C#程序来实现不同物质的初始起火效果模拟。
步骤4：以现实人物为依据，利用三维建模工具建立人物角色模型和添加相应材质，并对人物角色模型进行各种肢体动作的动画设计，将包含动画数据的人物角色模型导入Unity3D中，使用C#程序控制实现不同虚拟角色在不同情况下的逼真运动；所采用的三维建模工具是Maya或者3DsMax。
步骤5：使用PS的纹理绘制、Unity3D的粒子替换工具以及C#编程，设计实现基本的火和烟雾的虚拟模拟；
步骤6：参照图2，设计控制火势、烟雾动态变化的火势算法，并利用此算法实现对火势烟雾的控制；在unity3D引擎中使用C#设计实现控制火势、烟雾动态变化的算法，在设计算法时充分考虑不同物质的特性，各种灭火材料的特性因素。设计了火燃烧开关fireSwitch、灭火器启动开关mhqSwitch、火势增加开关huoshizengjiaswitch、火势减少模拟控制盒huoshisubswitchCube来实现在各种因素影响下的火势的动态控制。
步骤7：参照图3，设计能够体现人物角色受火和烟雾伤害程度的血条，通过血条的动态变化来反应人物角色受到的伤害程度，设计人物角色受火和烟雾伤害程度的人物伤害算法，根据人物伤害算法利用C#编程控制血条的动态变化；在PS中绘制红色血条贴图，和黑色底部血条贴图，导入Unity3D中。选择火源设置火势球和烟雾盒，并设置添加烟雾伤害开关SDswitch、火伤害开关FDswitch、碰撞扩散半径ZLcollider、烟雾扩散变化参数SmokeR、火增长变化参数FireR、血条受火伤害减少比例参数XTFSub、血条受烟伤害减少比例参数XTSSub并初始化，以逼真实现火势对人影响和烟雾扩散。设计人物角色受火和烟雾伤害程度的人物伤害算法，在Unity3D引擎中使用C#编程实现人物角色逃生时受火和烟雾的模拟并通过血条的动态变化体现出来，在设计人物伤害算法时充分考虑逃生的虚拟角色的类型、火势的大小、室内温度、火源距离、烟雾的浓度因素，逼真实现在不同情况下的逃生模拟；
步骤8：将上述步骤1至7设计形成系统。
所述场景数据包括普通家庭三居室的场景数据、小型超市的场景数据、集体宿舍的场景数据，根据不同的场景数据设计形成家庭演练子系统、小超市演练子系统、集体宿舍演练子系统。
所述三维场景模型是依据现实的场景数据按照1:1的比例在三维建模工具中构建的，在建模过程中以用最少的点制作最完美的细节为指导思想。
所述人物角色包括老年、中年、青少年、儿童，人物角色是以现实中的真人为参考依据按照1:1的比例构建的。
所述家庭演练子系统、小超市演练子系统、集体宿舍演练子系统均包括界面显示、系统设置、消防演练，在进行消防演练的同时界面显示上会展示各种增加消防技能的提示。用户进入系统界面后，根据界面UI提示选择不同的子系统进入消防演练子系统，进入子系统后根据UI的操作提示，对子系统中的火源的类型、位置等进行设置，对人物角色类型、灭火器材进行设置选择，可以通过键盘、鼠标或者游戏手柄来操作虚拟角色在系统中的运动，并会产生逼真的物理碰撞效果。同时，可以控制虚拟角色操作虚拟场景中的事物与灭火器材。用户在虚拟消防演练过程中，UI界面会弹出能增加消防技能的提示信息，例如如何操作灭火器、如何进行逃生引导提示。使用户在虚拟演练的同时强化消防技能。
不同的材料火势增长参数不同，参数是经过大量的测试模拟得到，越易燃的材料增长参数大，在单位时间内火势增长快。虚拟角色离火势范围越近、时间越长血条递减越快，反之越慢。虚拟角色处于烟雾的范围内血条递减，时间越长递减越快。通过设置碰撞扩散半径ZLcollider、烟雾扩散变化参数SmokeR来实现判断虚拟角色是否位于火和烟雾的伤害范围，当虚拟角色现事先设置好的火势和烟雾碰撞后，血条会根据事先设置的参数动态变化。
当打开系统后，在不点击开始演练的情况下，点击任何火源菜单都不会起火，同时，灭火器的各个部件也不能交互。只有点击了开始演练或者重新演练后，火燃烧开关fireSwitch、灭火器启动开关mhqSwitch才被激活，根据事先设置的不同的材料、不同空间、不同形态的火势增长参数不同，易燃物增长参数大、空间大氧气足增长参数大反之就小。火势开始动态增长变化后，当和灭火材料碰撞后，火势根据灭火材料的多少、喷射位置而动态的变化。如果喷到火心，火势减少的快，反之减少慢。
以上所述的实施例并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域所述技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应纳入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的方法,其特征在于，步骤如下：
步骤1：采集现实的场景数据并以场景数据为依据，利用三维建模工具建立三维场景模型并添加相应材质，将三维场景模型导入到Unity3D中，并在Unity3D中为三维场景模型添加真实的灯光系统和物理碰撞属性；
步骤2：根据功能和交互需求设计UI，在UI提供各种增加消防演练技能的提示，使用户能在不同的虚拟场景中顺利实现演练；
步骤3：使用PS的纹理绘制、Unity3D的粒子替换工具以及C#编程，设计实现基本的火和烟雾的虚拟模拟；
步骤4：以现实人物为依据，利用三维建模工具建立人物角色模型和添加相应材质，并对人物角色模型进行各种肢体动作的动画设计，将包含动画数据的人物角色模型导入Unity3D中，使用C#程序控制实现不同虚拟角色在不同情况下的逼真运动；
步骤5：使用PS的纹理绘制、Unity3D的粒子替换工具以及C#编程，设计实现基本的火和烟雾的虚拟模拟；
步骤6：参照图2，设计控制火势、烟雾动态变化的火势算法，并利用此算法实现对火势烟雾的控制；
步骤7：参照图3，设计能够体现人物角色受火和烟雾伤害程度的血条，通过血条的动态变化来反应人物角色受到的伤害程度，设计人物角色受火和烟雾伤害程度的人物伤害算法，根据人物伤害算法利用C#编程控制血条的动态变化；
步骤8：将上述步骤1至7设计形成系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的方法，其特征在于，所述场景数据包括普通家庭三居室的场景数据、小型超市的场景数据、集体宿舍的场景数据，根据不同的场景数据设计形成家庭演练子系统、小超市演练子系统、集体宿舍演练子系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的方法，其特征在于，所述三维场景模型是依据现实的场景数据按照1:1的比例在三维建模工具中构建的，在建模过程中以用最少的点制作最完美的细节为指导思想。
4.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的方法，其特征在于，所述人物角色包括老年、中年、青少年、儿童，人物角色是以现实中的真人为参考依据按照1:1的比例构建的。
5.根据权利要求2所述的一种基于Unity3D的三维虚拟消防演练的方法，其特征在于，所述家庭演练子系统、小超市演练子系统、集体宿舍演练子系统均包括界面显示、系统设置、消防演练，在进行消防演练的同时界面显示上会展示各种增加消防技能的提示。
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