CN109035416A - 基于Unity 3D技术的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Unity 3D技术的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，以现实中消防员、灭火器材和森林场景数据为依据以1：1比例建立三维模型，设计控制火势、烟雾动态变化的算法，并利用此算法对森林火势进行动态控制，为增加虚拟仿真系统的交互性与可重复性，评分系统针对每次不同的森林火灾场景以及消防灭火的过程，给出相应的评价。本发明能够使得消防员在虚拟的环境中，较为真实地感受森林火灾现场的发展以及消防灭火的动态过程，在节约成本的前提下，训练消防员的专业技能。
Description
技术领域
本发明涉及森林火灾消防领域，尤其涉及面向森林火灾的消防虚拟训练系统构建方法，应用于森林火灾的消防训练。
背景技术
森林火灾每年在世界的各地时有发生，往往造成重大的经济损失、人员的伤亡以及对当地的生态环境造成重大影响，而火灾一旦发生，及时的扑救是至关重要的，所以消防人员关键时刻的熟练操作以及密切配合，需要必要的日常训练。但是，类似森林火灾这样大规模灾难场景难以在平时复现，所以在复杂任务的训练方面，一般采用虚拟仿真手段进行训练。
虚拟现实技术是综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人工智能技术、仿真技术等多种学科而发展起来的计算机领域的技术，将现实世界虚拟化，参与者可以直接参与所处的环境，置身于虚拟的世界之中。
火灾的发生与消防是世界各国政府高度重视的一个问题，但是平时的消防模拟训练是一个很关键而棘手的问题，不可能完全模拟真实的森林火灾的实时现场，所以虚拟仿真训练显得尤为重要，但是目前，虚拟仿真仅仅存在于博物馆、学校教学等场景，森林火灾消防应用并不多见。
Unity 3D平台可以仿真森林场景、火灾的烟雾和火苗，以及消防员、消防器械等，这些虚拟资源可以再现森林火灾现场以及消防过程，所有利用计算机资源就可以重现现实世界中的复杂场景，这是科技对生活的贡献。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供基于Uniy 3D技术的森林火灾消防虚拟训练系统构建方法，解决现实生活中存在的问题。
技术方案：
基于Unity 3D技术的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，包括步骤：
S1，采集现实中的场景数据，并结合在线地图数据库，在Unity 3D的平台建立三维森林场景；
S2，设计控制火势，烟雾动态变化的火势算法，并以此算法对火势进行动态的控制，同时利用粒子系统建立模拟火势和烟雾的模型；
S201，所述火势算法为：选取三维森林场景中的一个细胞作为起始的火焰细胞，设置全局的风向和风速，计算当前火焰细胞对相邻的8个细胞的火焰传播因子；
计算一细胞周围所有火焰细胞对该细胞的火焰传播因子之和，如果结果超过预先设定的着火阈值，则该细胞就变成着火状态；
设置每个细胞的最大着火时间，超过这个时间，细胞变成燃尽状态，相应的树木贴图变成燃尽状态，该细胞对周围细胞的火焰传播因子设置为零；
S202，确定火势蔓延速度：所述火势蔓延速度在风速和坡度影响下蔓延的速度不一样，设定初始火势蔓延速速，根据风速和坡度合力的矢量方向对火灾蔓延周边进行划分；当合力的方向>45，蔓延速度最快；当合力方向在90左右，风速和坡度对火势蔓延的方向和速度影响不大；当合力的方向<45,风速和坡度对火灾蔓延有负面的影响；
S3,建立影响森林火灾的因素与火势大小的函数关系，根据影响森林火灾的因素与火灾火势的函数关系，设置不同的火势参数，所述不同的火势参数会呈现不同的火势状态；影响森林火灾的因素有：植被、地形、温度、湿度、风向和风速；
S4，根据火势蔓延的速度和方向，在一定的距离设置防火隔离带；首先找出三维森林场景的主风方向，在最前端与主风方向垂直处开设防火隔离带；所述防火隔离带的设置，采用纹理贴图设置地面材质，并利用贴图设置在所述隔离带上形成的防火材料；
S5，在S1建立的三维森林场景中，建立消防员的模型，导入消防车、消防飞机模型；对所述消防员模型采用骨骼动画技术，实现消防员的消防动作；通过动画操作，在导入的消防车、消防飞机模型上定义动画剪辑，实现消防车与消防飞机的消防动作。
还包括步骤：重复S1至S5，记录在各消防训练中火势大小、消防资源投入量及灭火时间的数据，得到火势大小、消防资源投入量及灭火时间之间的函数关系。
所述防火隔离带的宽度为四十至六十米。
所述森林防火隔离带所处的位置为草坡，所述森林防火隔离带的宽度设置四十米宽；所述森林防火隔离带所处的位置为乔木或灌木林地，所述森林防火隔离带的宽度设置六十米宽。
所述S1具体为：
S101,根据已有的在线地图数据库以及采集的现实中的场景数据，获取森林核心仿真区域的地理图形数据，在Unity 3D软件上以1:1的比例呈现地形；
S102,利用地形的增高，平滑工具呈现起伏的地形，Edit texture添加地形贴图，增加预设自带的树和草，并用笔刷绘制地形上的树和草；
S103,对于Main Camera直接添加Skybox的渲染组件，将摄像机放置在地形的中央，并且设置绕y轴旋转270度，设置天空盒子。
所述S3中，消防员采用虚拟角色的建模，加入骨骼系统和蒙皮；消防车和消防飞机是直接导入场景中的模型。
所述S3中，建立GUI界面，根据森林火灾的因素与火势大小的函数关系，呈现在不同森林环境因素下不同的火势状态具体如下：
通过C#语言编写脚本，设置控制各森林火灾的因素的GUI界面，并根据森林火灾的因素与火势大小的函数关系，设置在不同的各森林火灾的因素下，不同的火势大小，从而呈现不同的火势状态；
其中，通过设置绘制树的笔刷的大小来设置树的密度及树的高度；地形的坡度通过Terrain中提升或下沉设置；风速的大小的设置通过草波动的幅度设置；
温度的设置如下：将场景中温度传感器的世界坐标转换为渲染平面坐标系中的位置坐标，根据温度传感器的位置坐标，利用Unity 3D着色器在渲染平面坐标系中进行温度场分布的渲染；将渲染好的温度场等比例放置在场景模型中；
湿度的设置如下：将场景中湿度传感器的世界坐标转化为渲染平面坐标系的位置坐标，根据湿度传感器的位置坐标，利用Unity 3D的着色器在渲染平面坐标系中进行湿度分布渲染；将渲染好的湿度场等比例的放置于场景模型中。
所述S5中，通过C#语言编写脚本，设置GUI界面，根据火势大小、消防资源投入量及灭火时间之间的函数关系，设置不同的火势大小和消防资源投入量参数，从而对应设置不同的灭火时间。
所述消防员的消防运动为：消防员手持灭火的水泵进行射击，实现洒水灭火的动态过程。
有益效果：本发明相对于已有的相关方法，有效解决了背景技术中的逼真森林火灾现场火势的动态变化模拟，消防灭火的动态过程，还有虚拟仿真的评分系统。以现实中消防员、灭火器材和森林场景数据为依据以1：1比例建立三维模型，设计控制火势、烟雾动态变化的算法，并利用此算法对森林火势进行动态控制，为增加虚拟仿真系统的交互性与可重复性，评分系统针对每次不同的森林火灾场景以及消防灭火的过程，给出相应的评价。本发明能够使得消防员在虚拟的环境中，较为真实地感受森林火灾现场的发展以及消防灭火的动态过程，在节约成本的前提下，训练消防员的专业技能。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明建立影响森林火灾的因素与火势大小的关系示意图。
图3为本发明建立消防资源投入与灭火时间的关系示意图。
图4为本发明的评分系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明的目的是构建一块以真实地形为依据的虚拟森林，建立森林火灾的火焰与烟雾的动态仿真，为消防人员的消防任务提供一种仿真度较高，占有资源较低的虚拟仿真系统。
图1为本发明的系统框图。如图1所示，为了实现上述目的，本发明的实施例提供了面向森林消防火灾训练的虚拟仿真系统的构建方法，包括如下步骤：
S1,采集现实中的场景数据，比如森林的大概面积，树木的密度等；并结合在线地图数据库，在Unity 3D的平台建立三维森林场景；为了真实性，可以设置起伏的地形，贴图导入的植被，天空盒子，这些三维场景都是依据现实采集的数据在仿真平台上1:1的比例建立的；
S101,根据已有的在线地图数据库以及结合现场采集的数据，获取森林核心仿真区域的地理图形数据，在Unity 3D软件上以1:1的比例呈现地形；
S102,真实再现森林场景，利用地形的增高，平滑工具呈现起伏的地形，Edittexture添加地形贴图，增加预设自带的树和草，并用笔刷绘制地形上的树和草；
S103,对于Main Camera直接添加Skybox的渲染组件，将摄像机放置在地形的中央，并且设置绕y轴旋转270度，也就是-90度，即可设置好天空盒子；
S2,设计控制火势，烟雾动态变化的火势算法，利用粒子系统，并以此算法对火势进行动态的控制，同时建立模拟火势和烟雾模型；S201,所述火势算法为，选取森林场景中的一个细胞作为起火点，设置全局的风向和风速，计算当前着火点细胞对相邻的8个细胞的火焰传播因子；
计算一细胞周围所有着火点细胞对该细胞的火焰传播因子之和，如果结果超过了预先设定的着火阈值，则该细胞就变成着火状态；
设置每个细胞的最大着火时间，超过这个时间，细胞变成燃尽状态，相应的树木贴图变成燃尽状态，该细胞对周围细胞的火焰传播因子设置为零；
S202,确定火势蔓延速度，设定初始火势蔓延速度；在风速和地形坡度响下火势蔓延的速度不一样，根据风速和坡形坡度合力的矢量方向对火灾蔓延周边进行划分。当合力的方向>45，蔓延速度减慢；当合力方向在90左右，风速和坡度对火势蔓延的方向和速度影响不大，几乎没有影响；当合力的方向<45,风速和坡度对火灾蔓延有负面的影响，加快火势蔓延的速度；
S203,利用粒子系统模拟火势和烟雾：设定一个粒子源作为起始的火焰细胞，通过该粒子发射源，根据S201的火势算法和S202确定的火势蔓延速度，向空间发射具有速度，方向和寿命等属性的粒子，经过渲染等处理模拟出火焰的效果；采用粒子系统的缺点就是大量的粒子会消耗过多的内存和计算资源，降低仿真系统的刷新帧率；
S3，建立影响森林火灾的因素与火势大小的函数关系，根据影响森林火灾的因素与火灾火势的函数关系，设置不同的火势参数，所述不同的火势参数会呈现不同的火势状态；影响森林火灾的因素有：植被、地形、温度、湿度、风向和风速；
S4,在建立好的三维森林场景中，建立消防员的模型，以及导入消防车、消防飞机等模型,在Unity 3D平台上，采用骨骼动画(skeletal animation)技术，使得消防员的模型(骨骼建立在模型中)的骨骼四周运动，与骨骼相关联的表皮也跟着一起运动。
S401,场景中的消防员，采用虚拟角色的建模，加入骨骼系统和蒙皮，骨骼系统的本质是轴点、方向和长度的可视化表示；而蒙皮是顶点，法线和纹理坐标等被渲染的元素，最关键的就是顶点，被骨骼牵扯着运动。而消防车和消防飞机是直接导入场景中的模型；
S402,为了实现消防员的消防运动，先在导入文件中定义的动画剪辑(animationclips),然后设置动画控制器来播放这些动画片段，最后把动画控制器并入到代码中，建立C#脚本，角色模型上的动画将会按照移动脚本进行播放。
在本发明中，消防员的消防运动，可以模仿游戏场景中射击过程，消防员手持灭火的水泵，借鉴射击的代码，实现洒水灭火的动态过程。
S5,防火隔离带的设置，根据火势蔓延的速度和方向，可以在一定的距离设置防火隔离带；
S501,根据火势蔓延的速度和方向，可以设置防火隔离带；防火隔离带设置主要与主风方向垂直。首先找出林区的主风方向，在最前端与主风方向垂直处开设第一条防火隔离带。此处是林场的前缘，设置防火隔离带保护的面积最大，作用最好。
S502，森林防火隔离带的宽度四十至六十米，所述森林防火隔离带所处的位置在草坡一般设置四十米宽，而在乔木、灌木林地一般要设置六十米宽。本实验场景主要是森林火灾的场景，以乔木和灌木林地为主，所以隔离带设置为六十米最佳。
S503,防火隔离带的设置，先是地面的材质的设置，纹理贴图可以达到预想的效果；其次隔离带上，应该铺上一些防火材料；这也可以利用贴图进行设置；
S6,建立根据不同的环境因素呈现不同火灾火势大小的GUI界面，如图2所示，涉及Label控制，Button控制，Textfield文本输入框，GUI绘制贴图的设置，根据不同的环境因素，火灾火势大小是不同的，其中影响森林火灾的因素有：植被、地形、温度、湿度、风向和风速；通过C#语言编写脚本，设置GUI界面，设置不同影响森林火灾的因素的参数，呈现不同的火势状态；
其中，树木密度可以通过设置绘制树的笔刷的大小(Brush Size)、树的密度(TreeDensity)、树的高度(Tree Heigh)。地形的坡度可以通过Terrain中提升，下沉，平滑地形的工具设置起伏的地形；将地形分割成很多的单元，每个单元设置一个法线，这样，可以获取倾斜度；
风速的大小及风向的设置，通过草波动的幅度可以显示风速的大小，而草弯曲的程度可以显示风向。
温度的设置，将场景中温度传感器的世界坐标转换为渲染平面坐标系中的位置坐标，根据温度传感器的位置坐标，利用Unity 3D着色器在渲染平面坐标系中进行温度场分布的渲染；将渲染好的温度场等比例放置在场景模型中；
湿度的设置，将场景中湿度传感器的世界坐标转化为渲染平面坐标系的位置坐标，根据湿度传感器的位置坐标，利用Unity 3D的着色器在渲染平面坐标系中进行湿度分布渲染；将渲染好的湿度场等比例的放置于场景模型中；
S7,建立不同消防资源投入获取不同的灭火时间的GUI界面，如图3所示，涉及Label控制，Button控制，TextField文本输入框，GUI绘制贴图的设置。根据不同的森林火灾，消防资源的投入是不同的，灭火时间是不同的，其中影响灭火时间的因素有：消防员的数量，消防车以及消防飞机的数量；通过C#语言编写脚本，设置GUI界面，设置不同消防资源投入的参数，会有不用的灭火时间；一般是线性相关，消防员，消防车，消防飞机的数量越多，灭火时间越短；反之，消防员，消防车，消防飞机的数量越少，灭火时间越长。
其中，消防人员是骨骼系统建立的，并通过蒙皮技术将顶点连接起来，而消防车和消防飞机则是导入的模型；
S8,构建评分系统，如图4所示，对不同的火灾现场以及投入不同的消防资源的消防情况，系统会给出一个相对的评分，这是消防训练最好的训练，一步步逼近最优化；
S801，建立GUI界面，其中包括影响火势的几个变量，如植被、地形坡度、温度、湿度、风向和风速，还有影响灭火时间的几个变量，如消防员、消防车、消防飞机的数量。
S802，根据S6建立一种函数关系，自变量是植被，坡度，温度，湿度，风向和风速因变量，因变量就是火势大小。一般，植被越密集，坡度越低，温度越高，湿度越低，风速越大，风向与火势蔓延的方向同向，火势越大。反之，植被越稀疏，坡度越高，温度越低，湿度越大，风速越小，风向与火势蔓延的方向反向，火势越小。
S803，根据S7建立一种函数关系，自变量是消防员，消防车，消防飞机的数量，因变量就是灭火时间。消防员，消防车，消防飞机的数量越多，灭火时间越短，反之，消防员，消防车，消防飞机的数量越少，灭火时间越长。
S804，构建评分系统：建立一种函数关系，自变量是火势大小，消防资源投入量，因变量是灭火时间。一般情况下，火势大，投入的资源少，灭火时间短，这种训练情况下，评分越高。反之，火势小，投入的资源多，灭火时间长，这种训练情况下，评分越低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于Unity 3D技术的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：包括步骤：
S1，采集现实中的场景数据，并结合在线地图数据库，在Unity 3D的平台建立三维森林场景；
S2，设计控制火势，烟雾动态变化的火势算法，并以此算法对火势进行动态的控制，同时利用粒子系统建立模拟火势和烟雾的模型；
S201，所述火势算法为：选取三维森林场景中的一个细胞作为起始的火焰细胞，设置全局的风向和风速，计算当前火焰细胞对相邻的8个细胞的火焰传播因子；
计算一细胞周围所有火焰细胞对该细胞的火焰传播因子之和，如果结果超过预先设定的着火阈值，则该细胞就变成着火状态；
设置每个细胞的最大着火时间，超过这个时间，细胞变成燃尽状态，相应的树木贴图变成燃尽状态，该细胞对周围细胞的火焰传播因子设置为零；
S202，确定火势蔓延速度：所述火势蔓延速度在风速和坡度影响下蔓延的速度不一样，设定初始火势蔓延速速，根据风速和坡度合力的矢量方向对火灾蔓延周边进行划分；
S3,建立影响森林火灾的因素与火势大小的函数关系，根据影响森林火灾的因素与火灾火势的函数关系，设置不同的火势参数，所述不同的火势参数会呈现不同的火势状态；影响森林火灾的因素有：植被、地形、温度、湿度、风向和风速；
S4，根据火势蔓延的速度和方向，在一定的距离设置防火隔离带；首先找出三维森林场景的主风方向，在最前端与主风方向垂直处开设防火隔离带；所述防火隔离带的设置，采用纹理贴图设置地面材质，并利用贴图设置在所述隔离带上形成的防火材料；
S5，在S1建立的三维森林场景中，建立消防员的模型，导入消防车、消防飞机模型；对所述消防员模型采用骨骼动画技术，实现消防员的消防动作；通过动画操作，在导入的消防车、消防飞机模型上定义动画剪辑，实现消防车与消防飞机的消防动作。
2.根据权利要求1所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：还包括步骤：重复S1至S5，记录在各消防训练中火势大小、消防资源投入量及灭火时间的数据，得到火势大小、消防资源投入量及灭火时间之间的函数关系。
3.根据权利要求2所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：所述防火隔离带的宽度为四十至六十米。
4.根据权利要求3所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：所述森林防火隔离带所处的位置为草坡，所述森林防火隔离带的宽度设置四十米宽；所述森林防火隔离带所处的位置为乔木或灌木林地，所述森林防火隔离带的宽度设置六十米宽。
5.根据权利要求1所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：所述S1具体为：
S101,根据已有的在线地图数据库以及采集的现实中的场景数据，获取森林核心仿真区域的地理图形数据，在Unity 3D软件上以1:1的比例呈现地形；
S102,利用地形的增高，平滑工具呈现起伏的地形，Edit texture添加地形贴图，增加预设自带的树和草，并用笔刷绘制地形上的树和草；
S103,对于Main Camera直接添加Skybox的渲染组件，将摄像机放置在地形的中央，并且设置绕y轴旋转270度，设置天空盒子。
6.根据权利要求1所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：所述S3中，消防员采用虚拟角色的建模，加入骨骼系统和蒙皮；消防车和消防飞机是直接导入场景中的模型。
7.根据权利要求1所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：所述S3中，建立GUI界面，根据森林火灾的因素与火势大小的函数关系，呈现在不同森林环境因素下不同的火势状态具体如下：
通过C#语言编写脚本，设置控制各森林火灾的因素的GUI界面，并根据森林火灾的因素与火势大小的函数关系，设置在不同的各森林火灾的因素下，不同的火势大小，从而呈现不同的火势状态；
其中，通过设置绘制树的笔刷的大小来设置树的密度及树的高度；地形的坡度通过Terrain中提升或下沉设置；风速的大小的设置通过草波动的幅度设置；
温度的设置如下：将场景中温度传感器的世界坐标转换为渲染平面坐标系中的位置坐标，根据温度传感器的位置坐标，利用Unity 3D着色器在渲染平面坐标系中进行温度场分布的渲染；将渲染好的温度场等比例放置在场景模型中；
湿度的设置如下：将场景中湿度传感器的世界坐标转化为渲染平面坐标系的位置坐标，根据湿度传感器的位置坐标，利用Unity 3D的着色器在渲染平面坐标系中进行湿度分布渲染；将渲染好的湿度场等比例的放置于场景模型中。
8.根据权利要求1所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：所述S5中，通过C#语言编写脚本，设置GUI界面，根据火势大小、消防资源投入量及灭火时间之间的函数关系，设置不同的火势大小和消防资源投入量参数，从而对应设置不同的灭火时间。
9.根据权利要求1所述的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，其特征在于：所述消防员的消防运动为：消防员手持灭火的水泵进行射击，实现洒水灭火的动态过程。
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