本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，特別是一種基于Unity3D的三維虛擬消防演練的實(shí)現(xiàn)方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、并行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)、人工智能、仿真技術(shù)等多種學(xué)科而發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)。它以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維圖像世界，參與者可以直接參與所處環(huán)境中，仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸成熟，越來越多的難以在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)推廣的事情，都借以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

消防演練是我國的一項(xiàng)重要和必須要做的事情，受到黨和國家的高度重視。每年國家都會投入大量的人力物力來做消防演練工作。

但是每年因?yàn)橄乐R匱乏而引起的生命財(cái)產(chǎn)巨大損失時(shí)有發(fā)生。因?yàn)楝F(xiàn)在人們的消防知識的獲得，基本是通過網(wǎng)絡(luò)、消防人員演練和消防民警的講解獲得的。

通過內(nèi)網(wǎng)絡(luò)獲得時(shí)，基本上是看一些視頻、文字等方法得到，雖然很便利，但是缺乏交互性，效果不佳。而消防人員演練和消防民警的講解的次數(shù)是有限的，參加演練的人員數(shù)量也是有限的。演練時(shí)的條件也是有限的，不可能給每個(gè)人一個(gè)機(jī)會去操作對應(yīng)的消防設(shè)備，另外，像一些極端情況，如整個(gè)大樓處于大火狀態(tài)是不可能模擬演練的。所以，這就要借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)存的消防演練軟件很少，而且目前都是針對大型的商場、文物場所等重點(diǎn)大型的機(jī)構(gòu)場所，讓民眾感覺消防演練離自己很遠(yuǎn)。而針對人民群眾的普通場所如個(gè)人家庭、小超市、集體宿舍等的還沒有。而這方面的人群占了社會人群的很大一部分。所以開發(fā)一個(gè)針對個(gè)人、家庭、小超市、集體宿舍等的消防演練系統(tǒng)很有必要。

三維虛擬消防演練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有諸多難點(diǎn)，第一要有逼真的虛擬環(huán)境和真實(shí)的物理碰撞，讓使用者有身臨其境的感覺。目前，廣泛采取的方法是增加虛擬環(huán)境的細(xì)節(jié)，如在3Ds Max或者M(jìn)aya中增加細(xì)節(jié)，以達(dá)到逼真的效果。但是，增加細(xì)節(jié)會增加場景的存儲量。系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，場景存儲量的較大會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能和使用效果。在場景的逼真性和系統(tǒng)流暢之間要達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，以達(dá)到一個(gè)很好的效果，但是這個(gè)平衡點(diǎn)很難把握。

火災(zāi)現(xiàn)場的火勢的模擬是另一個(gè)難點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)中的火災(zāi)是在時(shí)間和空間上失去人力控制并形成一定災(zāi)害的燃燒過程。它是可燃物、助燃物（空氣中的氧氣）、點(diǎn)火源三者之間相互作用的結(jié)果。火勢的增長與這三者有直接的關(guān)系。不同的可燃物與另外兩種條件作用會導(dǎo)致火勢增長不同。同時(shí)，產(chǎn)生的煙霧也不同?？扇嘉镆惨紤]它的數(shù)量和形態(tài)，通常會以固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)三種形態(tài)存在。不同的滅火材料對這幾種因素的影響都要考慮。這就要求在實(shí)現(xiàn)虛擬火勢模擬，設(shè)計(jì)制作火勢增長算法的時(shí)候，充分考慮這些因素以保證火勢的逼真實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種基于Unity3D的三維虛擬消防演練方法及其系統(tǒng)，有效的解決背景技術(shù)中的逼真環(huán)境模擬、火勢動(dòng)態(tài)變化模擬、逃生者傷害程度模擬的技術(shù)問題。

其解決方案是，步驟如下：

步驟1：采集現(xiàn)實(shí)的場景數(shù)據(jù)并以場景數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用三維建模工具建立三維場景模型并添加相應(yīng)材質(zhì)，將三維場景模型導(dǎo)入到Unity3D中，并在Unity3D中為三維場景模型添加真實(shí)的燈光系統(tǒng)和物理碰撞屬性；

步驟2：根據(jù)功能和交互需求設(shè)計(jì)UI，在UI提供各種增加消防演練技能的提示，使用戶能在不同的虛擬場景中順利實(shí)現(xiàn)演練；

步驟3：使用PS的紋理繪制、Unity3D的粒子替換工具以及C#編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基本的火和煙霧的虛擬模擬；

步驟4：以現(xiàn)實(shí)人物為依據(jù)，利用三維建模工具建立人物角色模型和添加相應(yīng)材質(zhì)，并對人物角色模型進(jìn)行各種肢體動(dòng)作的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，將包含有動(dòng)畫數(shù)據(jù)的人物角色模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，使用C#程序控制實(shí)現(xiàn)不同虛擬角色在不同情況下的逼真運(yùn)動(dòng)；

步驟5：使用PS的紋理繪制、Unity3D的粒子替換工具以及C#編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基本的火和煙霧的虛擬模擬；

步驟6：設(shè)計(jì)控制火勢、煙霧動(dòng)態(tài)變化的火勢算法，并利用此算法實(shí)現(xiàn)對火勢煙霧的控制

步驟7：設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)人物角色受火和煙霧傷害程度的血條，通過血條的動(dòng)態(tài)變化來反應(yīng)人物角色受到的傷害程度，設(shè)計(jì)人物角色受火和煙霧傷害程度的人物傷害算法，根據(jù)人物傷害算法利用C#編程控制血條的動(dòng)態(tài)變化；

步驟8：將上述步驟1至7設(shè)計(jì)形成系統(tǒng)。

優(yōu)選地，場景數(shù)據(jù)包括普通家庭三居室的場景數(shù)據(jù)、小型超市的場景數(shù)據(jù)、集體宿舍的場景數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的場景數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)形成家庭演練子系統(tǒng)、小超市演練子系統(tǒng)、集體宿舍演練子系統(tǒng)。

優(yōu)選地，三維場景模型是依據(jù)現(xiàn)實(shí)的場景數(shù)據(jù)按照1:1的比例在三維建模工具中構(gòu)建的，在建模過程中以用最少的點(diǎn)制作最完美的細(xì)節(jié)為指導(dǎo)思想。

優(yōu)選地，人物角色包括老年、中年、青少年、兒童，人物角色是以現(xiàn)實(shí)中的真人為參考依據(jù)按照1:1的比例構(gòu)建的。

優(yōu)選地，家庭演練子系統(tǒng)、小超市演練子系統(tǒng)、集體宿舍演練子系統(tǒng)均包括界面顯示、系統(tǒng)設(shè)置、消防演練，在進(jìn)行消防演練的同時(shí)界面顯示上會展示各種增加消防技能的提示。

本發(fā)明能夠使用戶在虛擬的環(huán)境中，較為真實(shí)地去感受消防模擬，增加用戶的消防技能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明消防演練系統(tǒng)圖。

圖2為本發(fā)明火勢算法的流程框圖。

圖3為本發(fā)明人物傷害算法的流程框圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

由圖1至圖3給出，一種基于Unity3D的三維虛擬消防演練的方法,其特征在于，步驟如下：

步驟1：采集現(xiàn)實(shí)的場景數(shù)據(jù)并以場景數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用三維建模工具建立三維場景模型并添加相應(yīng)材質(zhì)，將三維場景模型導(dǎo)入到Unity3D中，并在Unity3D中為三維場景模型添加真實(shí)的燈光系統(tǒng)和物理碰撞屬性。采用三維建模工具M(jìn)aya或3DsMax構(gòu)建三維場景模型，然后使用PS精簡過的真實(shí)圖片作為三維場景模型的材質(zhì)貼圖,并將制作的三維場景模型導(dǎo)出FBX格式文件，然后將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中。并在Unity3D中為三維場景模型添加真實(shí)的燈光系統(tǒng)和物理碰撞屬性。對導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D的場景進(jìn)行真實(shí)感和流暢性測試，如果測試效果不好，則重新設(shè)計(jì)三維場景模型，在真實(shí)感和流暢性之前達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，經(jīng)過大量的測試后確定最終的場景。

步驟2：根據(jù)功能和交互需求設(shè)計(jì)UI，在UI提供各種增加消防演練技能的提示，使用戶能在不同的虛擬場景中順利實(shí)現(xiàn)演練；采用多窗口技術(shù)結(jié)合C#進(jìn)行UI設(shè)計(jì)，使其豐富靈活。

步驟3：使用PS的紋理繪制、Unity3D的粒子替換工具以及C#編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基本的火和煙霧的虛擬模擬；首先，在PS中設(shè)計(jì)制作火焰和煙霧序列貼圖。其次，在Unity3D中使用粒子替換來制作火焰和煙霧模擬。最后，使用C#程序來實(shí)現(xiàn)不同物質(zhì)的初始起火效果模擬。

步驟4：以現(xiàn)實(shí)人物為依據(jù)，利用三維建模工具建立人物角色模型和添加相應(yīng)材質(zhì)，并對人物角色模型進(jìn)行各種肢體動(dòng)作的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，將包含動(dòng)畫數(shù)據(jù)的人物角色模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，使用C#程序控制實(shí)現(xiàn)不同虛擬角色在不同情況下的逼真運(yùn)動(dòng)；所采用的三維建模工具是Maya或者3DsMax。

步驟5：使用PS的紋理繪制、Unity3D的粒子替換工具以及C#編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基本的火和煙霧的虛擬模擬；

步驟6：參照圖2，設(shè)計(jì)控制火勢、煙霧動(dòng)態(tài)變化的火勢算法，并利用此算法實(shí)現(xiàn)對火勢煙霧的控制；在unity3D引擎中使用C#設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制火勢、煙霧動(dòng)態(tài)變化的算法，在設(shè)計(jì)算法時(shí)充分考慮不同物質(zhì)的特性，各種滅火材料的特性因素。設(shè)計(jì)了火燃燒開關(guān)fireSwitch、滅火器啟動(dòng)開關(guān)mhqSwitch、火勢增加開關(guān)huoshizengjiaswitch、火勢減少模擬控制盒huoshisubswitchCube來實(shí)現(xiàn)在各種因素影響下的火勢的動(dòng)態(tài)控制。

步驟7：參照圖3，設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)人物角色受火和煙霧傷害程度的血條，通過血條的動(dòng)態(tài)變化來反應(yīng)人物角色受到的傷害程度，設(shè)計(jì)人物角色受火和煙霧傷害程度的人物傷害算法，根據(jù)人物傷害算法利用C#編程控制血條的動(dòng)態(tài)變化；在PS中繪制紅色血條貼圖，和黑色底部血條貼圖，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中。選擇火源設(shè)置火勢球和煙霧盒，并設(shè)置添加煙霧傷害開關(guān)SDswitch、火傷害開關(guān)FDswitch、碰撞擴(kuò)散半徑ZLcollider、煙霧擴(kuò)散變化參數(shù)SmokeR、火增長變化參數(shù)FireR、血條受火傷害減少比例參數(shù)XTFSub、血條受煙傷害減少比例參數(shù)XTSSub并初始化，以逼真實(shí)現(xiàn)火勢對人影響和煙霧擴(kuò)散。設(shè)計(jì)人物角色受火和煙霧傷害程度的人物傷害算法，在Unity3D引擎中使用C#編程實(shí)現(xiàn)人物角色逃生時(shí)受火和煙霧的模擬并通過血條的動(dòng)態(tài)變化體現(xiàn)出來，在設(shè)計(jì)人物傷害算法時(shí)充分考慮逃生的虛擬角色的類型、火勢的大小、室內(nèi)溫度、火源距離、煙霧的濃度因素，逼真實(shí)現(xiàn)在不同情況下的逃生模擬；

步驟8：將上述步驟1至7設(shè)計(jì)形成系統(tǒng)。

所述場景數(shù)據(jù)包括普通家庭三居室的場景數(shù)據(jù)、小型超市的場景數(shù)據(jù)、集體宿舍的場景數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的場景數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)形成家庭演練子系統(tǒng)、小超市演練子系統(tǒng)、集體宿舍演練子系統(tǒng)。

所述三維場景模型是依據(jù)現(xiàn)實(shí)的場景數(shù)據(jù)按照1:1的比例在三維建模工具中構(gòu)建的，在建模過程中以用最少的點(diǎn)制作最完美的細(xì)節(jié)為指導(dǎo)思想。

所述人物角色包括老年、中年、青少年、兒童，人物角色是以現(xiàn)實(shí)中的真人為參考依據(jù)按照1:1的比例構(gòu)建的。

所述家庭演練子系統(tǒng)、小超市演練子系統(tǒng)、集體宿舍演練子系統(tǒng)均包括界面顯示、系統(tǒng)設(shè)置、消防演練，在進(jìn)行消防演練的同時(shí)界面顯示上會展示各種增加消防技能的提示。用戶進(jìn)入系統(tǒng)界面后，根據(jù)界面UI提示選擇不同的子系統(tǒng)進(jìn)入消防演練子系統(tǒng)，進(jìn)入子系統(tǒng)后根據(jù)UI的操作提示，對子系統(tǒng)中的火源的類型、位置等進(jìn)行設(shè)置，對人物角色類型、滅火器材進(jìn)行設(shè)置選擇，可以通過鍵盤、鼠標(biāo)或者游戲手柄來操作虛擬角色在系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)，并會產(chǎn)生逼真的物理碰撞效果。同時(shí)，可以控制虛擬角色操作虛擬場景中的事物與滅火器材。用戶在虛擬消防演練過程中，UI界面會彈出能增加消防技能的提示信息，例如如何操作滅火器、如何進(jìn)行逃生引導(dǎo)提示。使用戶在虛擬演練的同時(shí)強(qiáng)化消防技能。

不同的材料火勢增長參數(shù)不同，參數(shù)是經(jīng)過大量的測試模擬得到，越易燃的材料增長參數(shù)大，在單位時(shí)間內(nèi)火勢增長快。虛擬角色離火勢范圍越近、時(shí)間越長血條遞減越快，反之越慢。虛擬角色處于煙霧的范圍內(nèi)血條遞減，時(shí)間越長遞減越快。通過設(shè)置碰撞擴(kuò)散半徑ZLcollider、煙霧擴(kuò)散變化參數(shù)SmokeR來實(shí)現(xiàn)判斷虛擬角色是否位于火和煙霧的傷害范圍，當(dāng)虛擬角色現(xiàn)事先設(shè)置好的火勢和煙霧碰撞后，血條會根據(jù)事先設(shè)置的參數(shù)動(dòng)態(tài)變化。

當(dāng)打開系統(tǒng)后，在不點(diǎn)擊開始演練的情況下，點(diǎn)擊任何火源菜單都不會起火，同時(shí)，滅火器的各個(gè)部件也不能交互。只有點(diǎn)擊了開始演練或者重新演練后，火燃燒開關(guān)fireSwitch、滅火器啟動(dòng)開關(guān)mhqSwitch才被激活，根據(jù)事先設(shè)置的不同的材料、不同空間、不同形態(tài)的火勢增長參數(shù)不同，易燃物增長參數(shù)大、空間大氧氣足增長參數(shù)大反之就小。火勢開始動(dòng)態(tài)增長變化后，當(dāng)和滅火材料碰撞后，火勢根據(jù)滅火材料的多少、噴射位置而動(dòng)態(tài)的變化。如果噴到火心，火勢減少的快，反之減少慢。

以上所述的實(shí)施例并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域所述技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)納入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。