王曉丹，王忠芝

（北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083）

水體是現(xiàn)實(shí)生活中常見的自然景象，對(duì)水體的仿真研究在景觀仿真、網(wǎng)絡(luò)游戲、影視特效、水利工程等多個(gè)領(lǐng)域都具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。由于水體的形狀不規(guī)則和隨機(jī)易變等特性，使水體仿真成為仿真流域中的一個(gè)研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)，同時(shí)也激起了無數(shù)研究者的興趣，通過參數(shù)建模和物理方法等多種途徑對(duì)水體進(jìn)行模擬。但受計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的限制，水體仿真在真實(shí)性和實(shí)時(shí)性之間依舊存在矛盾，魚和熊掌不可兼得，這就需要在真實(shí)性和實(shí)時(shí)性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由計(jì)算機(jī)生成一種由三維數(shù)字模型構(gòu)成的現(xiàn)實(shí)中存在或不存在的場(chǎng)景模型，并導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，生成一種可全角度觀看的、以視覺為主、聽覺觸覺為輔的虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生一種心理上的真實(shí)感，并且可以通過自然的方式直接作用于這個(gè)虛擬環(huán)境中的所有物體，給人一種沉浸式的感受[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)三維空間表現(xiàn)功能、人機(jī)交互功能，為人們提供了一個(gè)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行體驗(yàn)和模擬訓(xùn)練的平臺(tái)，首先在軍事和航天領(lǐng)域的模擬培訓(xùn)中起到舉足輕重的作用。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要性，并且在許多行業(yè)都得到了運(yùn)用，顯示出廣闊的發(fā)展前景。

水體仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要研發(fā)方向。在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，為了增加場(chǎng)景的豐富度和真實(shí)感，往往需要添加大量的自然景觀。水體作為自然景觀的一種，它的靈動(dòng)性可以大大提高虛擬場(chǎng)景的畫面感。水體的靈動(dòng)性是其成為虛擬現(xiàn)實(shí)研發(fā)方向的原因，同時(shí)也是其研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。水體有江、河、湖、海、噴泉、瀑布等形式，這些景觀都具有流動(dòng)、多變、不規(guī)則和復(fù)雜的特點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)生活中較為常見，但是要用計(jì)算機(jī)來模擬它們并達(dá)到逼真的效果卻非常難，因此水體仿真成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)方向的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 水體仿真應(yīng)用領(lǐng)域

水體仿真的應(yīng)用領(lǐng)域可以大致分為4類：影視特效、三維游戲、可視化仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)[2]。水體仿真技術(shù)在影視中用來表現(xiàn)海嘯、洪水等具有破壞性和危險(xiǎn)性的災(zāi)難場(chǎng)面以及打造虛幻場(chǎng)景等，不僅確保了演員的人身安全、節(jié)省了大量拍攝費(fèi)用和時(shí)間，而且可以為影視劇提供具有高度真實(shí)感的畫面，例如電影《指環(huán)王》中樹精抵抗洪水的鏡頭。三維游戲以趨于真實(shí)的場(chǎng)景吸引玩家，如《極品飛車》中的水體仿真效果，水體仿真技術(shù)在三維游戲中的運(yùn)用帶給玩家身臨其境的感覺，使游戲更有趣味性。水體仿真在可視化仿真中用來將水利行業(yè)中科學(xué)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果以模型的形式表現(xiàn)出來，例如洪水實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真、海浪風(fēng)暴預(yù)報(bào)仿真等，可交互操控的動(dòng)態(tài)仿真效果取代了呆板的二維表現(xiàn)形式。虛擬現(xiàn)實(shí)中水體仿真主要表現(xiàn)在虛擬旅游、景觀再現(xiàn)、軍事仿真訓(xùn)練等方面，實(shí)時(shí)互動(dòng)的水體仿真效果增強(qiáng)了虛擬環(huán)境的真實(shí)感和互動(dòng)性，使虛擬現(xiàn)實(shí)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

3 水體仿真特性

水體仿真的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψ抡嫘Ч男枨笫顾w仿真具有3個(gè)方面的特性：真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和互動(dòng)性[3]。真實(shí)性不僅指在形態(tài)上相似，在物體特征方面也要具有真實(shí)感，目前主要采用粒子系統(tǒng)和流體動(dòng)力學(xué)等方式表現(xiàn)水體的形態(tài)，用環(huán)境貼圖和光線跟蹤等渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)水體對(duì)光的折射、反射和焦散等效果。實(shí)時(shí)性方面采用GPU硬件加速和LOD等技術(shù)提高渲染速度，確保水體仿真的實(shí)時(shí)性?；?dòng)性指水體與其他物體之間交互的動(dòng)態(tài)效果，如船航行時(shí)激起的浪花、洪水沖擊建筑物等。真實(shí)性和實(shí)時(shí)性是水體仿真研發(fā)不斷追求的目標(biāo)，但是這兩種特性對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求非常高，在追求高實(shí)時(shí)性效果時(shí)往往以犧牲真實(shí)性為代價(jià)。

4 水體仿真建模方法

水體仿真建模方法受控于計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，早期一般采用紋理貼圖和參數(shù)建模實(shí)現(xiàn)仿真效果，GPU技術(shù)的發(fā)展使得粒子系統(tǒng)、流體動(dòng)力學(xué)等方法得到運(yùn)用，水體仿真效果的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和互動(dòng)性也逐漸增強(qiáng)[4]。目前常見的水體仿真表現(xiàn)方法有紋理貼圖、曲面參數(shù)、粒子系統(tǒng)、流體動(dòng)力學(xué)和波形函數(shù)等方式[5]。隨著水體仿真要求的不斷提升，建模方法趨向多種方法融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短綜合處理，以實(shí)現(xiàn)更好的水體仿真效果。

5 瀑布仿真替代式建模方式制作流程

本文以虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的瀑布景觀為水體仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Unity3D作為場(chǎng)景搭建平臺(tái)，以替代式建模方法作為構(gòu)建瀑布場(chǎng)景的主要方式，即用簡(jiǎn)單模型結(jié)合紋理貼圖、粒子效果等形式替代復(fù)雜模型，在確保仿真效果的同時(shí)將復(fù)雜模型用最簡(jiǎn)化的方式表現(xiàn)出來。并通過仿真效果的綜合對(duì)比，證實(shí)替代式建模方式的可行性和優(yōu)越性。

替代式的建模方式在瀑布仿真中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以材質(zhì)的形式結(jié)合粒子系統(tǒng)共同表現(xiàn)瀑布奔騰而下的效果。水在快速流動(dòng)與巖石撞擊下會(huì)呈現(xiàn)出白色，如果單純的用粒子系統(tǒng)來表現(xiàn)需要龐大的粒子數(shù)量，替代式建模將瀑布圖片當(dāng)作瀑布場(chǎng)景的背景，用少量粒子來營(yíng)造運(yùn)動(dòng)效果，這樣不僅營(yíng)造出了宏偉的瀑布效果，而且節(jié)省了硬件資源的消耗，使場(chǎng)景更具實(shí)時(shí)性。

5.1 用于瀑布仿真試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)軟硬件參數(shù)和軟件平臺(tái)

計(jì)算機(jī)軟硬件參數(shù)：

處理器：Pentium（R）Dual-Core 2.5GHz

顯卡：GT 220M

內(nèi)存：2GB

硬盤：100GB

操作系統(tǒng)：Windows XP

軟件平臺(tái)：

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件：Unity3D 4.0.0b8

輔助建模軟件：3ds Max

5.2 瀑布模型搭建

本文選用一個(gè)形態(tài)復(fù)雜的瀑布景點(diǎn)作為仿真研究對(duì)象，瀑布仿真的原型如圖1所示。

圖1 瀑布仿真原型資料Fig.1 Waterfall simulation prototype data

根據(jù)上圖所示，如果將該景點(diǎn)中的景物采用常見的三維建模方式表現(xiàn)出來，需要大量的模型編輯時(shí)間并且搭建出的場(chǎng)景至少需要上萬個(gè)面。模型越精細(xì)，面數(shù)相對(duì)越多，場(chǎng)景運(yùn)行需要占用的硬件資源越多，場(chǎng)景的運(yùn)行速度就會(huì)受到影響。本文采用替代式的建模方式，用簡(jiǎn)單的面片替代景物模型，在確保仿真效果的同時(shí)減少對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的占用。

將仿真對(duì)象原始資料處理為可以直接利用的瀑布模型材質(zhì)，具體操作如下：使用圖片編輯團(tuán)建將天空部分去除，將圖片垂直復(fù)制并放置在下方，添加模糊效果以模擬水的倒影，具體效果如圖2所示。

在Unity3D中創(chuàng)建一個(gè)平面，將處理過的瀑布原型材質(zhì)賦予平面。如仿真場(chǎng)景的瀑布不處于同一水平線上，可以通過3ds Max制作一個(gè)帶有彎曲效果的弧形面片，效果如圖3所示。

5.3 添加粒子系統(tǒng)

圖2 瀑布材質(zhì)效果Fig.2 Waterfall effect of material

圖3 瀑布背景曲面效果Fig.3 Waterfall background surface effect

粒子系統(tǒng)是由大量隨機(jī)分布的、運(yùn)動(dòng)的、具有生命周期和屬性的粒子聚集在一起模擬水體等模糊物體的總體形態(tài)和動(dòng)態(tài)特征的系統(tǒng)，可以很好的模擬模糊物體的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性等特征，在水體仿真方面相對(duì)其他仿真方式具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，常用來表現(xiàn)浪花、泡沫、瀑布、噴泉等水體[6]。Unity3D中自帶的粒子系統(tǒng)為場(chǎng)景的構(gòu)建提供了良好的平臺(tái)，通過控制發(fā)射模塊、形狀模塊、生命周期模塊、速度模塊、旋轉(zhuǎn)模塊、碰撞模塊等預(yù)設(shè)的粒子模塊，實(shí)現(xiàn)不同的粒子效果。

根據(jù)瀑布材質(zhì)的具體情況，創(chuàng)建粒子系統(tǒng)并將其擺放好位置，由于瀑布材質(zhì)的畫面中已經(jīng)存在瀑布流淌的內(nèi)容，所以只需要少量的粒子來呈現(xiàn)出瀑布的動(dòng)態(tài)效果。

5.4 對(duì)比論證

下面通過對(duì)比方式來證實(shí)替代式建模方式的優(yōu)勢(shì)：第一組采用替代式方式，第二組采用山體材質(zhì)作為瀑布背景，粒子數(shù)量與替代式方式使用粒子數(shù)量相同，第三組采用山體材質(zhì)作為瀑布背景，使用大量粒子以實(shí)現(xiàn)替代式方式的瀑布效果，三組對(duì)比效果如圖4所示。

圖示清晰的說明了帶有瀑布背景的第一組替代式建模方式使用少量的粒子即可達(dá)到良好的瀑布效果，而第二組中使用與第一組相同的粒子數(shù)值，實(shí)現(xiàn)的效果非常微弱，第三組使用的粒子數(shù)量達(dá)到了第一組數(shù)量的十倍，才能達(dá)到相似的效果，因此充分證明了使用替代式建模方式可以大量的減少所需粒子數(shù)值，減少對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源的需求，將大大提高場(chǎng)景運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，增加虛擬系統(tǒng)的流暢性，特別對(duì)于大型的虛擬場(chǎng)景，在確保仿真效果的同時(shí)減少了近十分之九的硬件消耗，這將為仿真系統(tǒng)開辟更大的發(fā)展空間。

圖4 3種建模方式效果及數(shù)值對(duì)比Fig.4 Three kinds of modeling effects comparison

6 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，對(duì)水體仿真真實(shí)性、實(shí)時(shí)性、交互性的要求越來越高，水體仿真也從單一的建模方式朝著多方法融合的方向發(fā)展。本文提出替代式的建模方式，以最簡(jiǎn)化的形式滿足水體仿真對(duì)真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的需求，目的在于為水體仿真的建模方式提供一種新的思路。相信在不久的將來，經(jīng)過廣大研究人員的不懈努力，水體仿真會(huì)得到更好的發(fā)展。

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[5]廖?。S地形及瀑布繪制技術(shù)研究[D]．貴陽：貴州大學(xué)，2009.

[6]Toon Lenaerts，et al．Porous Flow in Particle-based Fluid Simulations[J]．ACM Transactions on Graphics，2008，27（3）:491－498．