基于虚拟现实技术的水体虚拟仿真替代式建模方法研究

王晓丹，王忠芝

（北京林业大学 北京 100083）

水体是现实生活中常见的自然景象，对水体的仿真研究在景观仿真、网络游戏、影视特效、水利工程等多个领域都具有重要的理论意义和实用价值。由于水体的形状不规则和随机易变等特性，使水体仿真成为仿真流域中的一个研究难点和热点，同时也激起了无数研究者的兴趣，通过参数建模和物理方法等多种途径对水体进行模拟。但受计算机硬件设备的限制，水体仿真在真实性和实时性之间依旧存在矛盾，鱼和熊掌不可兼得，这就需要在真实性和实时性之间找到一个平衡点。

1 虚拟现实

虚拟现实技术是由计算机生成一种由三维数字模型构成的现实中存在或不存在的场景模型，并导入到虚拟现实软件中，生成一种可全角度观看的、以视觉为主、听觉触觉为辅的虚拟环境，使人产生一种心理上的真实感，并且可以通过自然的方式直接作用于这个虚拟环境中的所有物体，给人一种沉浸式的感受[1]。

虚拟现实技术的实时三维空间表现功能、人机交互功能，为人们提供了一个可以随时随地进行体验和模拟训练的平台，首先在军事和航天领域的模拟培训中起到举足轻重的作用。近年来，随着虚拟现实技术的不断完善和计算机技术的突飞猛进，人们越来越意识到虚拟现实技术的重要性，并且在许多行业都得到了运用，显示出广阔的发展前景。

水体仿真是虚拟现实技术的一个重要研发方向。在虚拟现实场景中，为了增加场景的丰富度和真实感，往往需要添加大量的自然景观。水体作为自然景观的一种，它的灵动性可以大大提高虚拟场景的画面感。水体的灵动性是其成为虚拟现实研发方向的原因，同时也是其研发的重点和难点。水体有江、河、湖、海、喷泉、瀑布等形式，这些景观都具有流动、多变、不规则和复杂的特点，在现实生活中较为常见，但是要用计算机来模拟它们并达到逼真的效果却非常难，因此水体仿真成为虚拟现实技术研发方向的一个重点和难点。

2 水体仿真应用领域

水体仿真的应用领域可以大致分为4类：影视特效、三维游戏、可视化仿真、虚拟现实[2]。水体仿真技术在影视中用来表现海啸、洪水等具有破坏性和危险性的灾难场面以及打造虚幻场景等，不仅确保了演员的人身安全、节省了大量拍摄费用和时间，而且可以为影视剧提供具有高度真实感的画面，例如电影《指环王》中树精抵抗洪水的镜头。三维游戏以趋于真实的场景吸引玩家，如《极品飞车》中的水体仿真效果，水体仿真技术在三维游戏中的运用带给玩家身临其境的感觉，使游戏更有趣味性。水体仿真在可视化仿真中用来将水利行业中科学计算得到的数据结果以模型的形式表现出来，例如洪水实时动态仿真、海浪风暴预报仿真等，可交互操控的动态仿真效果取代了呆板的二维表现形式。虚拟现实中水体仿真主要表现在虚拟旅游、景观再现、军事仿真训练等方面，实时互动的水体仿真效果增强了虚拟环境的真实感和互动性，使虚拟现实得到更进一步的发展。

3 水体仿真特性

水体仿真的应用领域对仿真效果的需求使水体仿真具有3个方面的特性：真实性、实时性和互动性[3]。真实性不仅指在形态上相似，在物体特征方面也要具有真实感，目前主要采用粒子系统和流体动力学等方式表现水体的形态，用环境贴图和光线跟踪等渲染技术实现水体对光的折射、反射和焦散等效果。实时性方面采用GPU硬件加速和LOD等技术提高渲染速度，确保水体仿真的实时性。互动性指水体与其他物体之间交互的动态效果，如船航行时激起的浪花、洪水冲击建筑物等。真实性和实时性是水体仿真研发不断追求的目标，但是这两种特性对计算机硬件的要求非常高，在追求高实时性效果时往往以牺牲真实性为代价。

4 水体仿真建模方法

水体仿真建模方法受控于计算机软硬件的发展，早期一般采用纹理贴图和参数建模实现仿真效果，GPU技术的发展使得粒子系统、流体动力学等方法得到运用，水体仿真效果的真实性、实时性和互动性也逐渐增强[4]。目前常见的水体仿真表现方法有纹理贴图、曲面参数、粒子系统、流体动力学和波形函数等方式[5]。随着水体仿真要求的不断提升，建模方法趋向多种方法融合，取长补短综合处理，以实现更好的水体仿真效果。

5 瀑布仿真替代式建模方式制作流程

本文以虚拟现实环境中的瀑布景观为水体仿真实验对象，以虚拟现实软件Unity3D作为场景搭建平台，以替代式建模方法作为构建瀑布场景的主要方式，即用简单模型结合纹理贴图、粒子效果等形式替代复杂模型，在确保仿真效果的同时将复杂模型用最简化的方式表现出来。并通过仿真效果的综合对比，证实替代式建模方式的可行性和优越性。

替代式的建模方式在瀑布仿真中的应用主要表现在以材质的形式结合粒子系统共同表现瀑布奔腾而下的效果。水在快速流动与岩石撞击下会呈现出白色，如果单纯的用粒子系统来表现需要庞大的粒子数量，替代式建模将瀑布图片当作瀑布场景的背景，用少量粒子来营造运动效果，这样不仅营造出了宏伟的瀑布效果，而且节省了硬件资源的消耗，使场景更具实时性。

5.1 用于瀑布仿真试验的计算机软硬件参数和软件平台

计算机软硬件参数：

处理器：Pentium（R）Dual-Core 2.5GHz

显卡：GT 220M

内存：2GB

硬盘：100GB

操作系统：Windows XP

软件平台：

虚拟现实软件：Unity3D 4.0.0b8

辅助建模软件：3ds Max

5.2 瀑布模型搭建

本文选用一个形态复杂的瀑布景点作为仿真研究对象，瀑布仿真的原型如图1所示。

图1 瀑布仿真原型资料Fig.1 Waterfall simulation prototype data

根据上图所示，如果将该景点中的景物采用常见的三维建模方式表现出来，需要大量的模型编辑时间并且搭建出的场景至少需要上万个面。模型越精细，面数相对越多，场景运行需要占用的硬件资源越多，场景的运行速度就会受到影响。本文采用替代式的建模方式，用简单的面片替代景物模型，在确保仿真效果的同时减少对计算机硬件的占用。

将仿真对象原始资料处理为可以直接利用的瀑布模型材质，具体操作如下：使用图片编辑团建将天空部分去除，将图片垂直复制并放置在下方，添加模糊效果以模拟水的倒影，具体效果如图2所示。

在Unity3D中创建一个平面，将处理过的瀑布原型材质赋予平面。如仿真场景的瀑布不处于同一水平线上，可以通过3ds Max制作一个带有弯曲效果的弧形面片，效果如图3所示。

5.3 添加粒子系统

图2 瀑布材质效果Fig.2 Waterfall effect of material

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

粒子系统是由大量随机分布的、运动的、具有生命周期和属性的粒子聚集在一起模拟水体等模糊物体的总体形态和动态特征的系统，可以很好的模拟模糊物体的随机性和动态性等特征，在水体仿真方面相对其他仿真方式具有无法比拟的优势，常用来表现浪花、泡沫、瀑布、喷泉等水体[6]。Unity3D中自带的粒子系统为场景的构建提供了良好的平台，通过控制发射模块、形状模块、生命周期模块、速度模块、旋转模块、碰撞模块等预设的粒子模块，实现不同的粒子效果。

根据瀑布材质的具体情况，创建粒子系统并将其摆放好位置，由于瀑布材质的画面中已经存在瀑布流淌的内容，所以只需要少量的粒子来呈现出瀑布的动态效果。

5.4 对比论证

下面通过对比方式来证实替代式建模方式的优势：第一组采用替代式方式，第二组采用山体材质作为瀑布背景，粒子数量与替代式方式使用粒子数量相同，第三组采用山体材质作为瀑布背景，使用大量粒子以实现替代式方式的瀑布效果，三组对比效果如图4所示。

图示清晰的说明了带有瀑布背景的第一组替代式建模方式使用少量的粒子即可达到良好的瀑布效果，而第二组中使用与第一组相同的粒子数值，实现的效果非常微弱，第三组使用的粒子数量达到了第一组数量的十倍，才能达到相似的效果，因此充分证明了使用替代式建模方式可以大量的减少所需粒子数值，减少对计算机硬件资源的需求，将大大提高场景运行的实时性，增加虚拟系统的流畅性，特别对于大型的虚拟场景，在确保仿真效果的同时减少了近十分之九的硬件消耗，这将为仿真系统开辟更大的发展空间。

图4 3种建模方式效果及数值对比Fig.4 Three kinds of modeling effects comparison

6 结束语

随着计算机软硬件的发展，对水体仿真真实性、实时性、交互性的要求越来越高，水体仿真也从单一的建模方式朝着多方法融合的方向发展。本文提出替代式的建模方式，以最简化的形式满足水体仿真对真实性和实时性的需求，目的在于为水体仿真的建模方式提供一种新的思路。相信在不久的将来，经过广大研究人员的不懈努力，水体仿真会得到更好的发展。

[1]徐庚保，曾莲芝．虚拟仿真[J]．计算机仿真，2012，29（5）:1-5.XUGeng-bao，ZENGLian-zhi.Virtual simulation[J].Computer Simulation，2012，29（5）:1-5.

[2]方贵盛．水体虚拟仿真与应用综述[J]．计算机仿真，2012，29（10）:30-33.FANG Gui-sheng.Water virtual simulation and application summarize[J].Computer Simulation， 2012，29（10）:30-33.

[3]Emmanuelle Darles，et al．A Survey of Ocean Simulation and rendering techniques in computer graphics[J]．Computer Graphics Forum，2011，30（1）:43－60．

[4]张亚旭．虚拟环境中瀑布的实时绘制方法研究 [D].济南：山东大学，2007．

[5]廖健．三维地形及瀑布绘制技术研究[D]．贵阳：贵州大学，2009.

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