基于Unity3D 的爆炸破片粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉慧*，王廣軍，陶健林，蘇本躍

（1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，安徽安慶，246000；2.安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽安慶，246000）

基于Unity3D 的爆炸破片粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉慧1*，王廣軍2，陶健林1，蘇本躍2

（1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，安徽安慶，246000；2.安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽安慶，246000）

飛彈彈丸在預(yù)制引爆后，彈殼在高能炸藥的作用下炸裂形成大量高速破片飛向四周，構(gòu)成具有強(qiáng)大破壞力的爆炸破片作用場(chǎng)。爆炸破片的質(zhì)量、速度、數(shù)量等參數(shù)具有相應(yīng)的飛散特征。本文在爆炸破片相關(guān)屬性得出的經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)之上，采用Unity3D引擎模擬飛彈彈丸的爆炸效果，利用粒子系統(tǒng)模擬爆炸破片的飛散，并通過(guò)參數(shù)交互控制粒子屬性，模擬爆炸破片粒子飛散特性。

爆炸破片；經(jīng)驗(yàn)公式；Unity3D；粒子系統(tǒng)

引言

計(jì)算機(jī)仿真動(dòng)畫(huà)是一門綜合性技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互等多種學(xué)科技術(shù)，在工業(yè)、娛樂(lè)、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。新式武器裝備的設(shè)計(jì)論證、研制、生產(chǎn)和使用維護(hù)等過(guò)程可以適當(dāng)通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。其中，爆炸過(guò)程是武器系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，逼真有效的爆炸過(guò)程模擬不僅可以有效的提高虛擬場(chǎng)景的逼真性，同時(shí)也有利于武器的測(cè)試和開(kāi)發(fā)[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在爆炸過(guò)程仿真方面取得了很好的進(jìn)展。陳長(zhǎng)波[2]等通過(guò)物理運(yùn)動(dòng)方法對(duì)爆炸物理過(guò)程進(jìn)行精確描述，取得非常逼真的效果，但由于計(jì)算過(guò)程較多，難以滿足仿真動(dòng)畫(huà)的實(shí)時(shí)性需求；Jason Sewall[3]等通過(guò)對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，但快速的方法渲染一幀仍需要幾秒鐘，難以滿足虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。華澤璽[4]等首先對(duì)爆炸運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，把隨機(jī)擾動(dòng)速度集合離子發(fā)射速度，構(gòu)成爆炸破片粒子數(shù)學(xué)模型，視覺(jué)效果較好。

爆炸過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，飛彈破裂具有不規(guī)則的幾何外形，內(nèi)在變化具有不確定性，同時(shí)外觀也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生不確定的變化。這種現(xiàn)象不同于一般的靜態(tài)景物，整個(gè)過(guò)程包含產(chǎn)生、發(fā)展變化和消失等過(guò)程。因此，多邊形或曲面等幾何建模無(wú)法用來(lái)構(gòu)造這種現(xiàn)象。根據(jù)這種現(xiàn)象所表現(xiàn)的特性，可以較好利用粒子系統(tǒng)來(lái)模擬。粒子系統(tǒng)由Reeves[5]首次提出，并實(shí)現(xiàn)了這類自然景觀的有效模擬。粒子系統(tǒng)通過(guò)對(duì)基本粒子的形狀、數(shù)量、速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置來(lái)描述動(dòng)態(tài)景物的特征，本系統(tǒng)可以根據(jù)粒子的產(chǎn)生、變化和消滅來(lái)描述飛彈爆炸破片的不規(guī)則變化，模擬爆炸的過(guò)程。

針對(duì)爆炸破片殺傷型武器的計(jì)算機(jī)仿真動(dòng)畫(huà)，需要對(duì)爆炸破片有較高的精度要求，同時(shí)考慮實(shí)時(shí)性的需求。基于此，本文首先建立爆炸破片數(shù)學(xué)模型，采用粒子系統(tǒng)，設(shè)置粒子屬性，使其符合爆炸破片飛散特性，使用Unity3D引擎為開(kāi)發(fā)工具，重點(diǎn)對(duì)該工具中粒子系統(tǒng)屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬參數(shù)可控的武器爆炸破片過(guò)程。

1 爆炸破片粒子的數(shù)學(xué)模型

1.1 爆炸破片的產(chǎn)生

爆炸破片的產(chǎn)生是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。本文定義飛彈來(lái)表示在飛行中引爆的各型榴彈、導(dǎo)彈等。飛彈的戰(zhàn)斗部主要兩部分構(gòu)成，一是一定厚度的金屬殼體，也即爆炸破片粒子的原形，二是高能炸藥，提供爆炸破片的主要能量。高能炸藥通過(guò)引爆裝置引爆后，產(chǎn)生沖擊波和多種爆轟產(chǎn)物。飛彈殼體在這些高壓作用下劇烈變化，迅速膨脹變形、破裂直至破碎，形成大量的爆炸破片。爆轟產(chǎn)物和沖擊波逸出，加速爆炸破片，直至速度低于爆炸破片速度。爆轟產(chǎn)物和沖擊波會(huì)迅速衰減，但爆炸破片得到加速后快速飛出，且速度衰減較慢，構(gòu)成強(qiáng)大的爆炸破片作用場(chǎng)。

簡(jiǎn)而言之，破片在爆炸后由于爆炸力產(chǎn)生較高的動(dòng)能，從彈軸向外飛散。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)分析，獲得破片飛散特性[6][7]如下。

1.2 爆炸破片空間分布規(guī)律

爆炸破片群的飛散方向具有明顯的飛散規(guī)律性，構(gòu)成空間分布特性即為破片空間分布規(guī)律。常規(guī)的飛彈彈丸具有軸對(duì)稱性，爆炸破片的密度一般在彈軸平面上即飛彈彈軸截面呈現(xiàn)出圓對(duì)稱均勻分布。而爆炸破片在飛彈矢狀面的分布一般是不均勻的。在彈丸的前后方近似看成飛散區(qū)邊緣，飛散的爆炸破片較少，不到總數(shù)的10%，破片的分布的密度最??；大部分爆炸破片分布在彈丸的側(cè)面，破片的密度最大，約占爆炸破片總數(shù)90%以上，構(gòu)成了飛散錐。通常用函數(shù) f(?) 來(lái)表示爆炸破片的空間分布，彈軸與飛散方向的夾角由表示，即飛散方位角。f(?)公式如下：

式中，方位角旋成的圓錐范圍內(nèi)爆炸破片數(shù)目為N 表示。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)表明，爆炸破片群在飛散區(qū)的分布近似服從正態(tài)分布，因此也可以采用正態(tài)分布函數(shù)來(lái)表示，稱破片飛散密度分布函數(shù)，來(lái)描述爆炸破片的飛散特性：

1.3 爆炸破片數(shù)量貨量規(guī)律

爆炸破片質(zhì)量分布規(guī)律即爆炸破片的不同質(zhì)量區(qū)間的數(shù)量分布情況。飛彈爆炸后，彈丸戰(zhàn)斗部殼體破裂成大小不均的破片群，使用統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以求得其數(shù)目及質(zhì)量分布通。這些統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以通過(guò)各種不同的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，Mott公式是其中最常用的。根據(jù)Mott公式，破片粒子總數(shù)目為：

1.4 爆炸破片初速

根據(jù)前述的爆炸產(chǎn)生過(guò)程可知，爆炸破片在沖擊波和爆轟產(chǎn)物的作用下在較短的距離下達(dá)到最大飛行速度，則爆炸破片的初速即為這最大飛行速度。

計(jì)算爆炸破片初速是非常復(fù)雜的問(wèn)題，涉及多種因素，也會(huì)根據(jù)飛彈的幾何形狀有所不同。本文主要對(duì)圓柱形殼體飛彈進(jìn)行模擬，因此計(jì)算破片的平均初速可以采用格尼（Gurney）公式作為主要依據(jù)，這是計(jì)算方法較為簡(jiǎn)單，具體公式如下：

其中，v0為破片初速；為格尼常數(shù)，決定于炸藥性能的Gurney常數(shù)；C/ M為炸藥和彈殼的質(zhì)量比。

1.5 爆炸破片存速

飛彈炸藥爆轟產(chǎn)物給予爆炸破片粒子初始速度。爆炸破片在空氣之類的流體介質(zhì)中飛行時(shí)，將受到多種阻力作用，主要為重力和空氣阻力。重力使爆炸破片的飛行軌跡發(fā)生彎曲。而空氣阻力造成破片會(huì)造成速度的衰減。設(shè)定某瞬時(shí)爆炸破片迎風(fēng)面積平均為，則：

令vx為爆炸破片飛行距離x米時(shí)飛行存速，為空氣氣體密度。vx存速可表示為：

式中，爆炸破片阻力系數(shù)定義為CD，由爆炸破片形狀和速度決定；為重力加速度；mp為爆炸破片質(zhì)量；設(shè)和其中H決定于爆炸破片形狀，通常稱為符合系數(shù)，進(jìn)而可以得到：

2 爆炸破片粒子系統(tǒng)

2.1 粒子系統(tǒng)的原理

粒子系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)一系列粒子元素作為基本元素，模擬不規(guī)則現(xiàn)象的基本單元，并賦予這些粒子形狀、大小、速度等特征屬性，來(lái)模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而很好的模擬這些現(xiàn)象。自然界中這些模糊景物如火焰、風(fēng)沙、雨雪等現(xiàn)象存在幾何形狀、分布狀態(tài)復(fù)雜多變，難以用常規(guī)的幾何建模進(jìn)行模擬，因此主要采用粒子系統(tǒng)方法進(jìn)行模擬[8-9]。

利用粒子系統(tǒng)可以較好描述爆炸破片粒子等現(xiàn)象。為了更好的通過(guò)粒子系統(tǒng)模擬這些現(xiàn)象，首先對(duì)所要模擬的這些現(xiàn)象的基本特性進(jìn)行分析，包括這些元素的動(dòng)態(tài)屬性和靜態(tài)屬性；然后要繪制出這些粒子并展現(xiàn)相應(yīng)的變化。具體步驟如下：

（1）在破片粒子的產(chǎn)生。爆炸過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化爆炸過(guò)程，不進(jìn)行飛彈形變的過(guò)程的模擬，直接定義爆炸破片粒子在爆炸后初始幀產(chǎn)生，在賦予相應(yīng)的參數(shù)屬性后，在隨后的幀序列中展現(xiàn)破片粒子隨幀即時(shí)間變化，不再產(chǎn)生新的破片粒子。

（2）賦予破片粒子屬性。破片飛散過(guò)程中，涉及多種粒子屬性，包括粒子群的數(shù)量、大小、全局速度、局部速度、生命周期等一系列屬性，本文在分析真實(shí)爆炸破片的屬性后對(duì)應(yīng)對(duì)粒子系統(tǒng)的粒子屬性進(jìn)行相應(yīng)賦值。

（3）通過(guò)設(shè)定條件使得粒子消亡?？梢栽O(shè)定較長(zhǎng)時(shí)間的粒子生存時(shí)間，也可以根據(jù)目標(biāo)物進(jìn)行不同的反應(yīng)。

2.2 Unity3D粒子系統(tǒng)介紹

Unity3D是一款目前較為流行的專業(yè)游戲引擎[10]，廣泛應(yīng)有于游戲開(kāi)發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)等交互系統(tǒng)，并可以發(fā)布到Windows、安卓、IOS、Web等多種主流平臺(tái)。Unity3D內(nèi)嵌Shuriken粒子系統(tǒng)和舊版粒子系統(tǒng)（Legacy Particles），舊版粒子系統(tǒng)是Unity 3.5以前的版本提供的粒子系統(tǒng)，包括粒子發(fā)射器（橢球粒子發(fā)射器（Ellipsoid Particle Emitter）、網(wǎng)格粒子發(fā)射器（Mesh Particle Emitter）、粒子動(dòng)畫(huà)器（Particle Animator和World Particle Collider）和粒子渲染器（Particle Renderer）三個(gè)獨(dú)立的部分組成。如圖1所示，可以方便的調(diào)整參數(shù)模擬各種粒子現(xiàn)象。

圖1 Unity3D粒子系統(tǒng)參數(shù)面板

Unity3D粒子系統(tǒng)對(duì)粒子現(xiàn)象進(jìn)行模擬通過(guò)對(duì)上述面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置之外，也可以通過(guò)腳本對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了準(zhǔn)確模擬爆炸破片現(xiàn)象，需要通過(guò)編輯腳本結(jié)合破片粒子特性的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行控制模擬[11][12]。舊版粒子系統(tǒng)可以較為方便的對(duì)粒子參數(shù)進(jìn)行控制，因此，本系統(tǒng)采用舊版粒子系統(tǒng)進(jìn)行爆炸破片粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 爆炸效果的仿真算法及繪制

2.3.1 破片粒子初始位置

破片粒子在飛彈爆炸時(shí)產(chǎn)生并向外飛射，系統(tǒng)不考慮飛彈的具體破裂過(guò)程，忽略飛彈戰(zhàn)斗部的形狀變化，因此定義破片粒子瞬間產(chǎn)生，破片粒子的初始位置即為以飛彈爆炸中心軸點(diǎn)橢球范圍中?？梢栽O(shè)置橢圓粒子發(fā)射器的大小范圍模擬飛彈大小。

2.3.2 破片粒子分布及速度

飛彈戰(zhàn)斗部爆炸的空間分布首先有飛彈彈軸決定的，在彈軸截面形成均勻分布，在飛彈矢狀面形成正態(tài)分布。為了實(shí)現(xiàn)破片粒子這些分布特性，需要設(shè)定爆炸破片粒子系統(tǒng)發(fā)射器產(chǎn)生粒子的初始方向和大小。

2.3.3 破片粒子的繪制及消亡

爆炸破片的形狀不規(guī)則，具有隨機(jī)性，因此，系統(tǒng)粒子大小可以設(shè)定最大最小值，具體的破片大小在最大最小值之間隨即產(chǎn)生。粒子系統(tǒng)中的每個(gè)粒子都是有二維貼圖結(jié)合公告牌技術(shù)，因此可以設(shè)置粒子貼圖材質(zhì)，滿足爆炸破片粒子的顯示需求。

粒子系統(tǒng)的粒子生命周期也是重要參數(shù)，當(dāng)粒子產(chǎn)生后達(dá)到生命周期時(shí)即消亡。破片是主體為固態(tài)實(shí)物，忽略破裂之后的損燒，定義粒子生命周期較長(zhǎng)，可根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)定，并可以判斷粒子發(fā)生碰撞的目標(biāo)物的，并根據(jù)不同目標(biāo)物做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.3.4 破片粒子仿真約定和參數(shù)設(shè)定

爆炸破片粒子系統(tǒng)需要根據(jù)參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)交互實(shí)驗(yàn)，因此，需要設(shè)定常用參數(shù)，并根據(jù)上述的破片粒子飛散特性進(jìn)行計(jì)算。具體如下：

3）飛彈的飛行方向和速度將繼承到破片粒子系統(tǒng)，因此設(shè)定飛彈的飛行速度將繼承到破片粒子的全局速度World Velocity。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

爆炸效應(yīng)包含多種粒子現(xiàn)象，本系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)火焰、破片與煙霧三種爆炸現(xiàn)象。本文主要對(duì)破片粒子進(jìn)行研究，本系統(tǒng)采用Unity3D v4.6結(jié)合舊版粒子系統(tǒng)進(jìn)行爆炸破片粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)必要的仿真環(huán)節(jié)和虛擬環(huán)境。設(shè)計(jì)飛彈模型并設(shè)置多視角。爆炸效果采用火焰、煙霧和爆炸破片三套粒子系統(tǒng)進(jìn)行模擬，建立預(yù)制體分別存儲(chǔ)，當(dāng)按下鍵盤F鍵，銷毀飛彈并在銷毀位置產(chǎn)生爆炸效果，即實(shí)例化三套粒子系統(tǒng)預(yù)制體。程序控制由 ShellControl.cs腳本完成，綁定在主攝像機(jī)上，爆炸破片粒子系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行定義和計(jì)算，并通過(guò)組件面板進(jìn)行設(shè)置，如圖2所示。

圖2 爆炸破片參數(shù)設(shè)置

通過(guò)參數(shù)設(shè)定，發(fā)布并運(yùn)行程序。圖3顯示飛彈飛行效果，圖4顯示按下鍵盤F鍵后產(chǎn)生的爆炸效果，圖5顯示只有破片粒子時(shí)爆炸效果。

圖3 飛彈飛行效果

圖4 常規(guī)爆炸效果

圖5 爆炸破片效果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)預(yù)制引爆飛彈爆炸產(chǎn)生的破片飛散特性進(jìn)行分析，采用粒子系統(tǒng)，對(duì)粒子屬性進(jìn)行設(shè)置，使其滿足爆炸破片飛散特性，結(jié)合Unity3D引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛彈爆炸的破片粒子過(guò)程的模擬。

由于本文旨在研究彈丸破片的仿真，所以其它部分如飛彈的飛行過(guò)程、毀傷目標(biāo)過(guò)程和聲音特效等不在此做詳細(xì)說(shuō)明，文中也只把關(guān)鍵參數(shù)作了說(shuō)明。另外，本文是在理想狀態(tài)下進(jìn)行，沒(méi)有考慮到風(fēng)速等作用，采用的數(shù)據(jù)也做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。

未來(lái)將進(jìn)一步完善本系統(tǒng)，一方面完善爆炸粒子系統(tǒng)的表現(xiàn)效果和增加參數(shù)控制，另一方面可以分析爆炸破片粒子分布特性統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證和目標(biāo)物毀傷效果評(píng)價(jià)。

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The Design and Implementation of The Exploded Particle System Based on Unity3D

CHEN Xiaohui1*,WANG Guangjun2,TAO Jianlin1,SU Benyue2
(1.Department of Electronic Information,Anqing Vocational & Technical College,Anhui Anqing,246000,China 2.School of Computer and Information,Anqing Normal University,Anhui Anqing,246000,China)

After the bomb explosion,the missile broke into a large number of high speed fragments. The number,the quality,the speed and the other attributes of the fragment have the corresponding scattering characteristics. Through the analysis of the scattering characteristics of explosion fragments,the relevant empirical formulas have been summed up. Through these formulas,firstly,The Unity3D have been used to simulate the effects of missile projectiles; Secondly,the particle system is used to show the scattered fragments; Finally,the characteristics of the explosive fragments by controlling the particle properties of the fragments have been simulated.

Explosion Fragments; Empirical formulas; Unity3D; Particle system

TP391.9

A

1672-9129(2017)06-0001-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.001

陳曉慧,王廣軍,陶健林,等. 基于Unity3D的爆炸破片粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(6)： 1-3.

Cite：CHEN Xiaohui,WANG Guangjun,TAO Jianlin,et al. The Design and Implementation of The Exploded Particle System Based on Unity3D[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 1-3.

2017-01-23；

2017-03-05。

國(guó)家科技支撐課題（2014BAH13F02），安慶師范學(xué)院校青年基金（KJ201401）。

陳曉慧，碩士，助教，安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系。

Email：910800546@qq.com