基于Unity3D的池火輻射熱虛擬現(xiàn)實研究

程乃偉 杜夢文

摘要：基于Unity引擎實現(xiàn)對池火輻射熱以及消防員所受輻射熱傷害可視化。首先Unity對油池火模擬，再編寫UnityShaderLab的光圈算法，實現(xiàn)輻射熱安全距離可視化，結合RPG游戲架構實現(xiàn)基于Unity引擎的撲救演練嚴肅游戲開發(fā)，該課題對油池火災的撲救演練及消防員輻射熱保護有具有較高的理論及現(xiàn)實研究意義。

關鍵詞：Unity3D；池火熱輻射；Shader光圈算法；虛擬現(xiàn)實

Unity3D引擎由于其對二次開發(fā)友好便捷的支持，使其在娛樂游戲領域獨占鰲頭，尤其是RPG類游戲（角色扮演類游戲），現(xiàn)如今越來越多的嚴肅類游戲與三維仿真[3]也基于它來開發(fā)。油池火災在火災中占較大的比例，強烈的火焰輻射熱是造成油罐間火災蔓延的直接原因或間接原因，造成了許多人員傷亡和財產(chǎn)損失，更給消防官兵在消防救援過程中帶來重重困難，至今油池火的撲救與演練仍是世界性難題。本課題將Unity3D引擎與RPG游戲架構設計和油池火輻射熱有機結合起來作模型研究及虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)。

1基于Unity3D的池火熱輻射虛擬現(xiàn)實

1.1池火熱輻射相關理論

假定某直徑為D儲量L的原油儲罐，遭雷擊引起敞口式油池火災穩(wěn)定燃燒，其的火焰輻射熱，可采用文獻[2]公式計算，目標所受輻射熱，可采用點源模型計算，結合手冊里池火熱輻射人員燒傷半徑和設備設施破壞距離計算標準[1-2]，我們可以計算出具體的輻射熱人員燒傷半徑以及設備破壞距離，見下表。

池火熱輻射人員燒傷半徑和設備設施破壞距離

1.2Unity開發(fā)技術及實現(xiàn)

1.2.1光圈算法

我們利用Unity3D的著色器功能，使用ShaderLab著色語言，調用OpengGL管線渲染，實時繪制一系列光圈，進而對輻射熱半徑（傷害/破壞距離閾值）可視化仿真。光圈的算法的關鍵Shader代碼如下：

uv=（2.0*uv）1.0；

floatBeamWidth=（0.7+0.5*cos（uv.x*10.0*tau*0.15*clamp（floor（5.0+10.0*cos（IGlobalTime）），0.0，10.0）））*abs（1.0/（30.0*uv.y））；

vec3HorBeam=vec3（BeamWidth，BeamWidth，BeamWidth）；

vec4Gl_FragColor=vec4（（（HorBeam）*HorColour），1.0）；

returnGl_FragColor；

式子中：

abs（1.0/（30.0*uv.y）），在shader中，如果color的值為負數(shù)，則認為是0，不顯示該顏色。uv變量中uv.y表示點到原點（也是油池火點源模型中心點）的距離，值的范圍為[0，R]，R=R1、R2、R3；2）uv=（2.0*uv）1.0；先把uv縮小到原來的1/2，然后向外移動1單位。uv.y的值為[1/2，∞]；由于負值color不被顯示；3）1.0/（30.0*uv.y）；縮小到原來的1/30，并做個倒數(shù)；4）abs（1.0/（30.0*uv.y））；然后做個絕對值，效果下文末圖1，背景色和光圈顏色我們可以根據(jù)需要補充代碼繼續(xù)修改。

1.2.2Unity引擎實現(xiàn)

根據(jù)前面根據(jù)需求假定的仿真數(shù)據(jù)，進行模型搭建，主要包括儲罐區(qū)場景模型和消防員人物模型，分別運用3DsMax2017及Maya2014三維建模軟件對仿真單位進行1：1的模型構建，導出.fbx格式文件，再導入Unity3D引擎，然后對場景進行構建，調節(jié)攝像機、燈光等屬性。為起火油罐添加火焰粒子特效，模擬油池火穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生輻射熱，圖2為輻射熱仿真效果圖，紅色區(qū)內表示死亡半徑內，紫色為重傷閾值線，綠色為輕傷閾值線。畫面里的人物為扮演角色消防員，位于輕傷距離內，左上角的綠血條顯示其生命值。

2仿真效果及結束語

本文基于Unity3D的池火輻射熱虛擬現(xiàn)實模型進行研究，以RPG游戲架構開發(fā)了消防員視角下對池火撲救時所受輻射熱的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；提供了油池火輻射熱的虛擬現(xiàn)實模型的基本思路，可用于安全距離下油池火撲救虛擬演練，使撲救演練與虛擬現(xiàn)實技術結合，為傳統(tǒng)的油池火安全距離理論和數(shù)值模擬發(fā)展到三維模擬提供了理論及應用層的參考，也可以對撲救戰(zhàn)術演練提供評估指標。

參考文獻：

[1]李麗霞，張禮敬，孟亦飛，等.池火災熱輻射下的最小安全距離.中國安全科學學報，2004.14（03）.

[2]莊磊，陳國慶，孫志友，等.大型油罐火災的熱輻射危害特性.中國安全科學學報，2008，08（04）.

[3]Computergameenginesfordevelopingfirstperson.virtualenvironments.DavidTrenholmeandShamusP.Smith.VirtualReality，2012（12）：181187.

作者簡介：杜夢文，男，沈陽航空航天大學研究生院，碩士，研究方向：信息化安全技術。