基于Unity3D的核设施厂区三维漫游与仿真系统设计*

阮　锐，赵立宏，邓　骞，张　凯

(南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001)



基于Unity3D的核设施厂区三维漫游与仿真系统设计*

阮锐，赵立宏，邓骞，张凯

(南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001)

摘要：核设施厂房内部情况复杂、辐射严重，不利于人员作业及维护、退役处理。基于Unity3D平台的仿真，设计一套能对厂房进行可视化管理的系统。通过PDMS对三维激光扫描仪获取的核设施厂房内部点云数据进行三维模型重建；然后将建立的三维模型导入至Unity项目工程以实现核设施厂区场景创建，最后为对象添加相关组件、对场景进行特效渲染以实现漫游及仿真功能。对创建好的场景效果进行验证，结果显示：场景漫游效果及对象物理属性、碰撞检测逼真，达到了设计要求。

关键词:Unity3D漫游仿真特效渲染

0引言

在核设施厂区内，由于部分厂区多年未有人员进入，内部管线林立，情况复杂且有较强辐射。为降低调查工作人员所受辐照剂量，有必要建立一套系统以便于对厂区环境进行三维漫游及可视化交互[1]。巴西Instituto de Engenharia Nuclear基于UnrealEngine2游戏引擎开发了模拟工作人员所受辐照累计剂量的虚拟平台，应用在Argonauta Research Reactor上[2]。中国科学院核能安全技术研究所(FDS团队)基于数字反应堆和辐射虚拟人两类创新技术开发了核与辐射安全仿真系统RVIS，应用到国际热核聚变实验堆ITER上[3]。

Unity编辑器可调整场景地形、灯光、材质和物理等参数，且内建了—个地形编辑器，可用于地形创建和编辑。Unity支持3种脚本语言：C#、Javascript和Boo，用户可以通过编写脚本附加到对象上以实现各种功能。Unity内置一个强大的光照贴图烘焙工具Beast及NVIDIA的PhysX物理引擎[4]。通过Unity3D平台可以最逼真地还原核设施厂区地形、厂房及厂房内设施、管道分布情况及对厂区进行漫游与仿真。

1系统总体方案设计

图1　系统总体设计框图

图1为系统总体设计框图。系统设计主要分为：第一步，新建一个项目工程，将Unity引擎自带的资源包全部导入项目工程。第二步，利用地形编辑器创建一个地形，然后绘制地表材质纹理，最后为地形添加草和灌木。第三步，将使用PDMS重建的核设施场区的三维模型导入到地形上，然后利用工具栏中的工具对每个对象进行摆放且添加相应组件及材质纹理。第四步，对创建好的场景添加特效渲染，创建光源、添加天空盒并编写脚本附加到摄像机上。第五步，进行三维漫游与虚拟仿真。

2核设施厂区场景创建

2.1厂区地形创建

打开Unity3D软件，新建一个项目工程，在弹出的Unity-Project Wizard对话框中选择Create New Project选项卡，将其下列资源包全选，点击Create。最终将Unity自带的资源包全部导入项目工程。

利用笔刷绘制出地形的起伏，然后为地表添加资源库中的地表材质纹理，最后使用Paint Details工具连续种植草和灌木[5]。图2为Scene视图中生成的地形。

图2　厂区地形图

2.2核设施厂房场景创建

图3　PDMS三维模型重建

首先，利用三维激光扫描仪获取核设施的点云数据，然后，利用PDMS将获取的数据重建三维模型[6]，最后，将核设施厂区的三维模型导入项目工程，利用工具栏里的工具对设施对象进行布局，将其合理分配在地形上。然后根据对象的不同绘制出不同的材质纹理，并添加相应组件以赋予其不同的属性。利用PDMS重建的某设施三维模型，如图3所示。

将核设施三维模型导入Unity场景后，在Scene视图中生成的侧视图和俯瞰图场景，如图4和图5所示。

图4　核设施厂区场景侧视图

图5　核设施厂区场景俯瞰图

2.3核设施厂房场景特效渲染

场景特效渲染的目的是使场景环境更加逼真并赋予其场景三维漫游与仿真的功能[7]。在本设计中主要体现为：①为场景创建光源，使其更加清晰；②为场景添加天空盒；③编写脚本附加至主摄像机上并对其属性、参数进行设定。图6为对场景创建光源和添加天空盒后效果图。

图6　核设施厂区场景最终效果图

然后对场景进行属性、参数设定。在场景中新建一个胶囊体，命名为Main Character Controller；选中胶囊体，并为其附加刚体组件；编写Mouselook脚本并附加到胶囊体上。在其Inspector视图中的Mouse look(Script)卷展栏中的Axes选项卡选择MouseX项，再度编写FPSWalker脚本附加到胶囊体上[8]。修改其各项属性、参数，Main Character Controller的最终Inspect视图面板，如图7所示。

最后对主摄像机进行设定。在Hierarchy视图中依次选定Main Character Controller与Main Camera，然后对选中对象创建父子关系，其中Main Camera为子对象。编写Mouselook脚本并附加到Main Camera上。在其Inspector视图中的Mouse look(Script)卷展栏中的Axes选项卡选择MouseY项，修改其各项属性、参数。Main Camera的最终Inspector视图面板，如图8所示。

图7　Main Character图8　Main CameraController属性面板属性面板

3核设施厂区场景漫游

场景漫游功能是通过键盘和鼠标控制实现的，可让用户在场景中前后左右移动，同时还可实现行走、跳跃等行为[9]。2.3节中已为Main Character Controller与Main Camera对象添加FPSWalker和Mouselook脚本。FPSWalker行走控制脚本主要实现摄像机随键盘的方向键前后左右移动。而Mouselook旋转控制脚本可实现摄像机上下左右旋转[10-11]。这样使得用户可方便快捷的对场景进行漫游，利于对厂区环境进行监测。最后对系统进行调试，单击工具栏中的播放按钮后自动进入Game视图，通过对场景漫游可以发现，场景画面真实，碰撞效果明显，交互性十分良好。适合核设施作业人员对厂区环境进行观察。用户体验的场景漫游效果，如图9所示。

图9　场景漫游效果图

4结论

本文基于Unity3D软件建立了一个可视化管理系统。实现了对核设施厂区场景的还原，得到了真实、清晰的画面，对厂区场景进行漫游时发现，用户可以很好的对厂区进行观测与管理。设计过程中发现系统存在不足之处在于：①系统对数据依赖度高，而早期核设施很多工程资料不完整，通过扫描仪获取对象三维数据时容易受到辐射干扰，需对数据进行去噪处理，否则会使三维模型失真。②系统建立过程中，多种格式数据进行交互，开发过程中需将各类软件统一起来，保证各种输出格式文件能与下一环节无缝对接。

本系统可成为核设施退役工程有力的辅助工具，可为退役实施方案的确定、工艺规划及优化、施工关键点分析及人员培训等提供支持平台。同时还可模拟拆除演示、工厂图纸自动生成等。

参考文献

[1]王润生. 基于GIS的矿山可视化管理系统 ——地面部分可视化管理系统[D]. 河北理工学院，2002.

[2]Mol, A.C.A., Aghina, M.A.C., Jorge, C.A.F., Couto, P.M.Virtual simulations of nuclear plants for dose assessment with on-line measurements collected by networked radiation monitors[J].Computational Science and Engineering Workshops，2008.

The design of 3D wandering and simulation system of nuclear facilities based on Unity3D

RUAN Rui，ZHAO Lihong，DENG Qian，ZHANG Kai

Abstract:The internal environment of nuclear facilities plant is complex and full of health-damaging radiation, so it is hard to carry out such work as operating, maintenance and decommissioning. This article is to develop a visual management system based on Unity3D. The point cloud data of the nuclear facilities are obtained with a 3D laser scanner, then a 3D model of the data is established by PDMS. The model is imported into Unity in order to create the nuclear facility scene. At last, we add some components and effects rendering to develop a wandering and simulation system. The verification of the scene shows that the wandering effect, physical properties, as well as collision detection are fairly authentic. We can conclude that it meets the design requirements.

Keywords:Unity3D；wandering；simulation；effects rendering

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0040-04