基于Unity 3D的虛擬煙花排演系統(tǒng)

杜紅燕 田興彥 宋露 符海威

摘要：煙花表演是中國傳統(tǒng)民俗文化，但因環(huán)境污染和安全隱患因素，煙花表演受到了嚴(yán)格的限制。近年虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速興起，開始逐漸用于設(shè)計、娛樂、科學(xué)研究等多個領(lǐng)域。本文重點研究運用虛擬現(xiàn)實中的粒子系統(tǒng)技術(shù)模擬各種實體煙花效果，然后定義一種基于XML的虛擬煙花表演編排語言，利用Unity 3D引擎設(shè)計實現(xiàn)虛擬煙花排演系統(tǒng)，從而可以編寫虛擬煙花表演方案XML并進(jìn)行虛擬煙花表演。虛擬煙花排演系統(tǒng)可應(yīng)用到文藝演出、場館會所、甚至手機(jī)等各種展示場景中，將煙花表演以虛擬現(xiàn)實的方式應(yīng)用到文化生活中。

關(guān)鍵詞： 粒子系統(tǒng)； 虛擬煙花； 煙花表演； 虛擬煙花表演編排語言； Unity 3D

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）12-0243-02

1 引言

煙花表演傳播著辭舊迎新、樂觀進(jìn)取的價值觀，是中國傳統(tǒng)民俗文化，是深入骨髓的文化符號。但因其產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣、噪音、衛(wèi)生等環(huán)境污染以及爆炸、火災(zāi)等安全隱患，煙花表演受到了越來越嚴(yán)格的限制。近年虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速興起，由于它能利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，給人們帶來身臨其境的感受，開始逐漸被用于娛樂游戲等多個領(lǐng)域[1]。本文重點研究利用Unity 3D引擎中的粒子系統(tǒng)模擬實現(xiàn)各種煙花效果，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)虛擬煙花排演系統(tǒng)，從而可以將自己編排的虛擬煙花表演應(yīng)用到文藝演出、場館會所、甚至手機(jī)等各種展示場景中，將煙花表演以虛擬現(xiàn)實的方式應(yīng)用到文化生活中。

2 虛擬煙花排演系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

虛擬煙花排演系統(tǒng)（VFCPS ，Virtual Fireworks Choreographed Performance System）軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：1）基于Unity 3D引擎，利用引擎中的Shuriken粒子系統(tǒng)仿真實現(xiàn)7類煙花特效，包括：噴射類、旋轉(zhuǎn)類、升空類、吐珠類、煙霧類、禮花彈類和變色類[2]。基于這7類煙花特效，用戶可通過修改多種粒子參數(shù)得到更多用戶定制的煙花特效；2）定義一種基于XML的虛擬煙花編排語言 VFCXml，用于編寫虛擬煙花表演方案，通過方案腳本控制整場煙花表演的節(jié)奏、畫面、色彩等。系統(tǒng)利用C#的XML解析器實現(xiàn)對煙花表演方案腳本的解析；3）虛擬煙花排演系統(tǒng)VFCPS基于Unity 3D引擎，解析用戶編寫的煙花表演劇本，依照方案編排有節(jié)奏地運行各種煙花特效，完成整場煙花表演。

3 煙花特效

3.1 粒子系統(tǒng)

Unity 3D是Unity Technologies公司的一個能夠讓開發(fā)者輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面的專業(yè)游戲引擎。Unity 3D內(nèi)嵌的Shuriken粒子系統(tǒng)采用模塊化管理，個性化的粒子模塊配合粒子曲線編輯器使設(shè)計人員能方便高效地創(chuàng)作出各種繽紛復(fù)雜的粒子效果。

3.2 煙花特效

各種粒子特效的設(shè)計關(guān)鍵在于確定粒子的屬性，表現(xiàn)粒子的生長、衰老和死亡，粒子屬性受到一組隨機(jī)過程的控制，從而體現(xiàn)不規(guī)則物體（煙霧、火焰、云彩等）的隨機(jī)性和動態(tài)性[3]。系統(tǒng)針對實體煙花的7種主要類型，即：噴射類、旋轉(zhuǎn)類、升空類、吐珠類、煙霧類、禮花彈類和變色類，進(jìn)行了模擬仿真，建立了煙花特效庫。系統(tǒng)在設(shè)計煙花特效時主要涉及以下屬性：粒子的時間屬性（即粒子生命周期）、粒子的發(fā)射屬性（即粒子數(shù)量、速度）、粒子的受力屬性、粒子的色彩屬性、粒子的大小屬性、粒子的運動方向?qū)傩浴⒘Ｗ拥匿秩緦傩缘?，通過對這些屬性的取值或隨機(jī)范圍或變化曲線進(jìn)行不同設(shè)定，得到五彩繽紛的煙花效果，如圖2所示。

3.3 后期渲染增強(qiáng)

系統(tǒng)針對煙花表演整體視頻采用了4種圖像增強(qiáng)技術(shù)：抗鋸齒（全屏）技術(shù)，平滑圖像硬件渲染出的多邊形邊緣的鋸齒；對比度增強(qiáng)技術(shù)，運用圖像處理領(lǐng)域中非銳化遮蔽方式的原理加強(qiáng)系統(tǒng)畫面的對比度；幾何邊緣檢測技術(shù)，根據(jù)場景中對象的幾何形狀來繪制其輪廓線；運動模糊技術(shù)，根據(jù)之前保留的渲染幀的圖形形成的運動軌跡。這些圖像增強(qiáng)技術(shù)的運用起到了加強(qiáng)場景視覺效果的作用。

3.4 煙花音效

音效系統(tǒng)指聲音制造的效果，可以增強(qiáng)場面的真實感。Unity 3D具有靈活而又強(qiáng)大的音效系統(tǒng)[4]。通過聲音分析，系統(tǒng)將煙花綻放分為前后三個音效環(huán)節(jié)，分別為發(fā)射音效（Shoot_Sound）、爆炸音效（Explosion_Sound）和噼啪音效（Crackle_Sound）。每一個音效環(huán)節(jié)又可以設(shè)定自己的屬性特征，即：音效文件、音高（Pitch Max、Min）和音量（Volume Max、Min），圖3為系統(tǒng)的一種煙花音效設(shè)定。煙花音效屬于煙花特效的重要屬性，煙花特效運行時同步啟動煙花音效。煙花音效和系統(tǒng)背景音樂一起烘托出煙花表演的現(xiàn)場氛圍。

4 虛擬煙花編排與表演

4.1 煙花編排方案

煙花表演是一門視覺藝術(shù)，它的編排設(shè)計非常重要，是煙花表演晚會的靈魂。在實景的煙花表演晚會中，首先要設(shè)計出煙花編排方案，方案的設(shè)計是根據(jù)煙花產(chǎn)品種類圍繞著如何體現(xiàn)晚會主題來進(jìn)行構(gòu)思，做到產(chǎn)品多樣、層次分明、豐富多彩，并突出各種煙花的特點，讓它充分顯示煙花藝術(shù)的魅力，編排進(jìn)程做到節(jié)奏分明，張弛有度，目不暇接，牢牢地抓住觀眾的心，迎合大眾的審美情趣。

4.2 虛擬煙花編排語言

系統(tǒng)參考現(xiàn)實煙花表演編排方案，定義了基于XML的虛擬煙花編排語言VFCXml，煙花表演設(shè)計人員使用該語言編寫虛擬煙花表演方案，系統(tǒng)嚴(yán)格依照方案控制整場煙花特效節(jié)奏，使煙花表演舒緩有序，花色流光溢彩。VFCXml語言定義了4種主要元素，即：表演、章、組和煙花。

元素：煙花表演元素，定義整個虛擬煙花編排方案，包含若干表演章節(jié)元素，其主要屬性有：煙花表演名稱、主題描述、采用的虛擬場景、表演時間、煙花發(fā)射點信息等；

元素：定義煙花表演的一個章節(jié)，是的子元素。包含若干緊湊的煙花組元素，其主要屬性有：煙花表演章節(jié)名稱、章節(jié)描述、開始時間、背景音樂、攝像機(jī)組等；

元素：定義同時發(fā)射的一個或一組煙花特效，是的子元素。其主要屬性有：煙花數(shù)量、發(fā)射點、發(fā)射方式（單發(fā)、急速、對射、齊射4種）、發(fā)射時間等；

元素：定義煙花特效庫中的一個特效，是的子元素，其主要屬性是煙花特效的系列參數(shù)等。

虛擬煙花表演編排方案通過VFCXml語言編寫，編寫的方案應(yīng)該內(nèi)容清晰、主次分明，具有一定的邏輯性，以促使視覺信息得到快速、準(zhǔn)確、清晰地表達(dá)和傳播。

5 虛擬煙花排演系統(tǒng)

虛擬煙花排演系統(tǒng)VFCPS是基于Unity 3D引擎開發(fā)的跨平臺3D煙花表演編排表演軟件，其主要功能有：

1）加載表演場景。煙花表演的場景，既可以是用戶定義的二維背景圖像，也可以是用戶設(shè)計制作的三維場景，用戶可以在場景中交互指定煙花發(fā)射點；

2）煙花特效制作。軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了7大類煙花特效，用戶可在此基礎(chǔ)上修改調(diào)整各項參數(shù)，演示并保存煙花效果，從而得到各種用戶所需要的更多的煙花特效，建立用戶的煙花特效庫；

3）編排煙花表演方案。系統(tǒng)提供了基于XML的虛擬煙花編排語言VFCXml，用戶可以使用該語言依據(jù)主題要求編寫煙花表演方案文件，通過方案腳本控制整場煙花表演的節(jié)奏、畫面、色彩等；4）虛擬煙花表演。軟件系統(tǒng)可以制作單個煙花特效并模擬演示，也可以加載用戶編寫的煙花表演方案文件并解析煙花表演方案腳本，根據(jù)方案中、、、4種元素的內(nèi)容及屬性，加載指定場景，然后在各發(fā)射點動態(tài)創(chuàng)建相應(yīng)的煙花特效并依時順序發(fā)射，完成整場煙花表演。

6 結(jié)論

虛擬煙花排演系統(tǒng)VFCPS不僅運用Unity 3D的Shuriken粒子系統(tǒng)實現(xiàn)了7類煙花的特效模擬，允許用戶進(jìn)一步定制更多的煙花特效，還定義了基于XML的虛擬煙花編排語言VFCXml，允許用戶使用該語言編寫虛擬煙花表演方案并由系統(tǒng)執(zhí)行方案完成整場虛擬煙花表演。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李海.基于粒子系統(tǒng)的煙花模擬[D].安徽大學(xué)，2013.

[2] 呂雪，劉麗，王俊杰，等.基于GPU粒子系統(tǒng)的煙花模擬[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2013（3）：989-992.

[3] 李松維，周曉光，王潤杰，等.基于粒子系統(tǒng)煙霧的模擬[J].計算機(jī)仿真，2007（9）：199-201.

[4] 熊耀. 基于Unity3D粒子系統(tǒng)的三維影視特效開發(fā)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2012（11）：134-136.