Smetanova ulica Maribor, Slovenija Andrej Gorenjak VIZUALIZACIJA ŠIRJENJA POŽARA Z GRAFIČNIM POGONOM UNITY 3D Diplomsko delo Maribor, februar

Transkripcija

1 Smetanova ulica Maribor, Slovenija Andrej Gorenjak VIZUALIZACIJA ŠIRJENJA POŽARA Z GRAFIČNIM POGONOM UNITY 3D Diplomsko delo Maribor, februar 2016

2 VIZUALIZACIJA ŠIRJENJA POŽARA Z GRAFIČNIM POGONOM UNITY 3D Diplomsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Andrej Gorenjak VS ŠP Računalništvo in informacijske tehnologije viš. pred. dr. Simon Kolmanič I

3 II

4 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju viš. pred. dr. Simonu Kolmaniču za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. iv

5 VIZUALIZACIJA ŠIRJENJA POŽARA Z GRAFIČNIM POGONOM UNITY 3D Ključne besede: požar, računalniška grafika, vizualizacija, Unity 3D UDK: (043.2) Povzetek Vizualizacije naravnih pojavov, kot so ogenj, oblaki in dež, se pogosto uporablja pri igrah in filmih. V tem diplomskem delu predstavimo dve najpogostejši metodi za vizualizacijo požara in njihovo uporabo v grafičnem pogonu Unity 3D. Končni izdelek diplomskega dela je vizualizacija požara, narejena z grafičnim pogonom Unity 3D. V aplikaciji simuliramo požar z metodo sistema delcev. v

6 FIRE SPREADING VISUALIZATION USING UNITY 3D Keywords: fire, computer graphics, visualization, Unity 3D UDK: (043.2) Abstract Visualization of natural phenomena such as fire, clouds and rain are often used in games and movies. In this thesis we present two most common methods for fire visualization and their use with Unity 3D. The final product of this thesis is a visualization of forest fire, created in Unity 3D. The application simulate spreading fire with particle system method. vi

7 KAZALO 1 Uvod Predstavitev metod za vizualizacijo ognja Sistemi delcev Generiranje delcev Atributi delcev Dinamičnost delcev Uničenje delcev Upodabljanje delcev Hierarhija delcev Senčilniki Tipi senčilnikov Paralelno procesiranje Primer ognja ustvarjenega s pomočjo senčilnikov[15] Predstavitev pogona Unitya z vidika generiranja posebnih učinkov Grafični pogon Unity 3D Gradniki v pogonu Unity Sistemi delcev Kamere Luči Objekti Trkalniki Sistem skriptiranja Vizualizacija ognja v pogonu Unity 3D Ideja širjenja požara Zgradba dreves vii

8 4.3 Postavitev dreves Skripta ogenj Veter Začetek požara Ovrednotenje dobljenih rezultatov Sklep Viri viii

9 KAZALO SLIK Slika 2.1: Trikotnik gorenja[6]... 3 Slika 2.2: Primer sistema delcev[3]... 7 Slika 2.3: Phongovo senčenje[2]... 8 Slika 2.4: Gradient teksture[15]... 9 Slika 2.5: Del fragmenta senčnika za generiranje plamena[15] Slika 2.6: Primeri različnih oblik ognja[15] Slika 3.1: Virtualna očala Gear VR[5] Slika 3.2: Platforme, ki jih podpira Unity 3D[4] Slika 3.3: Lastnosti sistema delcev Slika 3.4: Hkraten pogled dveh kamer[8] Slika 3.5: Točkovni vir svetlobe[19] Slika 3.6: Svetlobni snop[19] Slika 3.7: Usmerjen tip svetlobe[19] Slika 3.8: Objekt kocka[10] Slika 3.9: Škatlast trkalnik[11] Slika 3.10: Krogelni trkalnik[12] Slika 3.11: Kapsulni trkalnik[13] Slika 3.12: Mrežni trkalnik[14] Slika 3.13: Kolesni trkalnik[14] Slika 3.14: Začetna vsebina skripte[14] Slika 4.1: Začetna scena Slika 4.2: Objekt z izgledom drevesa Slika 4.3: Komponente ognja Slika 4.4: Drevo z štirimi krogelnimi trkalniki Slika 4.5: Lastnosti vetra Slika 5.1: Začetni dim Slika 5.2: Izbruh ognja Slika 5.3: Požar brez vetra Slika 5.4: Požar ob prisotnosti vetra v levo stran ix

10 KAZALO IZPISOV Izpis 4.1: Funkcija za postavitev dreves Izpis 4.2: Začetna inicializacija Izpis 4.3: Procesiranje stanja Izpis 4.4: Preverjanje izvora delcev Izpis 4.5: Spreminjanje lastnosti vetra x

11 1 UVOD Amorfni pojavi, kot so ogenj, dim in plini, so ključnega pomena v veliko aplikacijah, kot so npr. virtualna okolja, letalske simulacije in izdelava filmov. Vendar pa je animacija in vizualizacija takšnih vrst pojavov zahtevna. Med vsemi naravnimi pojavi ogenj velja za najbolj zahtevnega za razumevanje. Razvoj iger je v zadnjem času v velikem porastu, predvsem na področju mobilnih iger. Vzrok za to je predvsem lahka dostopnost mobilnih naprav, ter širjenja interneta. Ker pri razvoju velikokrat potrebujemo raznorazne učinke iz realnega sveta, ki igro naredijo bolj realistično, smo se na podlagi tega odločili izdelati vizualizacijo požara za grafični pogon Unity 3D. Unity 3D je zelo priljubljen grafični pogon za razvoj iger, ki so ga razvili v podjetju Unity Technologies. Omogoča hkraten razvoj za različne platforme (PC, igralne konzole, mobilne naprave in spletne strani) in s tem olajša distribucijo iger na druge platforme. Svojo priljubljenost opravičuje s preprostostjo in kvaliteto orodja, ter obsežno skupnostjo razvijalcev, ki jim je na voljo dobra podpora. Prav zaradi teh lastnosti, smo se v našem diplomskem delu odločili za predstavitev in uporabo slednjega grafičnega pogona. Diplomsko delo je razdeljeno na šest poglavij. Po trenutnem uvodnem poglavju na kratko predstavimo naravne lastnosti ognja, metodo vizualizacije požara s sistemi delcev, katero smo uporabili pri naši vizualizaciji ter metodo z uporabo senčilnikov, ki dodatno izboljša vizualne učinke in predstavlja nadgradnjo naše metode. V tretjem poglavju smo podrobneje predstavili grafični pogon Unity 3D in nekaj komponent, ki smo jih uporabili pri našem praktičnem delu diplomskega dela. V četrtem poglavju smo s pomočjo grafičnega pogona Unity 3D naredili vizualizacijo požara, kjer med naključno postavljenimi drevesi zanetimo požar in prikažemo njegovo širjenje med druga drevesa ob vplivu vetra, katerega smer in moč reguliramo s pomočjo drsnikov na uporabniškem vmesniku. 1

12 Peto poglavje je namenjeno predstavitvi končne vizualizacije. Zadnje poglavje diplomske naloge pa zaključimo s sklepom. 2

13 2 PREDSTAVITEV METOD ZA VIZUALIZACIJO OGNJA Ustvarjanje in kontroliranje naravnih pojavov v realnem svetu za potrebe posebnih učinkov v filmski industriji je zahtevno, drago in potencialno tudi nevarno. Zaradi teh razlogov računalniška simulacija teh vrst pojavov predstavlja zanimivo alternativo, saj lahko zmanjša oz. odpravi katero od teh ovir. Ogenj začne goreti, ko je vnetljiv material v kombinaciji z zadostno količino vira kisika izpostavljen viru toplote ali temperaturi višji od temperature vžiga določenega materiala ali zmesi goriva in kisika, ki je sposobna vzdrževati stanje hitre oksidacije. Ko se pojavi ogenj, to pomeni, da so prisotni vsi trije elementi požarnega trikotnika. To so vnetljiva snov, kisik in toplota. Slika 2.1: Trikotnik gorenja[6] Pri vizualizaciji ognja bomo posebej pozorni na velikost plamenov, animacijo ognja in širjenje požara glede na čas gorenja. Pri tem si pomagamo s spremljanjem mej, kjer je ogenj že prisoten in kje še ne. Ta pristop je prepričljiv v več pogledih, saj proizvaja prepričljive podobe osamljenih plamenov, kot tudi objektov ki gorijo. Ker je model relativno preprost, potrebujemo relativno malo časa in pomnilnika, kar pomeni, da je simulacija bolje nadzorovana in prej pridemo do željenega učinka. 3

14 2.1 Sistemi delcev Sistem delcev (ang. particle system) je zbirka majhnih, med seboj podobnih delcev, ki skupaj predstavljajo nek objekt. Delci imajo dinamično pot gibanja in so med seboj obravnavani ločeno. To pomeni, da lahko vsakemu delcu posebej določimo njegovo obliko, barvo, smer gibanja ipd. Sistem delcev je dober način za modeliranje mehkih predmetov, kot so sneg, voda, ogenj, dim itd. Skozi proces vizualizacije sistema delcev se za vsak okvir izvedejo naslednji koraki [1]: 1. Generirajo se novi delci. 2. Vsakemu delcu se dodeli nabor atributov. 3. Uniči se vsak delec, ki mu je potekla življenjska doba. 4. Preostali delci se pretvorijo in premaknejo v skladu z njihovimi dinamičnimi lastnostmi. 5. Upodobijo se preostali delci Generiranje delcev Delci so v sistem delcev generirani z nadzorovanimi naključnimi procesi. Ena možnost za izvedbo tega je, da določimo število delcev, ki za vsak časovni interval oz. okvir (po navadi gre za sekundo) vstopajo v sistem. Število generiranih delcev je zelo pomembno, ker močno vplivajo na gostoto objekta. Število generiranih delcev dobimo po naslednji enačbi: n = m + r v. (2.1) Tu je: m - povprečno število delcev, r - naključno število v območju [-1, 1], v - varianca, ki definira povprečje kvadratov odklonov posameznih vrednosti od aritmetične sredine. Druga možnost generiranja delcev pa je, da generiramo določeno število delcev, ki so odvisni od velikosti objekta na zaslonu. To pomeni, da generiramo samo delce, ki so v 4

15 vidnem polju kamere S tem posledično kontroliramo detajle sistema delcev, ter čas potreben za upodabljanje oz. izris na zaslon. Zgornjo enačbo malo dopolnimo in dobimo: n = (m s + r v) s. (2.2) Tu je: ms - povprečno število delcev na območju zaslona, r - naključno število v območju [-1, 1], v varianca, s področje zaslona, ki ga pokriva sistem delcev, določen s parametri pogleda na trenuten okvir. Če želimo, zaradi neenakomernega razmika med okvirji, spremeniti število delcev, lahko to naredimo z navadno linearno funkcijo, prikazano v enačbi (2.3) [1]: n = n t t. (2.3) Tu je: nt - število novih delcev na časovno enoto t - časovni razmik med trenutnim in prejšnjim okvirjem Atributi delcev Sistem delcev mora za vsak generiran delec določiti vrednosti za naslednje atribute: - začetni položaj, - začetna hitrost (hitrost in smer), - začetna velikost, - začetna barva, - začetno prosojnost, - prostor izvora delcev, - življenjsko dobo. 5

16 Sistem delcev ima za določanje začetnega položaja delcev več parametrov [1]: - položaj v prostoru, določen s koordinatami X, Y, Z, - dva kota zasuka, ki dajeta usmerjenost, - tip oblike, ki opredeljuje območje okrog izvoza delcev Dinamičnost delcev Na položaj delcev lahko vplivajo različne sile, ena izmed teh je gravitacija, ki ustvari učinek padanja delca. Delcem lahko tudi spreminjajo barvo, velikost in obliko. Vse te spremembe lahko nastavimo globalno, ki se nato odražajo na posameznih delcih ali pa jih nastavimo vsakemu delcu posebej [1] Uničenje delcev Ob kreiranju delcev lahko nastavimo njegovo življenjsko dobo v okvirjih. Življenjska doba se po vsakem izrisanem okvirju zmanjša in ko doseže vrednost nič, se ga uniči. Delec se lahko uniči tudi v primeru, ko zaradi svoje barve ni več viden ali pa je izven vidnega območja kamere. [1] Upodabljanje delcev Delci se izrišejo, ko so izračunane vse vrednosti za trenuten okvir. Delci se lahko med seboj prekrivajo in mečejo senco na druge delce [1]. Slika 2 prikazuje sistem delcev uporabljenih za vizualizacijo ognja. 6

17 Slika 2.2: Primer sistema delcev[3] Hierarhija delcev Sistemi delcev so združeni v drevesno podatkovno strukturo. Ta strukturo omogoča, da vse spremembe staršev vplivajo na njihove sinove. Če npr. spremenimo barvo starša na belo, se ta sprememba pozna na vseh sinovih. [1] 2.2 Senčilniki Senčilniki so preprosti programi, ki opisujejo določene lastnosti pikslov. Izračunavajo upodabljanje grafičnih učinkov z visoko mero prilagodljivosti. Večina senčilnikov je sprogramiranih za izvajanje na grafični kartici, čeprav to ni pogoj. Najpogosteje so uporabljeni pri obdelavi filmov, animacijah, in računalniških igrah za izdelavo brezmejnih 7

18 učinkov[2]. Na sliki 2.3 vidimo efekt enega izmed prvih vrst senčilnikov za izračun Phongovega senčenja (ang. Phong shading). Slika 2.3: Phongovo senčenje[2] Tipi senčilnikov Medtem, ko starejše grafične kartice uporabljajo ločene procesne enote za vsako vrsto senčilnikov, imajo novejše poenoten sistem in so sposobne izvajati vsako vrsto senčenja. To omogoča grafični kartici učinkovitejšo rabo procesorske moči. Obstajajo naslednje tri vrste senčilnikov[2]: 1. Fragmentni senčilniki - so trenutno edini 2D senčilniki. Izračunajo barvo in ostale atribute za vsak fragment (piksel). V 3D grafiki s fragmenti ne moremo ustvariti kompleksnejših efektov, ker delamo s posameznimi fragmenti, ki ne poznajo geometrije prostora. 2. Senčilniki oglišč - So najbolj pogosta in uveljavljena vrsta 3D senčilnikov, ki se poženejo enkrat za vsako oglišče, dano grafičnemu procesorju. Njihov namen je preoblikovanje vsakega 3D oglišča v 2D prostor, ki se prikaže na ekranu. Senčilniki oglišč lahko spreminjajo lastnosti kot so pozicija, barva in koordinate teksture, ne morejo pa ustvariti novih oglišč. Z njimi lahko omogočimo dober nadzor nad podrobnostmi položaja, gibanja, osvetlitve in barve v vsakem 3D modelu. 8

19 3. Geometrijski senčilniki so relativno novi tip, ki lahko ustvarijo nove grafične gradnike kot so točke, črte in trikotniki. Programi se poženejo po ogliščnih senčilnikih. Kot vhodni podatek vzamejo celoten objekt, po možnosti z informacijami o sosednosti. Tipičen realni primer geometrijskih senčilnikov bi bila samodejno spreminjanje kompleksnosti mreže Paralelno procesiranje Senčilniki so narejeni za transformacijo velikega števila elementov naenkrat, npr. sprememba vseh pikslov na ekranu ali vseh oglišč modela. To je zelo primerno za vzporedno procesiranje kar večina novih grafičnih procesorjev podpira in pohitri delovanje[2] Primer ognja ustvarjenega s pomočjo senčilnikov[15] Dober primer ognja, ustvarjenega s senčniki najdemo v [15]. Tam je ogenj narejen s pomočjo modernega grafičnega procesorja in specifikacijo standarda OpenGL. Barva pikslov, ki predstavljajo plamene je določena s pomočjo gradientne teksture (glej sliko 2.4), in se s časom spreminja. Sam program, ki definira ogenj je implementiran v jeziku GLSL in ga lahko vidimo na sliki 2.5. Slika 2.4: Gradient teksture[15]. 9

20 Slika 2.5: Del fragmenta senčnika za generiranje plamena[15] Ker večino računanja opravi grafični procesor, je upodabljanje dovolj hitro, da prikažemo več požarov na eni sceni. Na sliki 2.6 vidimo več oblik ognja. Slika 2.6: Primeri različnih oblik ognja[15]. 10

21 Podobna tehnika se uporablja tudi v najnovejših komercialnih efektih v Unity 3D, ki jih ponujajo v spletni trgovini»asset Store«, katerih primere lahko vidimo na slikah 2.7 in 2.8. Slika 2.7: Komecialni paket»explosive Realistic VFX Texture Pack«[19] Slika 2.8: Komercialni paket»ultra Real Fire Effects Volume 1«[20] 11

22 3 PREDSTAVITEV POGONA UNITYA Z VIDIKA GENERIRANJA POSEBNIH UČINKOV 3.1 Grafični pogon Unity 3D Unity 3D je več platformni grafični pogon, razvit v podjetju Unity Technologies, ki se uporablja za razvoj 2D in 3D video iger. Igre lahko razvijamo za mobilne telefone in tablice, ki tečejo na sistemu: - ios, - Android, - Windows Phone 8, - BlackBerry 10 in - Tizen. Za namizne računalnike nam je na voljo razvoj na platformah: - Windows, - Windows Store Apps, - Mac OS X in - Linux/Steam OS. Peta generacija grafičnega pogona Unity 3D je prinesla podporo tudi za virtualna očala: - Oculus Rift, - Gear VR (slika 3.1), - Microsoft Hololens in - Project Morpheus. 12

23 Slika 3.1: Virtualna očala Gear VR[5] Na področju konzol nam omogoča razvoj za: - PlayStation 3, - PlayStation 4, - PlayStation Vita, - Xbox One, - Xbox 360 in - Wii U. Prav tako nam omogoča razvoj za spletne brskalnike na katerih moramo imeti nameščen vtičnik Unity 3DWeb Player. Unity 3D je na voljo v profesionalni različici, ki stane, v času pisanja tega dela, 1500$ ali pa se odločimo za mesečno naročnino, ki stane 75$ in je vezana na minimalno 12 mesecev. Na voljo je tudi brezplačna različica, ki pa nima vseh dodatkov. V brezplačni različici npr. ne moremo spremeniti pozdravnega zaslona igre, imamo pa vse funkcije pogona, kot jih ima plačljiva različica. Dodatke, kot je recimo Unity 3D analitik, s katerim lahko analiziramo obnašanje igralcev v igri, lahko zakupimo mesečno za določen znesek. 13

24 Grafični pogon uporablja vmesnik Direct3D (Windows in Xbox 360), OpenGL (Mac in Windows), OpenGL ES (Android in ios), za konzole pa njihove zaščitene vmesnike. Unity 3D omogoča nastavitev stiskanja in ločljivosti tekstur za vsako platformo, ki jo podpira. Med drugimi omogoča preslikavo izboklin (ang. bump mapping), preslikavo odsevov (ang. reflection mapping), paralaksno preslikavo (ang. paralllax mapping), delo s sencami ipd. Za pisanje skript je na voljo odprto kodno razvojno orodje MonoDevelop, lahko pa tudi uporabimo Visual Studio. Pisanje skript je mogoče v C#, UnityScript (sintaksa podobna JavaScript-u) ali Boo (sintaksa podobna Phyton-u) programskem jeziku. Unity 3D je znan po tem, da lahko v okviru projekta, igro prenesemo na različne platforme (slika 3.2). Vsebuje Nvidijin fizikalni pogon PhysX, ki kontrolira vse fizikalne lastnosti objektov. Slika 3.2: Platforme, ki jih podpira Unity 3D[4] 14

25 3.2 Gradniki v pogonu Unity Sistemi delcev S sistemi delcev simuliramo pojave kot so tekočine, oblaki in ogenj z generiranjem in animacijo velikega števila majhnih 2D slik. Sestavljeni so iz velikega števila lastnosti (slika 3.3), ki jih lahko spreminjamo, da pridemo do željenega učinka. Slika 3.3: Lastnosti sistema delcev Lastnosti delcev[7]: 1. Trajanje (ang. duration) čas trajanja v sekundah. 2. Zanka (ang. looping) - če je omogočeno, se bo sistem ponovno zagnal po pretečenem času. 3. Končano (ang. prewarm) če je omogočeno, bo sistem inicializiran, kot da je že zaključil celoten cikel (deluje če je omogočena zanka). 4. Začetna zakasnitev (ang. start delay) zakasnitev v sekundah preden se sistem zažene. 5. Življenjska doba (ang. start lifetime) življenska doba posameznih delcev v sekundah. 6. Začetna hitrost (ang. start speed) začetna hitrost delcev. 7. Začetna velikost (ang. start size) začetna velikost. 15

26 8. Začetna rotacija (ang. start rotation) začetni kot vrtenja. 9. Začetna barva (ang start color) začetna barva. 10. Moč gravitacije (ang. gravity modifier) nastavitve gravitacije. Vrednost 0 gravitacijo izniči. 11. Simulacija prostora (ang. simulation space) nastavitev prostora simulacije. 12. Največje število delcev (ang. max particles) največje število delcev hkrati Kamere Kamere so gradniki skozi katere igralec vidi igro. Število kamer v igri ni omejeno. Prav tako lahko kamere prilagajamo po naših željah, jih upravljamo skozi skripte, jih umestimo v objekt in s tem ustvarimo edinstven pogled. Slika 3.4 prikazuje hkraten pogled dveh kamer, ki je namenjen igranju dveh igralcev hkrati na eni napravi [8]. Slika 3.4: Hkraten pogled dveh kamer[8] Luči Luči so bistveni del vsake scene. Luči definirajo barvo in razpoloženje v 3D prostoru. V sceno lahko vključimo več luči, s katerimi lahko z nekaj vaje dobimo impresivne rezultate. 16

27 Poznamo več tipov luči[9]: - Točkovna luč (ang. point light) (slika 3.5), se nahaja na določeni točki v prostoru in pošilja enakomerno svetlobo v vse smeri. Intenzivnost svetlobe se zmanjšuje z razdaljo od svetila in na določeni razdalji pride na vrednost nič. Točkovne luči so primerne za simulacijo svetilke in drugih lokalnih virov svetlobe v prostoru. Slika 3.5: Točkovni vir svetlobe[19] - Svetlobni snop (ang. spot light) (slika 3.6) je tip svetlobe, pri katerem je svetloba omejena z dosegom in kotom, ki izhaja pri izviru svetlobe in ima obliko stožca. Običajno se uporabljajo za generiranje umetnih svetil, kot so avtomobilske ali odrske luči. 17

28 Slika 3.6: Svetlobni snop[19] - Usmerjena luč (ang. Directional Light) (slika 3.7) ima izvor v neskončnosti in je lahko umeščena kjerkoli na sceni. Razdalja svetlobe od ciljnega objekta ni opredeljena, zato se ne zmanjšuje. Usmerjene luči predstavljajo velike in oddaljene vire svetlobe, ki se nahajajo zunaj igralnega sveta. V igri jih lahko uporabimo, kot sonce ali luno. Slika 3.7: Usmerjen tip svetlobe[19] - Območne luči (ang. Area Lights) so definirane s pravokotnikom v prostoru. Svetlobo oddaja v vse smeri, vendar le z ene strani pravokotnika. Svetloba pada 18

29 v določenem razponu. Ker se za izračun svetlobe kar intenzivno uporablja procesor, območne luči niso na voljo v času izvajanja in se lahko samo zapečejo na objekte v okolici Objekti Objekti so temeljni elementi v grafičnem pogonu Unity 3D. Objekti predstavljajo igralne like, predmete, dele okolja in delujejo, kot ovoj za komponente, ki izvajajo neko funkcionalnost. Objekti imajo vedno pripeto transformacijsko komponento, ki predstavlja položaj in orientacijo objekta (glej sliko 3.8). Transformacijske komponente ni mogoče odstraniti[10]. Slika 3.8: Objekt kocka[10] Trkalniki Trkalniki so komponente, ki definirajo obliko objekta za namene fizičnih trkov. Trkalnik, ki je neviden, ne potrebuje čisto natančne oblike objekta. Dejstvo je, da je grob približek bolj učinkovit in se ne razlikuje v igranju. Najenostavnejši in za procesor najmanj zahtevni so primitivni tipi trkalnikov. To so škatlast trkalnik (ang. Box Collider), krogelni trkalnik (ang. Sphere Collider) in kapsulni trkalnik (ang. Capsule Collider). Enemu objektu se lahko doda poljubno število teh trkalnikov in se tako ustvari sestavljen trkalnik. S sestavljenimi trkalniki se da dobro približati obliki objekta. So pa primeri, ko tudi sestavljeni trkalniki niso dosti 19

30 natančni. Takrat lahko v 3D uporabimo mrežni trkalnik (ang. Mesh Collider), ki se popolnoma prilega mreži objekta, ampak je procesorsko bolj potraten[11]. - Škatlast trkalnik je škatlaste oblike in se uporablja za objekte, kot so zaboji, stene, ravna tla ipd. Slika 3.9 prikazuje škatlast trkalnik, ki obdaja jabolko. Slika 3.9: Škatlast trkalnik[11] - Krogelni trkalnik (slika 3.10) ima obliko krogle in se lahko povečuje glede na polmer in ne na podlagi osi X, Y ali Z. Uporablja se za okrogle predmete, kot so žoge in druge okrogle oblike. Slika 3.10: Krogelni trkalnik[12] 20

31 - Kapsulni trkalnik (slika 3.11) je narejen iz dveh pol krogel, ki jih povezuje valj in tako tvori obliko kapsule. Polmer krogle in višina valja sta med seboj neodvisni. Ti trkalniki so primerni za drogove in podobne predmete. Slika 3.11: Kapsulni trkalnik[13] - Mrežni trkalnik (slika 3.12) naredi trkalnik na podlagi mreže objekta, ki mu je pripeta in je veliko bolj točen za zaznavanje trkov, kot primitivni trkalniki. Mrežni trkalniki lahko trčijo z drugimi mrežnimi trkalniki samo pod pogojem, da so označeni, kot konveksni (ang. Convex).Ta opcija naredi okoli trkalnika konveksno lupino. 21

32 Slika 3.12: Mrežni trkalnik[14] - Kolesni trkalnik (ang. wheel collider) (slika 3.13) je poseben trkalnik, ki je namenjen prizemljenim vozilom. Ima vgrajeno zaznavanje trkov, fiziko koles, in model trenja pnevmatike, ki temelji na drsenju. Lahko se uporablja tudi za druge objekte, vendar je treba pri tem upoštevati, da je posebej zasnovan za vozila s kolesi. Slika 3.13: Kolesni trkalnik[14] 22

33 - Trkalnik terena (ang. terrain collider) implementira površino trka enake oblike, kot je oblika terena, ki mu je pripet Sistem skriptiranja Skriptiranje je bistvena sestavina v vseh igrah. Že najpreprostejša igra potrebuje skripto, za odziv uporabnika in tako poskrbi, da se dogodki v igri zgodijo ob pravem času. S skriptami lahko tudi ustvarimo grafične efekte, upravljamo z objekti ipd. Unity 3D podpira dva programska jezika[14]: - C#, jezik podoben Javi oz. C++, - UnityScript, zasnovan posebej za uporabo z Unity 3D modeliran po vzoru JavaScript Poleg teh, lahko uporabimo še veliko drugih.net jezikov, ki lahko prevedejo v združljiv DLL. Ob dvokliku na skripto v Unity 3D se nam odpre program za urejanje kode. Privzeto se odpre urejevalnik MonoDevelop, po želji pa si lahko nastavimo svoj program[14]. Začetna vsebina datoteke je videti nekako tako kot na sliki Slika 3.14: Začetna vsebina skripte[14] 23

34 Skripta omogoča povezavo jedra pogona Unity z implementacijo razreda, ki izvira iz vgrajenega razreda, imenovanega»monobehaviour«. Najpomembnejšo vlogo pa imata dve funkciji, definirani v prej omenjenem razredu. Funkcija Update(), v kateri obdelujemo vse podatke v času igranja in funkcijo Start(), ki pa se pokliče samo enkrat, pred začetkom igre[14]. 24

35 4 VIZUALIZACIJA OGNJA V POGONU UNITY 3D Za praktični del diplomske naloge smo vizualizirali požar v grafičnem pogonu Unity 3D s trenutno najnovejšo verzijo 5.2.3f1, ki smo jo prenesli iz spletne strani pogona Unity[17]. Po uspešni namestitvi, smo lahko začeli z delom in ustvarili novi projekt ter sceno, v kateri je na začetku samo glavna kamera in usmerjena luč (glej sliko Slika 4.1). Slika 4.1: Začetna scena 4.1 Ideja širjenja požara Naša ideja širjenja požara je sestavljena iz več dreves, katera vsebujejo štiri objekte s skripto, ki poskrbi za generiranje ognja in trkalnikom, ki zaznava trke delcev. Ob generiranju dreves smo na vnaprej določenih lokacijah (na katerih se nahajajo objekti z trkalnikom) generirali sisteme delcev in tem sistemom stanje nastavili na 0. To je stanje, v katerem sistem delcev ne bo kreiral delcev za vizualizacijo ognja. Po končanem generiranju dreves smo enemu objektu ognja začeli večati stanje. Večanje stanja pomeni, da drevo zagori (omogočimo kreiranje delcev na določenem sistemu delcev). Delci bodo ob trčenju z drugimi določenimi trkalniki, to so tisti, ki določajo stanje posameznega ognja, temu ognju povečali stanje iz nedelujočega v delujočega. Tako se požar širi s pomočjo trkov med delci in trkalniki. 25

36 4.2 Zgradba dreves Pred samim začetkom ustvarjanja dreves, smo ustvarili ravnino (ang. plane), na katero smo postavljali naša drevesa. Ker želimo, da imajo drevesa čimbolj realni videz, smo se odpravili v trgovino Asset Store za Unity 3D, kjer smo našli zastonjska drevesa, primerna za naš požar. Nato smo našim objektom, ki predstavljajo drevesa, dodali komponento za primeren izgled kot vidimo na sliki 4.2. Slika 4.2: Objekt z izgledom drevesa Vsakemu drevesu smo dodali štiri objekte, ki so predstavljali območje gorenja. Vsak posamezen objekt je sestavljen iz privzete komponente transformacija, s katero spreminjamo položaj, zasuk in velikost objekta. Naš ogenj pa vsebuje še komponenti trkalnik, s katerim preverjamo število delcev ognja, ki so prileteli in skripto, ki nam omogoča procesiranje širjenja ognja (glej sliko 4.3). 26

37 Slika 4.3: Komponente ognja Na sliki 4.4 vidimo drevo s štirimi krogelnimi trkalniki s katerimi preverjamo morebitne trke delcev ognja. Na podlagi tega pa določimo stanje generiranja delcev, ki se generirajo na isti lokaciji kot je trkalnik. Slika 4.4: Drevo z štirimi krogelnimi trkalniki 27

38 4.3 Postavitev dreves Ker želimo imeti na sceni veliko število dreves, smo drevesa naključno generirali in postavljali na prej ustvarjeno ravnino. To smo naredili s pomočjo funkcije (glej izpis 4.1), kjer na površini določeni z vrednostma x in y generiramo željeno število dreves, shranjeno v spremenljivki SteviloDreves, ki je parameter, do katerega se lahko, zaradi boljše prilagodljivosti, dostopa iz pogona Unity 3D. //Funkcija za postavitev dreves void UstvariDrevesa () { int rnd = 0; for (int i = 0; i < SteviloDreves; i++) { //objekti(drevesa) rnd = Random.Range(0, drevesa.length); //naključna postavitev dreves Instantiate (drevesa [rnd], new Vector3 (Random.Range (-x, x), drevesa [rnd].transform.position.y, Random.Range (-y, y)), drevesa [rnd].transform.rotation); } } Izpis 4.1: Funkcija za postavitev dreves Funkcijo UstvariDrevesa() pokličemo v funkciji Awake(), ki se kliče samo enkrat v času trajanja igre. Namenjena je inicializaciji spremenljivk oz. igralnega stanja pred začetkom igre. Zato v tej funkciji poiščemo še vse objekte ognja, katerim smo predhodno dali ime»gorim«in jim ustvarimo sistem delcev. Da je gorenje videti čimbolj realistično imamo tri različne velikosti ognja, ki se dodajo na drevo (glej izpis 4.2). 28

39 //funkcija awake, ki se kliče samo enkrat v trajanju skripte. void Awake () { //klic funkcije za postavitev dreves UstvariDrevesa(); //ustvarimo polje z vsemi objekti ognja. GameObject[] tmp = GameObject.FindGameObjectsWithTag("Gorim"); //določanje tipa ognja. for (int i = 0; i < tmp.length; i++) { PodatkovniTipi.Tip tipognja = tmp [i].getcomponent<ogenj> ().tip; switch (tipognja) { case PodatkovniTipi.Tip.majhen: (Instantiate (sistemidelcev [0], tmp [i].transform.position, tmp [i].transform.rotation) as GameObject).transform.parent = tmp [i].transform; break; case PodatkovniTipi.Tip.srednji: (Instantiate (sistemidelcev [1], tmp [i].transform.position, tmp [i].transform.rotation) as GameObject).transform.parent = tmp [i].transform; break; } case PodatkovniTipi.Tip.velik: (Instantiate (sistemidelcev [2], tmp [i].transform.position, tmp [i].transform.rotation) as GameObject).transform.parent = tmp [i].transform; break; } } Izpis 4.2: Začetna inicializacija 29

40 4.4 Skripta ogenj S skripto ogenj, ki jo vsebuje vsak izmed štirih objektov ogenj na drevesu, pa dosežemo bistvo naše vizualizacije. Vsak ogenj ima atribut stanje, s katerimi določimo, v kakšnem stanju je objekt, ki predstavlja ogenj. Vrednost spremenljivke stanje spreminjavo v funkciji OnParticleCollision vidni na izpisu 4.4. Ko ima stanje vrednost 1, ni sprememb. Ko se stanje zviša na 2, začnemo v objektu s sistemi delcev oddajat dim, z dodatnim povišanjem stanja pa ogenj. To naredimo v funkciji ProcesirajStanje() (glej izpis 4.3), ki se kliče v funkciji Update(). private void ProcesirajStanje() { //Če je stanje manjše od 1 ne naredimo sprememb if (stanje < 2) { } else if (stanje < 3) { //vklopimo dim sistemdelcev.transform.getchild(0).gameobject.getcompon ent<particlesystem>().enableemission = true; } //vklopimo dim in ogenj else if (stanje < 4) { sistemdelcev.enableemission = true; sistemdelcev.transform.getchild(0).gameobject.getcompon ent<particlesystem>().enableemission = true; } } sistemdelcev.transform.getchild(1).gameobject.getcompon ent<particlesystem>().enableemission = true; Izpis 4.3: Procesiranje stanja Vrednost stanja se spreminja s številom delcev, ki so prileteli iz drugega ognja v trkalnik kjer gledamo stanje. Zato smo morali poskrbeti, da vrednost povečujejo delci izključno iz drugega objekta kjer gori. To smo naredili s pomočjo funkcije vidne na izpisu 4.4, ki se kliče ob vsakem trku delca v trkalnik. 30

41 void OnParticleCollision(GameObject other) { } // delčki ki prihajajo iz izvora, lociranega na istem mestu kot trkalnik ne povečujejo stanja if (other.transform.parent.gameobject == gameobject (other.transform.parent.parent!= null && other.transform.parent.parent.gameobject == gameobject)) { //izhod iz funkcije brez spremembe stanja return; } if (other == gameobject) { //izhod iz funkcije brez spremembe stanja return; } if (other.tag == "DelecOgnja") { //ker gre za pravilen delec za širjenje požara povečamo stanje za 1. stanje++; } Izpis 4.4: Preverjanje izvora delcev 4.5 Veter Ker ima pri pravih gozdnih požarih velik vpliv veter, smo ga vključili tudi v našo vizualizacijo. Na sceno smo dodali objekt»windzone«, kateri nam omogoča, da se delci premikajo v smeri pihanja vetra in tako simuliramo širjenje ognja v željeno smer. Tako smo na uporabniški vmesnik dodali gumb za vklop in izklop vetra ter drsnika za spremembo moči in smeri vetra (glej sliko 4.5). 31

42 Slika 4.5: Lastnosti vetra Smer vetra (določeno z vektorjem) v naši vizualizaciji spreminjamo z vrednostjo y. Objektu»WindZone«s pomočjo drsnika spreminjamo vrednost y tako, da vrednost drsnika, ki je med 0 in 1 množimo z 360 in s tem dobimo stopinje za smer vetra. Spremembe se generira v funkciji Update()(glej izpis 4.5). // Update is called once per frame void Update() { //Vklop vetra if (objektveter.activeself!= veter.ison) { objektveter.setactive(veter.ison); } //nastavitev moči vetra komponentaveter.windmain = najvecjamocvetra * mocvetra.value; //nastavitev smeri vetra objektveter.transform.rotation = Quaternion.Euler(new Vector3(0f, 360f * smervetra.value, 0f)); } Izpis 4.5: Spreminjanje lastnosti vetra 32

43 4.6 Začetek požara Požar zanetimo z gumbom»podtakni ogenj«, ki smo ga dodali na uporabniški vmesnik. Ta gumb je vezan na enega izmed objektov ognja, na vnaprej določenem drevesu v sceni. Objektu povečamo stanje in s tem začnemo generirat delce na določenem mestu, ki ob trku z drugimi trkalniki povečujejo stanje in s tem začetek generiranja delcev na novih lokacijah, kar ponazarja širjenje požara. 33

44 5 OVREDNOTENJE DOBLJENIH REZULTATOV V okviru tega diplomskega dela smo v grafičnem pogonu Unity 3D izdelali enostavno vizualizacijo požara z uporabo sistema delcev, ki je dober približek realno fizični upodobitvi požara. Ko hočemo zanetiti požar, pritisnemo gumb»podtakni ogenj«in s tem poženemo sistem delcev v deblu drevesa. Kot je značilno za te vrste požarov, se tudi v naši vizualizaciji iz debla najprej začne proizvajati črn dim, ki ga vidimo na sliki 5.1. Slika 5.1: Začetni dim 34

45 Po pravilu»kjer je dim, je tudi ogenj«, po nekaj sekundah izbruhne ogenj (glej sliko 5.2), ki se brez pomoči vetra širi proti krošnji in počasi prestopi tudi na druga drevesa. Slika 5.2: Izbruh ognja Na sliki 5.3 vidimo razvit požar dreves, ki je brez vpliva vetra. Takšni požari v naravi ne predstavljajo velike nevarnosti. V kolikor je teren dostopen, jih je mogoče dokaj hitro omejiti in pogasiti. Slika 5.3: Požar brez vetra 35

46 Slika 5.4 pa prikazuje požar, ki se giblje v smeri vetra in širi mnogo hitreje kot navaden, prej prikazan požar. Požari se ob vetru širijo veliko hitreje in jih je zato veliko težje omejiti in pogasiti. Že pri naši vizualizaciji je dobro razvidna hitrost širjenja požara ob prisotnosti vetra. Slika 5.4: Požar ob prisotnosti vetra v levo stran 36

47 6 SKLEP V diplomskem delu smo najprej predstavili nekaj metod za vizualizacijo požara. Izkazalo se je, da je za naše potrebe najbolj primerna metoda sistema delcev, ki smo jo tudi najbolj podrobno opisali. Zatem smo predstavili grafični pogon Unity 3D in gradnike, ki jih potrebujemo za izdelavo iger. V praktičnem delu smo ustvarili enostavno vizualizacijo požara, pri kateri smo lahko spreminjali smer in moč vetra ter jo naredi zelo realistično. Pri tem smo ugotovili nešteto možnosti, ki jih ponuja grafični pogon Unity 3D pri ustvarjanju pojavov iz narave. To uvršča pogon med enega izmed najboljših na trgu v tem trenutku, kar potrjuje tudi lestvica popularnosti grafičnih ogrodij[18]. 37

48 7 VIRI [1] Reeves W.T. Particle System A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects. ACM Transactions on Graphics, 2, 1983, 2, str [2] Wikipedia. Opis Shaderjev. [ ] [3] Wikipedia. Opis sistema delcev. [ ] [4] Unity 3D. Platforme ki jih podpira Unity 3D [ ] [5] Wikipedia. Virtualna očala Gear VR [ ] [6] Uprava republike Slovenije za zaščito in reševanje. Trikotnik gorenja. [ ] [7] Unity 3D. Sistemi delcev. [ ] [8] Unity 3D. Kamere [ ] [9] Unity 3D. Luči [ ] [10] Unity 3D. Objekti [ ] [11] Unity 3D. Trkalniki [ ] [12] Keylink computers. Krogelni trkalnik [ ] [13] Unity 3D. Kapsulni trkalnik. [ ] 38

49 [14] 3D gep. Mrežni trkalnik. [ ] [14] Unity 3D. Skripte [ ] [15] KOLMANIČ S., N. Guid in A. Nerat: Fire Safety Journal: Multimedia-based teaching tool for computer-supported fire-fighter training. University of Maribor, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science. Maribor: 2013 [16] Wikipedia. OpenGL [ ] [17] Unity 3D. Programska oprema [ ] [18] MODDB. Lestvica grafičnih pogonov000 [ ] [19] Asset Store. Komecialni paket»explosive Realistic VFX Texture Pack« [ ] [20] Asset Store. Komercialni paket»ultra Real Fire Effects Volume 1« [ ] 39

50

51

52