天气现象的虚拟仿真实验教学平台＊

王巍巍，章凯，倪东鸿，梁磊

天气现象的虚拟仿真实验教学平台＊

王巍巍1，章凯2，倪东鸿3，梁磊2

（1.南京信息工程大学 大气与环境实验教学中心，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 传媒与艺术学院，江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学 国家级大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心，江苏 南京 210044）

为了强化学生对天气现象的实验实习，弥补常规实验教学的不足，利用Unity3D技术，设计和开发了包含34种天气现象的虚拟仿真实验平台。此平台通过虚拟仿真实验场景，再现了34种天气现象的发生、发展及结束过程，使学生通过人机互动形式，完成虚拟仿真实验实习，达到深入理解天气现象特征及其变化过程的目的。

天气现象；虚拟仿真实验；Unity3D；人机互动

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，从而完成教学任 务[1-2]。虚拟仿真技术以其安全、经济、可控、多次重复以及无风险等独特优势在各专业教学中发挥着越来越大的作用[3-5]。Unity3D是由Unity Technologies推出的适用于三维游戏、建筑可视化、实时三维动画等综合型开发软件，该软件可以将三维模型、二维界面、粒子特效以及计算机语言进行整合与发布；由于其可跨平台式的发布方式，已被广泛应用于手机端和PC端的游戏开发上[6]。近年来，随着实验教学新模式的不断探索，Unity3D被广泛用以开发各类虚拟仿真实验，如军事[7]、体育训练[8]、矿井作业[9]、航空[10]等。

天气现象的识别和记录是“大气探测实习”的基础教学内容，也是大气科学专业学生必须掌握的内容。在实际教学中，受实习地点、授课时间及天气实况等条件所限，学生不可能亲身经历、观测到各种天气现象，实践教学效果受到了一定的影响，不利于提高学生的实践能力。为了解决该问题，南京信息工程大学开发了基于Unity3D技术的天气现象虚拟仿真实验教学平台。

天气现象虚拟仿真实验教学平台的构建主要分为三大部分：前层的UI（User Interface）设计、中层的三维展示空间、后台的脚本开发。在实现前层的UI设计与交互时，通过Adobe Photoshop软件进行界面的整体设计并将其拆分为各单一元素，导入至Unity3D中，通过脚本来实现各图标之间的逻辑切换与动态表现。对于中层的三维展示空间的制作分为场景的搭建与粒子系统的表现。由于Unity3D无法进行模型的制作，因此该平台模型搭建与材质表现是在MAYA（AutoDesk Maya）软件中实现的。基于.FBX的三维格式，使得模型可以无损完成从三维制作软件到Unity3D的通信。而粒子系统的表现由于各软件之间关于粒子系统之间的通信一直没有统一的方式，因此是利用Unity3D自身的粒子系统进行设计与开发，并使用脚本对其进行控制与交互。后台的脚本开发是该实践教学平台的基础与重要环节，Unity3D所能支持的计算机语言为JavaScript、C#和Boo三种，三种语言的编辑逻辑、执行效率都不同。选取C#这种逻辑简单，执行效率较高的语言方式。利用C#提供的KPI（Key Performance Indicator），调用不同的函数实现人机交互的操作。天气现象虚拟仿真软件平台通过Unity3D和其他软件功能性整合，实现天气现象仿真教学的功能设计和需求。

1 天气现象仿真对象及设计

1.1 仿真场景

仿真场景以南京信息工程大学中国气象局综合观测培训实习基地（南京）（简称观测基地）为蓝本，设计了全场地、多气象仪器的介绍，让学生近距离、直观了解观测基地的各种设备。实验者以观测基地为视角，判断和记录出现在观测基地及视线所及的天气现象；当有的天气现象出现在特殊的地形或地点时，由当前场景转换到特定的场景。仿真软件操作主页面如图1所示。

1.2 仿真对象

《地面气象观测规范》按照天气现象的成因、性质，将天气现象分为降水现象、地面凝结现象、视程障碍现象、雷电现象和其他现象五大类[11]，总计34种天气现象，如表1所示。降水现象包括雨、阵雨、毛毛雨、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、冰雹；地面凝结现象包括露、霜、雾凇、雨凇；视程障碍现象包括雾、轻雾、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘、霾、烟尘；雷电现象包括雷电、闪电、激光；其他现象包括大风、飑、龙卷、尘卷风、冰针、积雪、结冰。

图1 仿真软件操作主页面

表1 34种天气现象及其符号

现象名称符号现象名称符号现象名称符号现象名称符号 雨阵雨毛毛雨雪 阵雪雨夹雪阵性雨夹雪冰雹 霰米雪冰粒冰针 露霜雾淞雨淞 雾轻雾霾沙尘暴 扬沙浮尘吹雪雪暴 烟幕雷暴闪电大风 飑龙卷尘卷风极光 结冰积雪

平台仿真了各种天气现象的发生、发展和结束过程，展现天气现象的地面特征、云、场景明暗度及相关气象要素的演变，辅以必要的文字说明，尽量呈现接近真实的场景。同时，实验要求学生通过人机互动界面，完成天气现象的相关记录。平台根据输入结果，给出“正确”或“错误”提示等。

1.3 运行环境

软件运行操作系统为Windows，为便于学生在网络和机房操作练习，开发了32位和64位两个软件版本，软件大小分别为305 M和308 M。无须安装，直接运行可执行文件。

2 5种典型天气现象的虚拟仿真

2.1 阵雨

阵雨是由对流云产生的阵性降水，降水性质表现为骤降骤止，降水强度变化大，有时会伴有雷暴。雨滴直径一般大于0.5 mm。在虚拟场景中，因阵雨是由对流云如积雨云（Cb）、浓积云（Cu）或层积云（Sc）产生的，因此在天空背景中添加了对流云发展及打雷、闪电效果。阵雨的虚拟场景如图2所示。

在处理对流云发展时，考虑到计算机的耗能，规避了采用实体模拟的方式来表达流动云的状态。将Unity3D中的粒子的渲染模式调整为水平公告板模式，得益于摄影机位是由下而上的，因此可以利用多个粒子产生的轴上的高度差，最大限度地模拟出云层的厚度。而云层内部的运动，则是通过一张事先准备好的云层图片，设置粒子无序旋转和无序放大，以造成云层运动的随机性，从而更加接近实际效果。为了体现阵雨的雨滴与雨的不同，必须展示雨滴落地的飞溅效果。阵雨的雨滴直径较大，雨滴落在坚硬的地面上有飞溅的效果，在处理这种飞溅的效果时，需要依赖Unity粒子的碰撞系统；但在Unity的粒子系统中，无法模拟出真实的物体砸击地面而破碎的动力学效果。解决这种问题的一种思路就是让粒子在撞击地面的同时消失并发射新的粒子，而这个新的粒子就可以用来模拟雨滴飞溅后的效果。此外，通过调整全局灯光照明使得天空变得灰暗。

图2 阵雨的虚拟场景

根据平台中阵雨的实际情况，学生判断阵雨强度（分为小、中、大），选择合适的电码（相应为80、81、82）[12]，并在开始和结束时间文本框内填写相应的时间，开始、结束时间的格式为4个数字（时时分分），不足位时补0，如0814。

2.2 冰雹

冰雹是来自强烈积雨云发展过程中产生的坚硬的球状、锥状或形状不规则的固态降水。冰雹的外层为透明层与不透明层相间的冰层。大的着地反跳，坚硬不易碎。直径一般在2毫米到几十毫米。当有冰雹出现时，要及时记录开始时间和终止时间。根据冰雹降落速度、冰雹数量及地面累积情况，来判断冰雹强度的大小，选择电码88或90。为了清晰表现冰雹的形态，主界面右侧有一个放大的小窗口，供实验者细致观测固态降水，以区分不同类型的固态降水。小窗口的设置是通过开启第二摄影机，且调整其在画面中的位置与大小来完成的。当然，设置第二摄影机时，需重点考虑摄影机的位置、最小剪切平面以及视角范围；通过不断调整，完成对被观察物体的视觉最佳化。冰雹的虚拟场景如图3所示。

2.3 霜

当夜间辐射冷却达到0 ℃以下时，水汽在地面或近地面物体上凝华而成的白色松脆的冰晶就是霜。霜一般出现在晴朗微风、湿度大的夜间，地表温度在0 ℃以下。在虚拟霜的场景时，以地面为背景，随着温度的降低，水汽逐渐在物体表面凝华、长大，形成针状的霜层。为直观表现温度的下降过程，场景左侧增加一个温度表，以动态显示温度变化。随着太阳的升起，地面、空气温度升高，霜逐渐消失。霜的记录仅需输入符号和代码（02），无需记录起止时间。霜的虚拟场景如图4所示。

图3 冰雹的虚拟场景

图4 霜的虚拟场景

在处理霜这类天气现象时，需要设置两个摄影机，供实验者更好地观察、分辨具体的天气现象，但针对此类天气现象的不同景别（即远景和特写），需要通过不同的方式来表现，图4主画面表现的是霜的全景状态，而小窗口则是其细节。这里，处理大场景粒子的方法可以效仿前述的表现流体云的处理方法，使用动态贴图结合粒子的无序性来表现；而细节的表现，则首先需要理解此类天气现象中单一元素的形态，霜的单一形态就是一个针状的霜层，由此展开贴图的绘制，其次将其应用到粒子的外观属性上。此外，需要注意发射器形态的调整，尤其在表现凝结类的现象时，由于其是附在物体表面的，因此，发射器的形态需要完全匹配物体，由此才能在正确的位置上模拟出正确的凝结类现象。

2.4 尘卷风

尘卷风是由于地面局部强烈增热，在近地面气层中产生的小旋风，尘沙及其他细小物体随风卷起形成的尘柱。一般在干燥地区午后出现较多。不是所有的小旋风都记为尘卷风，只有直径达到2 m以上，高度超过10 m，才记为尘卷风[13]。当尘卷风出现时，记录符号和代码（08）。

尘卷风的虚拟场景设计为干燥的沙质地面，尘卷风在地面移动中不断卷起地面的尘土。在表达与物体有相互作用的天气现象时，往往需要多种粒子系统的搭配使用，不同的粒子系统被用来模拟不同的对象。尘卷风的虚拟场景如图5所示，尘卷风本身是没有颜色的，正是因为它卷起了地上的尘土而有了灰黄的颜色，这就需要调整该种粒子系统的色彩等，以与周边环境相适应。此外，由于地面物体的多样性及其质量属性不同，所以需要另外调整几套粒子系统来模拟地上尘土被卷起时的状态。如此搭配使用，才可更好地模拟出尘卷风天气现象。

图5 尘卷风的虚拟场景

2.5 雾凇

雾凇是由过冷水滴迅速冻结或由空气中水汽直接凝华在物体上的乳白色冰晶物，表现为起伏不平的粒状（粒状雾凇）或毛茸茸的针状（晶状雾凇）。雾天及静风时易出现。多附在物体的突出角上或细长物体的迎风面上。该现象在冬季中国北方地区和山区易发。

对该现象进行了虚拟场景转换，由邻近河边的一棵树来展现雾凇的形成过程，雾凇在枝条上逐渐生成并加厚，最后结成白色的雾凇。为便于详细了解该过程，在主界面的右侧同时展示一个小窗口，近距离呈现雾凇在枝条上的生长过程。在虚拟表现这类有累积沉淀特点的天气现象时，需要尽可能地规避使用粒子的不断叠加来表现，如此则会极大地占用计算机的耗能，导致计算机崩溃。解决此类天气现象的思路就是利用粒子自身的大小位移，来模拟出沉淀累积的感觉。这样有利于在有限的计算机耗能下，能更有效地虚拟雾凇现象。雾凇的虚拟场景如图6所示。

3 结语

将虚拟仿真技术应用到大气科学实验教学领域，利用Unity3D粒子技术模拟不同天气现象，为实践教学提供了逼真的实习场景，该软件平台操作简单、易于上手，具有很好的推广与应用价值，这也是Unity3D粒子技术在大气科学领域一次有意义的实践与探索。引入虚拟仿真技术，通过增加虚拟仿真学时或引导学生在课堂以外的时间进行上机操作，极大丰富了实践教学内容，提升了操作体验和教学的互动性，形成了一种新的教学体验模式，有效提升了学生实践技能的锻炼。

图6 雾凇的虚拟场景

但由于软件平台的兼容性与普适性，使得软件从搭建之初就需要保证其有较小的包体量以及较强的互动性，由此导致部分天气现象无法大面积表现，如雨凇、雾凇等，只能通过一个特例来展现其演变过程；其次，由于计算机图形表现与肉眼识别的差距，在表现一些较为细小的天气现象时，无法表现得过于具象，往往需要用夸张的表现手法来体现，如毛毛雨，其雨滴较小（直径小于0.5 mm），软件为了分辨出雨滴个体，无法做得太小，因而无法展现其漂浮的视觉体验，尚需进一步完善。

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TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.017

2095－6835（2019）24－0042－04

王巍巍（1979—），女，黑龙江绥化人，硕士研究生，高级实验师，主要从事大气探测实习教学工作。

国家自然基金项目（编号：41575135）

〔编辑：严丽琴〕