一種基于Unity3D的虛擬楊梅三維修剪系統(tǒng)

葉少挺，吳子朝，梁森苗，鄭可鋒，祝利莉，胡為群，彭一輝

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院，浙江杭州 310021；2.杭州電子科技大學，浙江杭州 310058）

一種基于Unity3D的虛擬楊梅三維修剪系統(tǒng)

葉少挺1，吳子朝2，梁森苗1，鄭可鋒1，祝利莉1，胡為群1，彭一輝1

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院，浙江杭州 310021；2.杭州電子科技大學，浙江杭州 310058）

本文基于Unity3D平臺，提出了一種虛擬楊梅三維修剪系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該方法重點解決了場景模型組織、切割求交、重新三角化、知識展示等問題，設(shè)計和實現(xiàn)了修剪教學、標準修剪和自由修剪等功能。試驗表明，系統(tǒng)功能完善，有較好的擬真度和交互性，可以滿足在Internet上發(fā)布和實時傳輸?shù)囊螅谕茝V中也獲得了較好的評價。

Unity3D；楊梅；虛擬修剪；建模

對楊梅進行適當?shù)恼涡藜簦欣谂囵B(yǎng)結(jié)構(gòu)合理的豐產(chǎn)樹型，促進幼樹營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)化，提早進入結(jié)果期，且可改善樹冠的通風透光條件，減少病蟲害的發(fā)生，有利于提升果實品質(zhì)［1］。在實際生產(chǎn)中，種植者往往很難快速掌握修剪的技術(shù)和要訣，會由此導(dǎo)致修剪效果不佳，影響楊梅的生長和采收。

虛擬楊梅三維修剪系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）利用計算機圖形學和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模擬一系列高仿真、可自主學習的虛擬楊梅植株場景，提供一種方便的可多次模擬、反復(fù)練習，以掌握先進修剪技術(shù)的新方法［2］。用戶可在系統(tǒng)中一邊自主修剪，一邊學習相關(guān)科學知識，最終過渡到實際生產(chǎn)中的楊梅修剪操作［2］，達到快速學習和掌握楊梅修剪實用關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)目標。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用基于Web的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，面向Internet發(fā)布。用戶通過Web瀏覽器訪問系統(tǒng)，使用鼠標鍵盤可360°觀察虛擬楊梅植株，并進行枝條修剪等交互操作。其修剪操作滿足如下要求：準確、快速地拾取待剪枝條；修剪過程具有實時性；用戶界面友好，人機交互過程符合真實的人工修剪操作等［3］。

1.1 平臺選擇

目前，基于Web的虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具主要有WebGL，Unity3D，VRML，Quest3D，Virtools， Cult3D等。其中Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個功能強大的集成游戲引擎和編輯器，它可以通過簡單的用戶界面迅速高效地創(chuàng)建對象、導(dǎo)入外部資源，并可通過簡單的拖拽操作實現(xiàn)諸如變量賦值，連接腳本等操作。目前，Unity3D以其優(yōu)越的框架已在眾多三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中用作支撐平臺。經(jīng)過綜合考慮，本系統(tǒng)采用Unity3D平臺進行開發(fā)。

1.2 功能設(shè)計

系統(tǒng)擬提供以下功能模塊。

修剪教學。提供修剪入門教程。包括如何使用鼠標選取枝條，選擇合理切割位置和切割方向等信息。

標準修剪。本模塊對用戶行為有一定的限制性和引導(dǎo)性。當用戶使用鼠標滑過待剪枝條時，系統(tǒng)會將該枝條高亮顯示，同時提示枝條類型和修剪位置等信息，并在修剪完成后提示修剪原因和相關(guān)技術(shù)知識，逐步引導(dǎo)用戶修剪出標準的楊梅樹型。

自由修剪。是“標準修剪”的進階功能，對用戶行為無限制。用戶可以沿任意方向?qū)χl進行自主修剪，修剪過程中系統(tǒng)不作任何提示，直到修剪完成后才會給出相關(guān)評價。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 場景模型組織

為了保持楊梅植株逼真的視覺效果，同時降低系統(tǒng)負擔，系統(tǒng)使用面片建模法，在3D MAX中構(gòu)建具有較少面片數(shù)但不影響真實感的植株模型［4］。

根據(jù)現(xiàn)實中楊梅植株的枝條層次關(guān)系和修剪規(guī)范要求，植株模型被分解成若干個子模型，如圖1所示，標號為②的二級主枝與③④號子枝條作為一個子模型被創(chuàng)建，該子模型的形態(tài)在術(shù)語中被稱為“直立枝”。在“標準修剪”模塊中這個“直立枝”模型將被整體高亮顯示并參與修剪運算。

圖1 植株模型的組織關(guān)系

模型組織完畢后，導(dǎo)入到Unity3D中，分別通過具體設(shè)計賦予其材質(zhì)、光照等屬性，并添加交互事件和相關(guān)知識等接口，方便具體操作過程的交互和提示，具體流程如圖2所示。

圖2 虛擬場景構(gòu)建的流程

2.2 修剪算法

修剪算法是系統(tǒng)實現(xiàn)的核心部分。為了逼真地實現(xiàn)枝條修剪操作，系統(tǒng)采用鼠標拖拽的方式來模擬該過程。

當用戶在虛擬場景中點擊鼠標并拖拽時，采用光射投射算法確定該射線同網(wǎng)格的具體相交點和拖拽方向，并根據(jù)該相交點和拖拽方向確定相交平面。然后將該平面與相交的模型作求交，并采用基于八叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來加速該求交過程，得到三角形內(nèi)的切割位置。如圖3所示，當用戶使用鼠標在模型上作切割之后，通過射線與模型求交，會得到一系列與線條有相交的三角形列表。隨后，采用Delaunay三角剖分的策略來重新網(wǎng)格化。具體Delaunay策略描述如下。

圖3 植株模型切割的示意圖

（1）找出面片內(nèi)待插入的頂點（與邊有相交的頂點），將該點與該多邊形內(nèi)其他點相連，從而生成一系列新的三角形。

（2）由2個公共邊組成的四邊形進行判斷，如果其中有一個三角形的外接圓包含第4個頂點，則將這個四邊形的對角線進行交換。

（3）對新的頂點，迭代（1）（2）步，直到對所有新插入的點都做好三角化。

具體細節(jié)如圖4所示：給定一個三角形（頂點以a，b，c來表示）（圖4中a），如果在e，f處將該三角形切割分開（圖4中b），則通過任意連接一條邊，假設(shè)為a，f，計算其外接圓，判斷是否包含其他點（圖4中c），通過優(yōu)化最終將邊a，f優(yōu)化為e，c（圖4中d）。

圖4 Delaunay三角化過程

2.3 知識集成

為了讓用戶快速有效地掌握楊梅修剪技術(shù)，系統(tǒng)在相關(guān)模塊中集成相關(guān)栽培知識，并在修剪過程中全方位實時展現(xiàn)。

這些知識存儲在一系列的XML文件中，并通過Unity3D自帶的GUI框架顯示。系統(tǒng)預(yù)加載和解析XML內(nèi)容信息后，通過判斷鼠標位置和相關(guān)事件，觸發(fā)顯示事件。

圖5 “標準修剪”模塊的知識集成

3 試驗與分析

系統(tǒng)開發(fā)完成后，相關(guān)實驗在一臺普通PC（Intel Celeron E3300 2.5GHz/2GB/IE8/電信寬帶4 Mbps）上進行。

速度試驗。如首次通過Internet訪問系統(tǒng)，其響應(yīng)時間平均為5～6 s，而再次訪問時間可縮短到2～3 s；訪問一些較大場景的響應(yīng)時間平均在3～5 s；通過鼠標旋轉(zhuǎn)、縮放、平移和修剪操作響應(yīng)較實時，基本感覺不到等待時間，其算法效率較高（模型擁有三角形面數(shù)55 180個）。

功能試驗。系統(tǒng)使用了一個典型的成年東魁楊梅植株模型，在這個模型上實現(xiàn)了修剪教學、標準修剪和自由修剪等功能模塊，部分修剪效果見圖6。

圖6 修剪前后植株形態(tài)的比較

系統(tǒng)存在局限性。在“自由修剪”功能模塊中，植株模型枝條在三維空間呈縱橫交錯之勢，如果用戶在視野較遠的情況下進行修剪，其動作形成的平面可能會與不同緯度的多個枝條同時形成交集，導(dǎo)致修剪算法較難準確判斷修剪目標枝條，容易對非目標枝條造成“誤傷”。

現(xiàn)階段實現(xiàn)精確修剪的操作規(guī)范。用戶需先使用鼠標中鍵拉近與目標枝條的距離，然后通過鼠標左鍵在修剪部位做小范圍的手勢動作來完成。圖7展示了2種修剪方式的比較。

然而，此局限性并不影響系統(tǒng)的功能完整性和擬真度，因為現(xiàn)實中種植者一般只對距離較近的單根枝條進行操作。

圖7 “自由修剪”模塊的鼠標動作

兼容試驗。因為Unity3D平臺具有優(yōu)秀的兼容性，系統(tǒng)在IE，Safari，F(xiàn)irefox和Chrome等主流版本的瀏覽器下均能流暢運行。

安全試驗。項目組使用Web安全測試工具IBM Security AppScan對系統(tǒng)進行了掃描實驗，發(fā)現(xiàn)中高風險0個，低風險6個，參考建議21個，表明系統(tǒng)的安全性較強。

推廣試驗。科研人員已將該系統(tǒng)推廣到5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共計培訓種植者1 253人，受訓人員評價該系統(tǒng)操作直觀，可反復(fù)練習，對掌握楊梅修剪關(guān)鍵技術(shù)要點有較大幫助。

4 小結(jié)

本文提出了一種使用Unity3D平臺來虛擬楊梅修剪操作的方法，可以有效模擬實際生產(chǎn)中的修剪操作，能夠滿足Web用戶實時交互性的需求［4］，是數(shù)字農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)研究相結(jié)合的一次協(xié)同創(chuàng)新，在現(xiàn)階段具有一定的先進性和探索性，但系統(tǒng)的實用性仍有待進一步提高。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展和推廣，本方法將得到更多面數(shù)、更高逼真度和更優(yōu)秀算法的支撐，預(yù)期可以在農(nóng)業(yè)實用技術(shù)推廣和科研領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］ 謝志亮，吳振旺.浙江省四大楊梅良種及主要栽培技術(shù)［J］.溫州農(nóng)業(yè)科技，2011（12）：26-29.

［2］ 田世平，苗良.模擬果樹修剪系統(tǒng)研究［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2006（2）：32-38.

［3］ 林定，陳崇成，唐麗玉，等.基于顏色編碼的虛擬樹木交互式修剪技術(shù)及其實現(xiàn)［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學學報，2011，23（11）：1799-1807.

［4］ 張倩倩，淮永建.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中虛擬樹木的建模和實時渲染研究［J］.計算機仿真，2009，26（2）：259-262.

（責任編輯：高 峻）

TP 391.7

：B

：0528-9017（2014）10-1632-03

文獻著錄格式：葉少挺，吳子朝，梁森苗，等.一種基于Unity3D的虛擬楊梅三維修剪系統(tǒng)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學，2014（10）：1632-1635.

2014-06-12

浙江省農(nóng)科院科技創(chuàng)新能力提升工程項目（2012R28Y01E03）；國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費（201203089）

葉少挺（1979-），男，助理研究員，從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與數(shù)字農(nóng)業(yè)研究工作。E-mail：ysting@mail.zaas.ac.cn。