基于Unity3D的傳統農具三維交互展示技術研究

摘要：作為數字化農業建設的重要組成部分，對傳統農具進行三維展示是虛擬農業博物館建設的核心內容。針對當前數字博物館虛擬展示缺乏動態模擬、低集合層次交互等問題展開研究。以成都平原農耕文化館為原型，采用3d Max和Unity3D技術相結合的方法，設計實現了傳統農具展品三維模型、結構展示、工作原理和操作方法的交互式動態模擬。結果表明，采用人機交互式控制展品的方法，能有效增強用戶的沉浸感、交互性和構想性，也為重要農耕文化遺產的傳承和利用創造了條件。

關鍵詞：虛擬博物館；三維展示；Unity3D；交互；傳統農具

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）12-3196-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.12.050

Abstract： As an important part of digital agriculture，3D display of traditional farm tools is the core content of the construction of virtual agricultural museum. This article is specified in the following actual problems such as current 3D display exhibits lack of dynamic simulation，low level interactive study etc. In the Chengdu Plain farming culture museum as the prototype，3d model，structure，working principle，operation method of simulation of traditional farm tools was designed and realized by 3d Max and Unity 3D. The results showed that using the method of human-computer interaction exhibits can effectively enhance the user immersive，interactive and imagination. It is also important to inheritance and utilization of farming culture heritage.

Key words： virtual museum； 3D display； Unity3D； interactive； traditional farm tool

隨著虛擬現實技術、網絡技術的迅猛發展，虛擬博物館以其數字化、三維可視化的特點，正在迅速發展，具有實體博物館不可替代的作用。中國農耕文化源遠流長、內容豐富，作為農業歷史發展過程中的產物，傳統農具是農業物質文化的重要組成部分。對傳統農具進行數字化模擬和三維展示，是實現農具保護、傳承和利用的有效手段，是弘揚農耕文化的一項重要內容[1]。

1 虛擬博物館三維展示技術

1.1 三維展示技術

當前許多國家和地區都基于實體博物館建立了在線數字博物館，對于展品的三維展示，主要通過兩種方法實現：①基于二維圖像的三維展示技術。基于圖像的三維展示是利用數碼影像技術，對要展示的對象進行實景拍攝，采用圖像拼合和插值技術，建立具有三維視覺效果的圖片[2]。這類方法一般應用于對細節和內部結構表達要求不高的外觀或整體效果的展示場合[3]，優點是開發成本低、制作效率高、文件體積小；局限性在于交互性弱、對象的可重用性和擴展性低。②Web3D交互瀏覽展示。Web3D（Quest3D、VRP、Unity3D等）技術的出現，改變了傳統網頁瀏覽中無法顯示交互三維物體的弊端，信息獲取由閱讀型轉變為感受型，廣泛地滿足了用戶參與的需求[4，5]。這種展示方式便捷高效、交互性強、逼真度高，對象的可重用性高；缺點是三維建模周期長、成本高。隨著三維建模技術的發展和網絡技術的進步，基于真實三維模型的Web展示技術得到了越來越多行業的廣泛青睞。

1.2 虛擬農業博物館傳統農具三維展示存在的問題

國內比較著名的農業類博物館有中國農業博物館、北京農業博物館等，其三維展示系統對比結果如表1所示。這些數字博物館在傳統農具外觀三維模擬、展示方面做了大量工作，但在信息展示、信息系統化傳遞方面還存在以下問題：①展示形式、手段單一。展示形式以圖文為主，少部分博物館實現了虛擬實物展示效果，但以模型的整體靜態形態展示為主，缺乏對關鍵部件進行拆卸、移動、展示、透視等操作功能；較少涉及模型工作原理和操作方法的動態模擬[6]。人機交互少，表現為較低的集合層次上（如選擇、縮放、旋轉和平移等）參與交互任務的執行[7]；同時，對于模型交互展示的熱點鏈接通常都是建立在二維頁面上，不利于模型的充分展示和用戶的深入體驗，這對于農耕文化的有效傳承和利用是遠遠不夠的[8]。②實用性和專業性不突出。大部分農業數字博物館定位于農業科普和教育，對于以農業研究為主的專業目標群體尚未專門針對，結合區域農耕文化特色展開研究的農業數字博物館十分稀少。③兼容性和擴展性不足。三維在線展示系統因其制作工具的多樣化，資源重復建設現象嚴重，平臺移植性差，數據庫緊耦合等，導致系統兼容性和擴展性不足，不利于博物館數字資源的整合、重建和共享。

2 基于Unity3D的傳統農具三維交互展示設計

Unity3D是一個跨平臺、綜合性的專業游戲引擎。將其用于博物館的三維可視化開發，主要基于以下優點：①Unity3D是一個層級式的開發環境[9]，擁有功能完備的編輯器，基于組件的對象系統，可定制的IDE環境，代碼驅動的開發模式，實時的動態預覽效果；②基于Mono的開發腳本簡單高效，既減少了安全隱患，又降低了跨平臺代碼編寫的難度；③便利的多平臺開發、部署、發布特性，支持多種插件，可以發布成網頁瀏覽的方式，不用下載和安裝客戶端，就可以直接體驗[10]。

2.1 三維模型制作

對傳統農具進行虛擬建模和工作原理模擬，豐富傳統農具的三維展示功能。以扇谷風車為例，利用3d Max進行模型和材質制作，建模分為4個部分：風箱（含風葉、搖手）、漏斗（含米斗）、出風口、腳架。為了有效控制模型面數和便于后期的交互設計，采用多邊形建模方法，同時對模型從3個方面進行優化：①使用簡化工具減少三角形面片的數量[11]；②對于相同結構的部件組成如漏斗、米斗等采用實例方式克隆；③合并使用相同貼圖的材質球及其Mesh網格對象。

2.2 模型導入Unity3D

由于Unity3D無法識別Max格式文件，所以在3d Max中把Max文件導出成fbx格式再導入到Unity3D中。在導入過程中，針對出現的一些問題采取了相應的解決辦法：①單位設置。Unity3D中的1單位是fbx文件中1單位的100倍，因此在3d Max中單位設置成1 cm相當于Unity3D中單位設置為1 m。②軸向問題。Unity3D和3d Max的坐標系不一致，Unity3D是Z軸向上，3d Max是Y軸向上，容易導致模型坐標錯亂。針對3d Max2009以上版本采用輸出插件或利用Reset Xform重新定義Transform信息可以有效解決軸向問題。③材質問題。在3d Max中賦予的材質導入到Unity3D中不會被正確顯示，但Unity3D自動生成了這些材質的材質球，要將材質重新賦予1遍。貼圖放置在同一文件夾中會自動導入。

2.3 模型的運動仿真

扇骨風車的工作原理（圖1）是風葉一邊高，另一邊低于風來的方向，可以使風在風葉表面形成轉向力，往一個方向吹動（由高到低），所以風車轉動。打開谷物漏斗，谷物受到風的吹動，重的飽滿谷粒（或米）直接從最近的米斗落下，中間的是半飽滿谷粒，遠處的是秕谷和茅草（或糠），越輕的飄得越遠，從而達到分離的目的[12]。風車靠手工轉動，速度太快，飽滿的谷粒會從半飽滿谷粒出口落下；速度過慢，秕谷則不能充分分離。

2.3.1 模型的層次關系 主要進行傳統農具結構和工作模擬展示，其機械動力原理不作為研究重點內容。嚴格的層級關系設置使得后面的仿真運動交互設計得到大幅度簡化（表2）。

2.3.2 模型的外觀結構交互展示 在現有的虛擬農具模型三維展示功能基礎上，本研究為模型加入了多視圖（頂/底、前/后、左/右、透視）展示控制、多維旋轉展示和部件拆卸、透視觀察的功能。①多視圖展示利用不同視圖的渲染效果，通過交互按鈕控制展示。②多維旋轉展示功能設計中，由于鼠標的坐標系是二維的，需要轉化為三維的世界坐標系，在三維情況下計算鼠標位置與物體的距離。采用Vector3結構體變量ScreenSpace存儲，以此來明確屏幕坐標系Z軸的位置。用戶在布展過程中，可自主選擇鎖定X、Y、Z任一坐標軸的方式進行交互式觀察。③為解決風車模型在裝配后，一些部件被外部零部件遮擋，無法看到內部結構的問題，設計了部件縮放、透視觀察和高亮顯示功能[13，14]。當鼠標點擊到有相互遮擋的零部件時，外部的零部件會變為半透明，將內部的零部件顯示出來[15]。當鼠標點擊某個零部件時，該部分會被放置到視口中央并最大化顯示出來，并可進行移動觀察，幫助用戶認識和掌握扇谷風車模型的具體結構。

2.3.3 扇谷風車的工作原理動態模擬 以扇谷風車篩谷為例，通過鼠標交互控制插銷的位移運動，帶動啟門旋轉運動；設定好搖臂旋轉速度并轉動搖臂即可帶動風葉旋轉，谷物粒子下落運動、分離。具體的工作流程如圖2所示。

扇谷風車的工作原理動態模擬實現過程：①插銷的位移運動，通過從鼠標發出的射線與插栓相碰，則調用onMouseDrag函數。取從鼠標發出的射線與插栓相碰的坐標，賦給mouseMove，再將mouseMove的x坐標和y坐標賦給插銷，讓插銷貼在插栓上移動。②插銷帶動啟門的運動，通過創建驅動實現動畫效果。將插銷的位移運動作為主動物體，啟門的旋轉運動作為被驅動對象。其中，啟門的旋轉運動中心點為局部坐標，圍繞自身邊軸旋轉。③搖臂有自轉運動和帶動風葉旋轉運動，為確保多級運動關系順利進行，在設置搖臂旋轉運動時，通過創建Null空對象并修改其中心點至搖臂旋轉點，為空對象設置旋轉運動，并設置空對象與搖臂的父子關系。同時，風葉又作為搖臂的子對象，繼承搖臂的旋轉運動。④扇谷風車對谷物的分離通過將不同質量的谷粒下落到不同漏斗中實現。Unity3D內置了目前最為廣泛使用的NVIDIA的Physx物理引擎。Rigidbody（剛體）可接受外力與扭矩力使對象在物理系統的控制下運動。創建剛體小球模擬谷粒顆粒，質量設為隨機數10 g，添加材質后用克隆的方式將谷物充滿漏斗。扇谷風車作業時，打開啟門開關，谷粒由于重力自動下落，根據剛體小球的質量大小的條件判斷，決定小球下落的通道和位置，為風車的篩谷作業提供參考。扇谷風車的工作模擬效果如圖3所示。

2.3.4 模型的發布展示 Unity3D具有豐富的跨平臺性，用戶可以在10多個不同的平臺上創建和部署開發項目[16]；Unity3D也會根據不同的平臺而自動調整資源滿足目標硬件和平臺的需求。開發的展品系統既可發布為Windows Web版本，也可移植為 iPhone、iPad、Andriod等移動終端系統，只需一鍵即可完成作品的多平臺開發和部署，用戶只需要在安裝有Unity Web Player插件的任何瀏覽器上即可運行。

3 小結

3d Max、Unity3D軟件結合使用，實現了傳統農具的三維交互展示和工作原理模擬。模型三維展示系統操作友好、效果豐富，實用性強，具備較強的兼容性和可擴展性。交互控制平臺以Web形式運行，所有數據內嵌到瀏覽器中，方便靈活[17]，為數字博物館平臺的虛擬仿真設計提供了新的方法和思路，但其中也存在一些問題有待進一步深入研究：①扇谷風車工作過程中隨著搖臂運動產生的風力場模擬是研究的重點和難點；②谷粒剛體的運動受到自身重力、風力、與漏斗面板之間的摩擦力等因素影響，對更為逼真的篩谷交互模擬是下一步的研究方向；③隨著移動智能終端技術的不斷發展和廣泛普及，基于移動平臺的交互式三維展示技術研究將是未來發展的新方向。

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