基于虛幻引擎的小麥定向栽培仿真模擬系統(tǒng)

汪 強(qiáng) 鄭 光 席 磊 馬新明，2

基于虛幻引擎的小麥定向栽培仿真模擬系統(tǒng)

汪 強(qiáng)1鄭 光1席 磊1馬新明1，2

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

針對(duì)小麥綠色高產(chǎn)定向栽培的種植技術(shù)，收集并整理相關(guān)數(shù)據(jù)資源，建立3D模型庫(kù)。本文基于虛幻可視化引擎開(kāi)發(fā)了小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供了技術(shù)支撐。

虛幻引擎；定向栽培；小麥；仿真；模擬系統(tǒng)

1 研究背景

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在信息技術(shù)的支持下，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理規(guī)范。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)按需分配農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素和資源，減少資源浪費(fèi)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，達(dá)到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。植物的仿真模擬是近年來(lái)隨著信息技術(shù)進(jìn)步而迅速發(fā)展起來(lái)的研究領(lǐng)域，在農(nóng)學(xué)、林學(xué)、生態(tài)學(xué)及遙感等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為農(nóng)業(yè)的技術(shù)改造和提升注入了巨大活力，也為作物生產(chǎn)管理提供了新的方法和手段［3-5］。近年來(lái)，隨著作物生理生態(tài)理論、試驗(yàn)手段和信息技術(shù)的發(fā)展，作物生產(chǎn)逐漸向與高科技結(jié)合的智能化、數(shù)字化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變［6］。農(nóng)作物的三維生長(zhǎng)過(guò)程數(shù)字化顯示，虛擬作物對(duì)農(nóng)業(yè)科研、生產(chǎn)、教學(xué)有著極大的應(yīng)用價(jià)值。計(jì)算機(jī)能以真實(shí)感模擬作物三維生長(zhǎng)的關(guān)鍵是作物的三維幾何形態(tài)建模和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)知識(shí)的有機(jī)結(jié)合使對(duì)農(nóng)作物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能的研究進(jìn)入數(shù)字化、可視化階段，在計(jì)算機(jī)上以三維可視的方式來(lái)分析、研究和設(shè)計(jì)農(nóng)作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)過(guò)程已經(jīng)成為新的研究方向，數(shù)字植物、作物數(shù)字化設(shè)計(jì)等逐漸得到研究者的重視。

近年來(lái)，對(duì)作物個(gè)體生長(zhǎng)過(guò)程的可視化模擬研究，以及對(duì)作物生長(zhǎng)的形態(tài)虛擬化研究逐漸減少，作物生長(zhǎng)的仿真模擬研究也開(kāi)始向作物生產(chǎn)者需要的栽培知識(shí)應(yīng)用轉(zhuǎn)變，而以栽培技術(shù)為知識(shí)模型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是該轉(zhuǎn)變過(guò)程中的一個(gè)重要方向。虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱VR，是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)，主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)用戶的輸入作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合。

表1 系統(tǒng)一級(jí)模塊功能設(shè)計(jì)

基于虛幻可視化引擎進(jìn)行場(chǎng)景渲染與知識(shí)可視化交互，對(duì)小麥各個(gè)時(shí)期的種植知識(shí)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行仿真模擬，構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)。以三維虛擬世界為載體，以農(nóng)業(yè)仿真模型為科學(xué)計(jì)算依據(jù)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為特色的虛擬農(nóng)業(yè)仿真模擬互動(dòng)平臺(tái)，趣味形象地表達(dá)了小麥栽培知識(shí)運(yùn)用的過(guò)程。通過(guò)小麥八生育期場(chǎng)景漫游和交互操作，為小麥生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供生產(chǎn)知識(shí)的體驗(yàn)性過(guò)程，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)形式對(duì)小麥的生長(zhǎng)周期進(jìn)行形象化、具象化的教學(xué)描述，通過(guò)互動(dòng)視頻解說(shuō)、局部精細(xì)展示、聲音等表現(xiàn)形式對(duì)小麥各生長(zhǎng)周期的栽培知識(shí)進(jìn)行仿真模擬表達(dá)。針對(duì)小麥綠色高產(chǎn)高效種植設(shè)計(jì)，收集并整理小麥生產(chǎn)定向栽培數(shù)據(jù)資源，集成小麥高產(chǎn)高效知識(shí)模型和生長(zhǎng)發(fā)育模型，序列化小麥關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)場(chǎng)景，向用戶推薦小麥定向栽培方案。基于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)場(chǎng)景映射進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，使知識(shí)融入人機(jī)交互的過(guò)程中，使用戶在使用的過(guò)程中掌握小麥定向栽培技術(shù)方案。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 構(gòu)建小麥各生育時(shí)期知識(shí)模型庫(kù)

根據(jù)小麥定向栽培可視化系統(tǒng)需求，構(gòu)建小麥備播期、播種期、冬前分蘗期、越冬期、返青拔節(jié)期、拔節(jié)抽穗期、開(kāi)花成熟期和成熟期八個(gè)時(shí)期的知識(shí)模型。以河南省長(zhǎng)葛市為例，構(gòu)建出小麥八個(gè)不同生育時(shí)期的知識(shí)模型庫(kù)，包括小麥的栽培措施，水、肥管理，病蟲(chóng)害防治、防倒伏等。

2.2 構(gòu)建小麥三維模型庫(kù)

構(gòu)建小麥高產(chǎn)定向栽培3D模型庫(kù)，包括小麥植株模型、農(nóng)機(jī)模型、肥料模型、病蟲(chóng)害模型、藥劑模型和地塊模型等不同時(shí)期所需的三維模型。使用3D Max建模軟件進(jìn)行建模，導(dǎo)入虛幻4可視化引擎中。

2.3 構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬場(chǎng)景

根據(jù)系統(tǒng)仿真模擬要求，搭建小麥栽培作業(yè)的大田場(chǎng)景、播種場(chǎng)景、噴灑場(chǎng)景和收割場(chǎng)景等八個(gè)時(shí)期所需的生產(chǎn)環(huán)節(jié)三維場(chǎng)景，為小麥栽培技術(shù)展示提供仿真模擬基礎(chǔ)。

2.4 構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培知識(shí)動(dòng)畫(huà)視頻庫(kù)

根據(jù)小麥各生育期種植環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，對(duì)小麥種植主要生育期知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)視頻制作，通過(guò)視頻解說(shuō)、Flash動(dòng)畫(huà)、圖片、聲音、文字描述等形式，對(duì)實(shí)際種植場(chǎng)景進(jìn)行逼真模擬和再現(xiàn)，使糧食生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者如同身臨其境，直觀快速地學(xué)習(xí)了解小麥的栽培過(guò)程。

2.5 構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)

基于虛幻4可視化引擎進(jìn)行場(chǎng)景渲染與知識(shí)可視化交互，開(kāi)發(fā)小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真系統(tǒng)。為糧食生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供小麥生產(chǎn)知識(shí)體驗(yàn)過(guò)程，使小麥栽培技術(shù)通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)“看動(dòng)畫(huà)，學(xué)知識(shí)，玩游戲，長(zhǎng)技能”的效果，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)小麥綠色高產(chǎn)定向栽培技術(shù)的要求，按照小麥栽培的八個(gè)時(shí)期，對(duì)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能模塊分為兩個(gè)層次，一級(jí)功能對(duì)小麥的生育時(shí)期進(jìn)行模塊劃分，共劃分為八個(gè)時(shí)期：備播期、播種期、冬前分蘗期、越冬期、返青拔節(jié)期、拔節(jié)抽穗期、開(kāi)花成熟期和成熟期八個(gè)時(shí)期。針對(duì)每個(gè)時(shí)期的栽培管理知識(shí)，通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的交互式方法進(jìn)行仿真模擬演示，其模塊功能設(shè)計(jì)如表1所示。

二級(jí)功能對(duì)小麥各生育時(shí)期內(nèi)的栽培技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互仿真模擬，包括栽培措施，水、肥管理，病蟲(chóng)害防治、防倒伏等。通過(guò)對(duì)每個(gè)周期知識(shí)點(diǎn)的互動(dòng)視頻解說(shuō)、局部精細(xì)展示、聲音等形式，展示小麥栽培技術(shù)的知識(shí)體系，從而為糧食生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供知識(shí)體驗(yàn)過(guò)程。根據(jù)小麥各生育時(shí)期的栽培管理措施，按照系統(tǒng)仿真模擬的展示過(guò)程，設(shè)計(jì)出小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)功能流程，如圖2所示。

圖2 小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)功能流程圖

4 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)場(chǎng)景可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大部分，靜態(tài)部分主要包括地形、地貌、植被、建筑及相應(yīng)的光照紋理渲染等優(yōu)化手段；動(dòng)態(tài)部分主要是實(shí)現(xiàn)虛擬互動(dòng)技術(shù)，如動(dòng)態(tài)信息展示、虛擬漫游、視聽(tīng)效果、虛擬農(nóng)作體驗(yàn)和病蟲(chóng)害防治等。通過(guò)素材制作、模型構(gòu)建、搭建場(chǎng)景，在虛幻4可視化引擎中，建立小麥栽培仿真模擬互動(dòng)平臺(tái)。

4.1 建立三維模型庫(kù)

三維模型庫(kù)的精細(xì)建模是小麥綠色高產(chǎn)定向栽培人機(jī)交互的基礎(chǔ)，集成應(yīng)用參數(shù)化建模、基于點(diǎn)云的三維重建、曲面重構(gòu)等幾何造型技術(shù)，建立三維場(chǎng)景模型庫(kù)，包括小麥植株模型、農(nóng)機(jī)模型、肥料模型、病蟲(chóng)害模型、藥劑模型及地塊模型等。為了快速、精確地對(duì)小麥不同品種各生育時(shí)期的三維模型進(jìn)行建模，采用三維數(shù)字化儀在田間對(duì)小麥的莖節(jié)和葉片進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)獲取；葉片數(shù)據(jù)的獲取規(guī)則是獲取葉邊緣與葉脈上的三維數(shù)據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)。小麥生長(zhǎng)建模，參照肖伯祥等的方法，對(duì)葉片進(jìn)行參數(shù)化建模，并進(jìn)行網(wǎng)格簡(jiǎn)化；參照喬桂新等的方法對(duì)植物莖稈進(jìn)行建模。部分模型如圖3、圖4所示。

圖3 收割機(jī)模型

圖4 肥料配比操作臺(tái)模型

4.2 制作小麥種植視頻動(dòng)畫(huà)

根據(jù)小麥各生育期種植環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，對(duì)小麥種植主要生育期的栽培知識(shí)進(jìn)行視頻動(dòng)畫(huà)制作，通過(guò)對(duì)實(shí)際種植場(chǎng)景的逼真模擬和再現(xiàn)，使糧食生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者如同身臨其境。采用Flash動(dòng)畫(huà)制作軟件進(jìn)行視頻動(dòng)畫(huà)制作，通過(guò)對(duì)實(shí)際種植場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)模擬，對(duì)小麥栽培技術(shù)及小麥的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行快速展示。

4.3 場(chǎng)景搭建與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將制作好的三維模型、動(dòng)畫(huà)、聲音等素材導(dǎo)入虛幻4可視化引擎中，基于虛幻4可視化引擎實(shí)現(xiàn)小麥備播期、播種期、冬前分蘗期、越冬期、返青拔節(jié)期、拔節(jié)抽穗期、開(kāi)花成熟期和成熟期八個(gè)時(shí)期的生產(chǎn)三維場(chǎng)景搭建，并實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的渲染，以及小麥栽培技術(shù)的可視化展示與人機(jī)交互。系統(tǒng)三維模擬逼真，UI設(shè)計(jì)新穎，易于用戶操作和學(xué)習(xí)。系統(tǒng)場(chǎng)景及部分操作界面如圖5至圖8所示。

圖5 小麥仿真模擬時(shí)期選擇大廳

圖6 大田作業(yè)模擬場(chǎng)景

圖7 田間噴灌模擬場(chǎng)景

圖8 小麥?zhǔn)崭钅M展示場(chǎng)景

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)形式對(duì)小麥的生長(zhǎng)周期進(jìn)行形象化、具象化的教學(xué)描述，通過(guò)各種互動(dòng)表現(xiàn)形式有序地呈現(xiàn)小麥八個(gè)生長(zhǎng)周期的栽培技術(shù)，同時(shí)對(duì)每個(gè)周期的知識(shí)點(diǎn)采用互動(dòng)視頻解說(shuō)、局部精細(xì)展示、聲音等表現(xiàn)形式，從而為糧食生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供生產(chǎn)知識(shí)體驗(yàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)“看動(dòng)畫(huà)，學(xué)知識(shí)，玩游戲，長(zhǎng)技能”的效果，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

針對(duì)小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)的要求，重點(diǎn)研究了基于數(shù)字交互技術(shù)，以三維虛擬世界為載體，以農(nóng)業(yè)仿真模型為科學(xué)計(jì)算依據(jù)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為特色的虛擬農(nóng)業(yè)仿真模擬系統(tǒng)。通過(guò)模型構(gòu)建、搭建場(chǎng)景、素材制作，基于虛幻4可視化引擎實(shí)現(xiàn)了小麥各生育期三維生產(chǎn)場(chǎng)景渲染與栽培知識(shí)可視化交互過(guò)程，構(gòu)建了小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)。通過(guò)小麥不同生育期場(chǎng)景漫游和交互操作，趣味形象地展現(xiàn)了小麥栽培知識(shí)運(yùn)用過(guò)程，為小麥生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供小麥生產(chǎn)知識(shí)的體驗(yàn)性過(guò)程，達(dá)到學(xué)習(xí)知識(shí)，增長(zhǎng)技能的效果，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

［1］陳國(guó)慶，朱艷，曹衛(wèi)星.小麥葉鞘和節(jié)間生長(zhǎng)過(guò)程的模擬研究［J］.麥類作物學(xué)報(bào)，2005（1）：71-74.

［2］陳國(guó)慶，朱艷，曹衛(wèi)星.冬小麥葉片生長(zhǎng)特征的動(dòng)態(tài)模擬［J］.作物學(xué)報(bào)，2005（11）：1524-1527.

［3］張懷志，曹衛(wèi)星.基于知識(shí)模型的棉花管理決策支持系統(tǒng)的研究［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

［4］廖桂平.作物智能化栽培管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通通報(bào)，2000（5）：34-37.

［5］劉海波，董銀山.黑龍江省玉米生產(chǎn)管理信息咨詢系統(tǒng)［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（3）：243-249.

［6］郭銀巧，郭新宇，趙春江，等.小麥栽培管理知識(shí)模型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.小麥科學(xué)，2005（2）：112-115.

Simulation Simulation System of Wheat Oriented Cultivation Based on Unreal Engine

Wang Qiang1Zheng Guang1Xi Lei1Ma Xinming1,2
（1.College of Information and Management Science,Henan Agricultural University，Zhengzhou Henan 450002；2.College of Agronomy,Henan Agricultural University，Zhengzhou Henan 450002）

Aiming at the planting technology of wheat green high-yield directional cultivation,collecting and collating related data resources and establishing 3D model library.Based on unreal visualization en?gine,a simulation system for directional breeding of wheat with high green yield was developed,which pro?vided technical support for Directional Cultivation of green and high yield of wheat.

unreal engine；oriented cultivation；wheat；simulation；simulation system

TP391.9；S513

A

1003-5168（2017）10-0047-04

2017-09-01

河南省重大科技專項(xiàng)（131100110400）；河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（S2010-01-G04）。

汪強(qiáng)（1979-），男，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)仿真及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

鄭光（1980-），男，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。