基于Unity3D的六堡茶虛擬種植教學仿真系統設計

宮海曉 周全越 馮思怡

摘? 要：針對傳統的六堡茶種植教學中存在的種植周期長、易受季節和天氣限制等問題，提出了一種基于Unity3D的六堡茶虛擬種植教學仿真設計方案，并開發了六堡茶虛擬種植教學仿真系統。通過采用3D Max等軟件建模，利用Unity3D引擎，設計了移栽、修剪和采摘等虛擬仿真模塊，并通過粒子模擬和重力系統實現天氣與物理現象的模擬還原。經測試，該虛擬仿真系統具有良好的操作性與沉浸感，相比傳統的六堡茶種植教學，更加便捷和廉價，減少了傳統教學投入的時間和金錢，達到了六堡茶種植教學的預期效果。

關鍵詞：六堡茶;虛擬現實;Unity3D

中圖分類號：TP391.9 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）10-0099-03

Abstract：To solve the problems existing in the traditional planting teaching of Liupao tea，such as long planting cycle and easy to be restricted by season and weather，a virtual planting teaching simulation design scheme of Liupao tea based on Unity3D was proposed，and the virtual planting teaching simulation system of Liupao tea was developed. By using 3D Max and other software for modeling and using Unity3D as engine，virtual simulation modules such as transplanting，pruning and picking were designed，and weather and physical phenomena were simulated and restored through particle simulations and gravity systems. After test，the virtual simulation system had a good sense of operability and immersion. Compared with the traditional Liupao tea planting teaching，it was more convenient and cheaper，which reduced the time and money invested in the traditional teaching，achieving the expected effect of Liupao tea planting teaching.

Keywords：Liupao tea;virtual reality;Unity3D

0? 引? 言

六堡茶屬于黑茶，是廣西壯族自治區梧州市特產，中國國家地理標志產品，其中以梧州蒼梧縣六堡鎮所產最為著名。由于六堡茶含有人體必需的多種氨基酸、維生素和微量元素，長期飲用可以健胃養神、減肥健身，因此越來越受到消費者的喜愛，逐漸進入大眾視野。六堡茶產業經濟的急劇發展，不僅對六堡茶的種植技術提出了更高的要求，而且也急需大量的種植技術人員，但由于受到城市地域等各種原因，短時間內無法解決人才短缺的問題，目前仍采用技術人員口口相傳和實地教學的方法，實現這個過程不僅需要消耗大量時間，另外還需要一定規模的茶園教學場地，并且人數較多時存在難以管理的問題。同時實驗茶園的搭建以及管理對教學機構是一個不小的負擔，而學員在實驗過程中對茶樹也會造成不同程度損傷，造成經濟的損耗。

針對以上不足，本方案通過使用Unity3D技術，借助3D Max等建模軟件，真實還原實驗場景，通過模擬仿真操作，保留傳統教學的沉浸式效果，且解決了傳統教學中由于時令限制、茶株生長狀況限制和實踐管理難度高等導致的消耗時間長、教學質量不佳、練習損耗高的問題，既教會了學員六堡茶種植技術，而且使學員學習的效率和教學效率都有所提升。

1? 系統總體設計

1.1? 系統模塊需求

六堡茶的種植教學，涉及茶樹選種、育種、栽種、澆灌、修剪、采摘等眾多知識點，整個教學活動需要對茶樹的不同生長時期進行操作。因此，為實現更加具有真實性的仿真操作，提高學員學習興趣，將枯燥的專業知識教學變為可視化、可交互的興趣教學，本仿真系統將主要教學過程分為移栽、修剪和采摘三個模塊。同時在滿足教學活動的基礎上，設計了練習、教學、考核三個模式。

1.2? 系統仿真需求

仿真操作影響著系統沉浸感，在課程中合理的仿真設計，是教學系統的基礎設計理念。在進行仿真設計時，需要綜合用戶體驗與實際技術限制進行考慮，本仿真系統主要考慮了以下四個方面的仿真操作。

1.2.1? 觸覺彌補

在實際茶樹種植中學員可以依據多方面的感知進行操作，而目前的虛擬仿真主要還是以視覺的形式進行仿真模擬，觸覺的仿真模擬尚未成熟。本仿真系統在對涉及多感官操作時，提出了視覺提示彌補的解決方案，采用高光提示進行反饋，此方案可以使用戶準確感知到茶樹操作的具體內容，同時降低用戶的操作難度。

1.2.2? 液體仿真

在仿真教學系統中涉及到澆灌的操作，即需要對液體進行模擬，在計算機的液體模擬主要有著色器模擬和粒子系統模擬。前者用于外觀上的模擬，并不具備動力學的特性，無法完成液體傾倒的仿真模擬;后者具有動力學特性，但同時存在液體容器在運動時速度過大與液體產生穿透的問題，本仿真系統采用兩者混合的方式實現液體模擬仿真，即在單手提起水桶的常規情況下，桶內液體使用著色器進行模擬，在雙手進行澆灌操作時，生成液體粒子進行液體傾倒模擬。40FD3F09-BDE3-4BBD-A00E-4B8210CE6395

1.2.3? 修剪仿真

茶樹修剪是茶樹種植技術關鍵環節，需要采用到枝剪工具進行修剪動作，本仿真系統在考慮操作沉浸感的基礎上，將枝剪的操作細節進行保留。在實現枝剪精細操作的解決方案上提出了一種仿真解決方案，即在雙手持握的情況下，利用手的距離控制剪刀動畫達到控制剪刀仿真的效果。

1.2.4? 天氣仿真

天氣是影響茶樹種植的重要因素，如何在虛擬仿真場景中還原天氣的變化成為關鍵，本仿真系統在進行天氣系統的模擬仿真時進行了多種嘗試，如利用UniStorm天氣系統實現一套完整的晴雨晝夜乃至春夏秋冬的氣候效果，但該插件功能強大但可編輯性不強，綜合考慮并不適合本課題天氣系統的開發，因此最終選擇使用編寫控制腳本與Enviro-Sky and Weather插件結合，天氣效果系統由插件實現，控制腳本在程序開發中實現。

2? 系統功能實現

2.1? 模型制作

六堡茶虛擬種植仿真教學系統的基礎是創建具有真實感的三維場景，整個場景的布局離不開三維建模。在該仿真系統中模擬茶園場景進行建模，根據地形，茶樹、樹坑、土壤等的實際情況，對其模型位置和比例進行參數調整，讓構建的虛擬場景沉浸感強，模型面數合理。主要構建的模型有場景模型、樹坑模型、土壤模型、茶樹模型、農具模型等。

（1）場景模型。為了讓場景看起來更為真實，在Unity里搭建VR教學系統所需要的教學場景，借助Unity3D游戲引擎開發的地形與場景生成系統Gaia插件，制作地形景觀的插件。

（2）樹坑模型。在該仿真系統中，茶樹的移栽時需要進行挖坑的操作，為實現場景中出現的樹坑效果，借助Cinema 4D建模軟件，通過將基礎模型進行編輯，制作出茶苗移栽時不同深度的坑。

（3）土壤模型。在系統場景中，對田壟進行挖坑并將茶苗放入了合適深度的坑之后，應該往樹坑里面填土。為了實現此交互，在Cinema 4D建模軟件中，通過置換和減面進行填坑時的土壤模型制作。

（4）茶樹模型。不同時期的茶樹是該仿真系統的重要模型，在茶樹的移栽需要三種不同茶苗的模型，茶樹的修剪中需要定型修剪、深修剪、重修剪、臺刈等時期的茶樹模型，茶樹的采摘也需要不同的茶樹模型。借助SpeedTree建模軟件，通過對茶樹模型各種參數的不同設置制作出不同時期的茶樹模型。

（5）農具模型。在系統場景的交互中，對茶樹的種植需要用到各種工具，比如鋤頭、鏟子、水桶、剪刀、竹籃等。通過借助3D Max建模軟件，通過樣條線擠壓等操作制作出農具模型。

2.2? 交互實現

2.2.1? 天氣模塊交互

該仿真系統主要使用到Enviro-Dynamic Enviroment插件，調用其內部的天氣預設，并對虛擬仿真場景進行相應的優化。主要制作原理是通過搭建天氣系統，然后編寫天氣控制腳本WeatherController.cs控制天氣的跳轉。

2.2.2? 移栽模塊交互

移栽主要是實現挖土的仿真與種植深度的檢測，本仿真系統通過預設多段樹坑深度，依據挖坑的次數增加樹坑的深度，在涉及樹坑與土壤的相互作用時，采取的方式是，在鋤頭碰撞產生時，分別遍歷兩個物體的子孫物體對象，對當前被碰撞物體所遍歷到的最后一個未隱藏對象進行隱藏，而另一個未被碰撞的物體所遍歷到的第一個已隱藏對象進行顯示。

2.2.3? 澆灌模塊交互

澆灌涉及液體仿真，而液體仿真所遇到的問題在于在碰撞系統中碰撞在速度過快時會發生穿透現象，這樣就會出現在人物移動過快時液體會從器物中露出的現象。針對該問題，本仿真系統使用Obi流體插件，根據澆灌的操作，選擇使用分階段處理，即當容器被一只手提起時液體不產生，當兩只手參與操控容器時液體便開始產生，當一只手退出操控時液體停止產生并推遲后銷毀。

2.2.4? 修剪模塊交互

六堡茶選種為灌木型中葉種，茶園護理中的修剪對茶樹生長有很直接的影響，以茶樹修剪階段劃分有定型修剪、輕修剪、重修剪以及臺刈四種類型，其中定型修剪分為覆蓋、移栽、茶苗成年三個階段，每個階段執行的重要依據是茶樹的高度;而輕修和重修對應的是壯年茶樹;臺刈則面向老化的茶樹或遭遇凍害的茶樹。系統根據三次修剪與茶樹高度的關聯性，在修剪實驗的模擬仿真上采取了預設置多個修剪分段式，修剪時將根據操作剪去不同分段，增強用戶操作感。

2.2.5? 采摘模塊交互

在采摘的交互設計上沿用修剪的解決方案，但交互對象轉換為手，同時為了還原實際采茶情況，添加入竹籃這一交互工具，并保持跟隨在身體一側，采茶時可以隨拿隨放，采茶的關鍵點在于茶葉在采摘之前是不具備重力的，在采摘后才擁有重力，如果在采摘過程中失誤導致茶葉掉落，在場景中便難以尋回，在實際茶園中也是如此。

為了簡化用戶體驗難度，本仿真系統對采摘交互流程進行了以下設計，當用戶手觸碰可摘取茶葉時，茶葉會顯示高亮邊緣，綠色為正確采摘，按下手柄扳機鍵時，采下對應的茶葉，將茶葉置于竹籃中并釋放時短暫產生重力，穩定后去除重力，防止竹籃在移動時，茶葉因重力產生穿透。

3? 系統測試結果

為了驗證該仿真系統是否滿足六堡茶種植培訓要求，作者邀請了六堡茶種植專業技術人員以及多位學員對該系統各個仿真模塊進行了測試。主要測試該系統功能模塊是否完整、模擬仿真是否準確、系統畫面是否流暢、系統交互是否合理四個方面。經過專業技術人員和學員的共同測試與交流表明，該系統功能模塊完整，在種植、修剪、采摘等方面的模擬仿真具有沉浸感，符合六堡茶實際種植操作規范要求，整個系統運行流暢，畫面美觀大方，不僅具有一定的交互性能，而且系統穩定性較高，實現了六堡茶種植過程的模擬仿真。

4? 結? 論

本文采用Unity3D的虛擬仿真技術，通過使用3D Max、Cinema4D、SpeedTree等三維建模軟件，開發了六堡茶虛擬種植教學仿真系統，模擬仿真了六堡茶種植過程中的種植、移栽、修剪、采摘等操作，同時提供了天氣系統的切換，并實現了系統中流體模擬、物體高光、射線碰撞、物理模擬等關鍵性技術功能。

通過使用六堡茶虛擬種植教學仿真系統，在一定程度上替代了枯燥的傳統教學，不僅激發了學員的學習興趣，同時降低了教學人員的教學負擔，基本解決了傳統六堡茶教學中存在的場地、人員、經濟、天氣等問題，為六堡茶種植技術人員提供了良好的培訓和學習平臺。

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作者簡介：宮海曉（1982.07-），男，漢族，山西昔陽人，講師，碩士，研究方向：視頻圖像優化、三維可視化、虛擬現實等;周全越（1995.05-），男，漢族，廣西靈山人，學士學位，研究方向：虛擬現實等;馮思怡（1996.04-），女，漢族，廣東惠州人，學士學位，研究方向：UI前端等。40FD3F09-BDE3-4BBD-A00E-4B8210CE6395