基于VR的食用花卉產(chǎn)業(yè)可視化研究與設(shè)計(jì)*

黃 陳 ， 鄭金銘 ， 吳坤龍

（1.溫州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325006；2.文成縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)研究院，浙江 溫州 325399）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也叫“虛擬靈境技術(shù)”，是一門跨學(xué)科、跨領(lǐng)域性的交叉學(xué)科技術(shù)，具有三大特性（3I特性），即構(gòu)想性（Imagination）、交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion），能打破時間與空間的壁壘，讓人完全融入虛擬環(huán)境中，獲得與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相同的現(xiàn)場感受。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及硬件設(shè)備的不斷迭代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)中都有廣闊的應(yīng)用前景，“傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)+VR”的形式也被各大農(nóng)業(yè)院校以及機(jī)構(gòu)廣泛采用，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)培訓(xùn)教育的破冰與革新提供了新的思路。

傳統(tǒng)食用花卉的宣傳、展示、培訓(xùn)等主要依賴傳統(tǒng)多媒體方式，比如視頻、圖片、書本、文獻(xiàn)等，枯燥的理論講解加上視頻解說，參與者只能靠自己腦補(bǔ)實(shí)物，大大降低了學(xué)員們的學(xué)習(xí)熱情，而實(shí)物展示也受實(shí)際條件的束縛，不能隨時、隨地滿足教學(xué)、培訓(xùn)等的需求。對此，任素櫻[1]提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境教學(xué)中的應(yīng)用分析方案，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)教育的相關(guān)理論及基本概念，指出了其在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境教學(xué)應(yīng)用中存在的問題，并針對性地提出了解決方案；張鵬[2]以農(nóng)耕文化體驗(yàn)為例，提出虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)農(nóng)業(yè)虛擬資源，并融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理，為提升農(nóng)業(yè)信息技術(shù)水平提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；周振華[3]提出3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用方案，探討了3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與方法以及農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)開發(fā)。以上學(xué)者都在各自的領(lǐng)域?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析，但未曾以實(shí)例的形式呈現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，不能為讀者提供全面的參考。

針對以上情況，筆者提出了基于VR的食用花卉產(chǎn)業(yè)可視化研究與設(shè)計(jì)方案。以文成縣金絲皇菊作為研究對象，建立三維模型，并以金絲皇菊的現(xiàn)實(shí)農(nóng)耕操作為參照，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的交互仿真策略，搭建沉浸式硬件仿真平臺，將體驗(yàn)者映射到虛擬環(huán)境中，體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)農(nóng)耕的樂趣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，提升了培訓(xùn)效率，降低了培訓(xùn)成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以金絲皇菊作為仿真對象，建立金絲皇菊的植株、種植場景、實(shí)操農(nóng)具等三維模型，然后以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為橋梁，搭建HTC vive硬件仿真平臺，依據(jù)金絲皇菊種植培訓(xùn)手冊，通過三維交互以及沉浸式仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)金絲皇菊種植的虛擬實(shí)操過程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

由圖1可知，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為三個模塊：人機(jī)交互模塊、硬件平臺模塊、軟件仿真模塊。軟件仿真模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，硬件平臺是連接人機(jī)交互模塊與軟件仿真模塊的橋梁，而人機(jī)交互模塊決定了系統(tǒng)體驗(yàn)的效果。首先，根據(jù)金絲皇菊的素材文件以及相關(guān)種植培訓(xùn)手冊建立金絲皇菊植株、種植場景以及相關(guān)實(shí)操農(nóng)具的三維模型，并根據(jù)實(shí)操內(nèi)容制作人機(jī)交互界面UI，然后將模型和UI導(dǎo)入Unity3D交互軟件中，通過連接MySQL數(shù)據(jù)庫，將相關(guān)的模型信息、動作信息存入數(shù)據(jù)庫中，再通過SteamVR插件實(shí)現(xiàn)硬件平臺與軟件仿真模塊間的通信，而后，學(xué)員通過與HTC vive間的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)相關(guān)位置信息以及決策信息的傳遞，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的沉浸式交互仿真功能。

2 系統(tǒng)硬件平臺

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以HTC vive作為硬件平臺，其主要包含VR頭盔、VR手柄、兩個定位基站以及支架。其中，VR頭盔主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，操作者通過頭盔觀看虛擬場景中的相關(guān)模型，VR手柄可以實(shí)現(xiàn)操作者在虛擬場景中的模型交互，定位基站用來實(shí)現(xiàn)空間定位，將操作者的位置信息、動作信息傳遞給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。HTC vive硬件設(shè)備如圖2所示。

圖2 HTC vive硬件設(shè)備

HTC vive硬件平臺需與PC機(jī)相連，對PC機(jī)硬件配置有如下要求：GPU需要NVIDIA GeForceGTX970/AMD Radeon R9 290同等或更高版本，CPU需要Intel i5-4590/AMD FX-8350同等或更高版本，RAM需要4 GB+，Video Output需要HDMI 1.4/DisplayPort 1.2或更高版本，操作系統(tǒng)選用Windows 7SP1或更新的版本。在操作中，HTC vive基站工作可以分為有線和無線模式，無線模式中，需調(diào)節(jié)基站工作模式為A或B，基站指示燈若呈綠色代表正常工作，否則代表出現(xiàn)位移，需對基站擺放位置進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維建模技術(shù)

模型的建立是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，模型的精細(xì)與逼真程度很大程度上影響了操作者的體驗(yàn)效果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用3ds Max作為建模軟件。3ds Max的建模方式主要分為多邊形（Polygon）建模、細(xì)分曲面（subdivision surface）建模以及非均勻有理B樣條曲線（NURBS）建模。在進(jìn)行金絲皇菊植株以及場景建模的過程中，以多邊形建模為主，其他建模方式為輔，根據(jù)實(shí)物原型，通過三維模型高度還原金絲皇菊植株以及種植現(xiàn)場[5-7]。在模型建立完成后，為使模型逼近實(shí)物，達(dá)到以假亂真的效果，還需為模型賦予材質(zhì)和貼圖，貼圖前和貼圖后的金絲皇菊模型如圖3所示。

圖3 貼圖前后金絲皇菊模型對比圖

在進(jìn)行金絲皇菊植株建模時，首先根據(jù)實(shí)物原型將皇菊劃分為根莖、葉、花朵三個部分，在場景中放置圓柱體作為根莖建模的基準(zhǔn)體，以皇菊的實(shí)際尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定圓柱體的長度以及直徑，將其轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，根據(jù)皇菊根莖的外形，在多邊形點(diǎn)、線、面、元素四個層級下勾勒根莖的外形；葉片的構(gòu)建以平面貼圖的形式進(jìn)行，根據(jù)皇菊葉片的姿態(tài)，在空間中放置平面，調(diào)節(jié)平面的位置以及旋轉(zhuǎn)角度，使其貼合皇菊葉片的實(shí)際長勢，然后賦予平面透明通道貼圖，還原實(shí)際葉面；花朵的構(gòu)建以球形作為建模基準(zhǔn)體，將其轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，調(diào)節(jié)花朵的生長形態(tài)，并為花瓣賦予平面貼圖[8-10]。

3.2 三維交互技術(shù)

在模型建立完成后，需以“.fbx”的格式導(dǎo)入Unity3D中進(jìn)行交互仿真設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的交互主要分為界面UI交互、碰撞檢測交互兩種。界面UI交互是操作者獲取種植仿真信息的主要途徑，在系統(tǒng)開發(fā)過程中導(dǎo)入“VRTK_SteamVR”插件，為[SteamVR]預(yù)制體添加“VRTK_Controller Event.csharp”“VRTK_Pointer.csharp”“VRTK_Straight Pointer.csharp”腳本，控制手柄發(fā)射射線，然后在界面UI面板添加“VRTK_UI Canvas.csharp”腳本，實(shí)現(xiàn)射線與界面UI按鈕間的交互檢測。碰撞檢測交互是操作者與虛擬場景中事件觸發(fā)檢測的主要手段，通過給[SteamVR]預(yù)制體下的手柄“modle”添加“boxCollider”碰撞檢測組件以及“rigidbody”剛體組件，在發(fā)生手柄與模型碰撞事件時，觸發(fā)“void OnTriggerEnter（）”碰撞檢測函數(shù)，實(shí)現(xiàn)場景中碰撞事件的檢測功能。系統(tǒng)三維仿真交互流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)三維仿真交互流程

操作者戴上VR頭盔進(jìn)入系統(tǒng)后，通過手柄發(fā)出的射線選擇體驗(yàn)?zāi)K，系統(tǒng)實(shí)操體驗(yàn)分為整地要求、種苗繁育、幼苗定植、田間管理、蟲害防治五個模塊。根據(jù)種植培訓(xùn)手冊需求，首先選擇進(jìn)入整地要求模塊，可在其中完成翻耕施底肥、除草、起壟等操作；然后進(jìn)入種苗繁育模塊，對種苗進(jìn)行浸泡、滅菌、移栽等操作；再進(jìn)入幼苗定植模塊，根據(jù)定植時間、密度以及方法對幼苗進(jìn)行定植；最后完成田間管理模塊和蟲害防治模塊，包括摘心打頂、根部培土、中耕除草、搭支架或拉網(wǎng)、水分管理、肥分管理、剝側(cè)蕾等操作，各個模塊體驗(yàn)完后自動跳轉(zhuǎn)到界面選擇場景，所有模塊體驗(yàn)結(jié)束，操作者可以退出系統(tǒng)。

3.3 MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，以MySQL數(shù)據(jù)庫軟件作為數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用的橋梁。MySQL數(shù)據(jù)庫是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，是一種開源軟件，體積小、速度快、成本低，是作為中小型項(xiàng)目開發(fā)數(shù)據(jù)處理的最佳選擇[11-12]。在三維交互仿真環(huán)節(jié)中，引入MySQL數(shù)據(jù)庫，建立huangju_model、action_information、interactive information表，將相關(guān)模型信息、動作信息以及交互信息存入表中，通過“select from*”“insert into”“delect from”等MySQL語句，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等操作，提高系統(tǒng)的工作效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性[13-15]。

4 系統(tǒng)仿真體驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，操作者戴上VR頭盔即可進(jìn)行沉浸式仿真體驗(yàn)。操作者通過VR手柄實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境中的UI以及模型交互，通過金絲皇菊的種植培訓(xùn)手冊制定交互體驗(yàn)流程，將系統(tǒng)仿真體驗(yàn)劃分為模塊選取、漫游體驗(yàn)、整地要求、種苗繁育、幼苗定植、田間管理、蟲害防治7個環(huán)節(jié)。各個環(huán)節(jié)的體驗(yàn)效果如圖5所示。

圖5 體驗(yàn)效果仿真圖

5 總結(jié)

1）傳統(tǒng)花卉的農(nóng)耕培訓(xùn)資料以操作手冊、田間照片素材、網(wǎng)絡(luò)視頻、課本等為主。培訓(xùn)形式單一，培訓(xùn)內(nèi)容枯燥，而現(xiàn)場教學(xué)又受到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的制約，難以適時、適地展開。以金絲皇菊的現(xiàn)實(shí)農(nóng)耕操作為依據(jù)，設(shè)計(jì)金絲皇菊VR仿真平臺，可大量減少前期投入，節(jié)省了培訓(xùn)成本。通過虛擬場景映射現(xiàn)實(shí)操作環(huán)境，讓學(xué)員獲得與實(shí)際操作相同的體驗(yàn)，提升學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，保證金絲皇菊農(nóng)耕培訓(xùn)的正常開展。

2）交互仿真環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，將現(xiàn)實(shí)農(nóng)耕轉(zhuǎn)化為虛擬實(shí)操，有效地激發(fā)了操作者的學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)金絲皇菊實(shí)際的培育、種植需求，開發(fā)出相應(yīng)的虛擬實(shí)操模塊，如育種、定植、田間管理、除蟲等，能有效跨越金絲皇菊的各個生長周期，通過沉浸式交互，讓操作者體驗(yàn)各個環(huán)節(jié)所要注意的事項(xiàng)，提升了培訓(xùn)教育的效率，縮短了培訓(xùn)周期。

3）一般的農(nóng)業(yè)仿真平臺受環(huán)境和硬件設(shè)備的影響很大，給后期運(yùn)維帶來了極大的困難，而此平臺的設(shè)計(jì)以三維建模技術(shù)為基礎(chǔ)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心，搭建HTC vive硬件仿真平臺，通過仿真系統(tǒng)強(qiáng)大的兼容能力和模塊化程序的設(shè)計(jì)思路，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，便于學(xué)員在各個平臺上使用，可快速將研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際效益。

4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為橋梁，將農(nóng)業(yè)培訓(xùn)和高新技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，通過硬件平臺和軟件設(shè)計(jì)，使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)培訓(xùn)向新時代農(nóng)業(yè)培訓(xùn)、教育延伸，既切合了時代科技發(fā)展的主流，又為傳統(tǒng)農(nóng)民教育注入了新的動力，有效解決了傳統(tǒng)農(nóng)民培訓(xùn)過程中存在的問題。