一种基于Unity3D的虚拟杨梅三维修剪系统

2014-02-05叶少挺吴子朝梁森苗郑可锋祝利莉胡为群彭一辉

浙江农业科学 2014年10期

关键词：杨梅鼠标枝条

叶少挺，吴子朝，梁森苗，郑可锋，祝利莉，胡为群，彭一辉

（1.浙江省农业科学院，浙江杭州 310021；2.杭州电子科技大学，浙江杭州 310058）

一种基于Unity3D的虚拟杨梅三维修剪系统

叶少挺1，吴子朝2，梁森苗1，郑可锋1，祝利莉1，胡为群1，彭一辉1

（1.浙江省农业科学院，浙江杭州 310021；2.杭州电子科技大学，浙江杭州 310058）

本文基于Unity3D平台，提出了一种虚拟杨梅三维修剪系统的实现方法。该方法重点解决了场景模型组织、切割求交、重新三角化、知识展示等问题，设计和实现了修剪教学、标准修剪和自由修剪等功能。试验表明，系统功能完善，有较好的拟真度和交互性，可以满足在Internet上发布和实时传输的要求，在推广中也获得了较好的评价。

Unity3D；杨梅；虚拟修剪；建模

对杨梅进行适当的整形修剪，有利于培养结构合理的丰产树型，促进幼树营养生长向生殖生长转化，提早进入结果期，且可改善树冠的通风透光条件，减少病虫害的发生，有利于提升果实品质［1］。在实际生产中，种植者往往很难快速掌握修剪的技术和要诀，会由此导致修剪效果不佳，影响杨梅的生长和采收。

虚拟杨梅三维修剪系统（简称系统）利用计算机图形学和互联网络技术，模拟一系列高仿真、可自主学习的虚拟杨梅植株场景，提供一种方便的可多次模拟、反复练习，以掌握先进修剪技术的新方法［2］。用户可在系统中一边自主修剪，一边学习相关科学知识，最终过渡到实际生产中的杨梅修剪操作［2］，达到快速学习和掌握杨梅修剪实用关键技术的系统目标。

1 系统设计

系统采用基于Web的虚拟现实技术，面向Internet发布。用户通过Web浏览器访问系统，使用鼠标键盘可360°观察虚拟杨梅植株，并进行枝条修剪等交互操作。其修剪操作满足如下要求：准确、快速地拾取待剪枝条；修剪过程具有实时性；用户界面友好，人机交互过程符合真实的人工修剪操作等［3］。

1.1 平台选择

目前，基于Web的虚拟现实开发工具主要有WebGL，Unity3D，VRML，Quest3D，Virtools， Cult3D等。其中Unity3D是由Unity Technologies开发的一个功能强大的集成游戏引擎和编辑器，它可以通过简单的用户界面迅速高效地创建对象、导入外部资源，并可通过简单的拖拽操作实现诸如变量赋值，连接脚本等操作。目前，Unity3D以其优越的框架已在众多三维可视化应用系统开发中用作支撑平台。经过综合考虑，本系统采用Unity3D平台进行开发。

1.2 功能设计

系统拟提供以下功能模块。

修剪教学。提供修剪入门教程。包括如何使用鼠标选取枝条，选择合理切割位置和切割方向等信息。

标准修剪。本模块对用户行为有一定的限制性和引导性。当用户使用鼠标滑过待剪枝条时，系统会将该枝条高亮显示，同时提示枝条类型和修剪位置等信息，并在修剪完成后提示修剪原因和相关技术知识，逐步引导用户修剪出标准的杨梅树型。

自由修剪。是“标准修剪”的进阶功能，对用户行为无限制。用户可以沿任意方向对枝条进行自主修剪，修剪过程中系统不作任何提示，直到修剪完成后才会给出相关评价。

2 关键技术

2.1 场景模型组织

为了保持杨梅植株逼真的视觉效果，同时降低系统负担，系统使用面片建模法，在3D MAX中构建具有较少面片数但不影响真实感的植株模型［4］。

根据现实中杨梅植株的枝条层次关系和修剪规范要求，植株模型被分解成若干个子模型，如图1所示，标号为②的二级主枝与③④号子枝条作为一个子模型被创建，该子模型的形态在术语中被称为“直立枝”。在“标准修剪”模块中这个“直立枝”模型将被整体高亮显示并参与修剪运算。

图1 植株模型的组织关系

模型组织完毕后，导入到Unity3D中，分别通过具体设计赋予其材质、光照等属性，并添加交互事件和相关知识等接口，方便具体操作过程的交互和提示，具体流程如图2所示。

图2 虚拟场景构建的流程

2.2 修剪算法

修剪算法是系统实现的核心部分。为了逼真地实现枝条修剪操作，系统采用鼠标拖拽的方式来模拟该过程。

当用户在虚拟场景中点击鼠标并拖拽时，采用光射投射算法确定该射线同网格的具体相交点和拖拽方向，并根据该相交点和拖拽方向确定相交平面。然后将该平面与相交的模型作求交，并采用基于八叉树的数据结构来加速该求交过程，得到三角形内的切割位置。如图3所示，当用户使用鼠标在模型上作切割之后，通过射线与模型求交，会得到一系列与线条有相交的三角形列表。随后，采用Delaunay三角剖分的策略来重新网格化。具体Delaunay策略描述如下。