基于Unity 3D的现代化温室大棚虚拟仿真实训系统的开发

张 军 张观山

山东农业大学机械与电子工程学院 山东泰安 271018

虚拟现实技术通过生成真实的三维虚拟环境，使用户沉浸虚拟环境之中，通过与虚拟环境的交互，可产生身临其境的感觉，虚拟现实技术在沉浸感、交互性和实时性方面优势明显[1,2]。利用虚拟现实技术能够构建具有真实感的虚拟仿真展示平台，将虚拟仿真展示平台应用于实验教学具有非常重大的现实意义。现代化温室大棚是用来栽培植物的设施，配备有各种先进的计算机控制系统，可通过各系统的合理运作给作物创造一个最适合的生长环境。温室内各种先进自动控制系统及农机装备集成了无数项自动化、电气、农业机械等专业技术，如果能够掌握这些专业技术，对于学生动手能力和实践能力将有很大的提升。由于条件限制，学生无法对温室内先进设备进行全面的学习和认知。虚拟现实技术的发展给现代化温室大棚各种先进技术的学习与认知带来了新的机会。刘金明[3]等设计了基于Unity3D的电动机虚拟仿真展示平台设计，实现了对电动机的结构、拆装和工作原理进行在线展示。相茂英[4]等设计了基于Unity3D的化工设备虚拟培训系统，完成了设备结构、工作原理等5个功能模块的开发，实现了化工设备虚拟培训。杨雪松[5]设计了基于Unity 3D的发动机虚拟拆装系统，解决了发动机教学和拆装训练存在的诸多问题。本文提出了一种基于Unity 3D的现代化温室大棚虚拟仿真实训系统，利用虚拟现实技术将温室大棚的结构、自动控制系统及农机装备的工作原理进行详细的展示。

1　Unity 3D技术概述

Unity 3D是由Unity Technologies公司研发的一个专业游戏引擎，开发者利用该游戏引擎可非常方便地创建3D游戏、三维虚拟环境、3D动画模型等内容，近年来深受广大软件开发者的喜爱[6-8]。Unity3D既可以运行在Windows，Mac等操作系统之下，又可将软件发布到Windows，Mac，Wii，iphone等主流平台下，同时支持网页版本[9]。Unity 3D具有跨平台、高度优化的图形渲染管道、内置物理引擎、兼容多种外部资源、支持多语言并且可进行可视化操作等特点，因而被广泛地应用于虚拟仿真实验教学、房地产开发、虚拟展馆、家具设计展示等各行各业中。

2　系统整体框架设计

现代化温室大棚虚拟仿真实训系统采用Unity 3D软件开发技术，结合三维建模软件3ds max构建模型，实现现代化温室大棚虚拟仿真教学及实训系统功能。系统开发采用四层软件架构体系，四层软件架构分别为表现层、业务逻辑层、模型层、Unity 3D服务层。如图1为系统整体软件架构图。

图1　系统整体软件架构图

(1)表现层位于最外层(最上层)，离用户最近，主要实现人机交互和软件界面展示，负责提供业务操作界面供用户操作相关业务，同时对用户业务操作结果进行展示，不涉及具体的数据处理[10]。

(2)业务逻辑层是针对具体逻辑问题对模型层、Unity3D服务层进行操作，是系统架构中的核心部分。业务逻辑层在整个架构中的位置很关键，它处于表现层与Unity3D服务层、模型层中间，在整个系统中起到承上启下的作用。

(3)Unity 3D服务层主要是控制系统的运行逻辑。包括模型的放大、缩小、视角转换、场景切换、动作触发等。

(4)模型层主要针对温室结构、主要自动控制系统及农机装备模型进行存储和管理。根据不同的功能模块，系统从模型层中调取不同的模型到达表现层，进而实现对温室内相关设备的展示。

3　系统功能设计与实现

现代化温室大棚虚拟仿真系统以现代化温室大棚为原型，建立三维虚拟温室大棚，重点展示内容包括现代化温室大棚的结构、温室大棚自动控制系统以及温室大棚的常用机械等。系统通过漫游行走、热点显示、2.5D小地图、设备结构展示、设备拆装、工作原理展示等方式进行虚拟仿真教学项目开发。现代化温室大棚虚拟仿真实训系统功能结构图如图2所示。

图2　现代化温室大棚虚拟仿真实训系统功能结构图

3.1　温室大棚结构组成

温室大棚结构组成部分包括气象仪、控制室、遮阳网、太阳能、墙体、骨架等部分。该模块展示几种常见的温室类型，如文洛型玻璃温室、里歇尔温室，并对温室的建筑材料、骨架结构以及不同结构的特点、适用用途等内容进行了详细的介绍。该模块还有温室建造过程数字模拟功能，通过虚拟现实的方式动态展示温室整个的建造过程，从而使用户对于温室结构有更加深刻的理解。此外系统设置有考核模块，用户通过该模块的学习之后，通过考核模块对温室大棚结构组成的掌握程度进行考核，考核之后系统给予评分。如图3为现代化温室大棚结构组成界面。

图3　温室大棚结构组成界面

3.2　温室大棚自动控制系统

温室大棚自动控制系统是专门为农业温室、农业环境控制、气象观测开发生产的环境自动控制系统。该功能模块通过虚拟现实技术模拟测量风向、风速、空气温湿度、太阳光照度、大气气压、降雨量、太阳辐射量、太阳紫外线强度、土壤温湿度等各种温室环境参数，并通过软件设置模拟温室内植物生长需求，系统结合作物生长需求以及当前温室环境状况自动控制温室大棚开窗、卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等温室环境自动控制设备，从而实现自动调控温室内环境达到适宜植物生长的范围的目标，为温室内植物生长提供最佳环境。温室大棚自动控制系统部分包括有卷帘控制系统、卷膜控制系统、风机湿帘系统、遮阳系统、补光控制系统、施肥灌溉系统等，采用三维互动、三维动画、平面动画等形式，形象化展示设备、传感器工作原理、自动控制系统生产工作流程。此外系统通过文字或者语音介绍、拆装动画、模拟作业等形式展示温室内主要控制系统的工作过程以及工作原理，从而达到认知与教学的目的。如图4为温室卷帘机工作界面，图5为温室卷膜机工作界面。

图4　温室卷帘机工作界面

图5　温室卷膜机工作界面

3.3　温室大棚常用机械

温室大棚常用机械包括微耕机、播种机、植保机械、暖风机等。该部分包括模拟作业、虚拟拆装、理论教学三大功能功能模块。模拟作业模块可模拟人工操作，展示温室常用机械的使用方法以及安全注意事项。虚拟拆装模块可对温室内几种常用机械进行拆装练习，展示几种常用机械的内部原理，从而使用户对温室常用机械有一个更加深刻的认识。理论教学模块基于三维模型，通过爆炸视图、透明显示等方式展示设备内外部结构，同时通过文字、图片、语音的形势展示几种常用机械的结构组成、工作原理等内容，从而使用户针对温室常用机械有更加全面、系统的认识。如图6为暖风机工作原理展示界面。

图6　暖风机工作原理展示界面

4　结语

针对现代化温室大棚在使用培训、工作原理学习等方面的需求，借助Unity 3D可跨平台、高度优化的图形渲染管道、内置物理引擎、兼容多种外部资源、支持多语言并且可进行可视化操作等特点开发了现代化温室大棚虚拟仿真实训系统，突破了传统的理论学习、实际操作等培训学习方式。软件界面设计简洁、操作友好、上手容易，达到了理论教学与操作实践并用的目的。学生及温室管理人员通过系统学习温室的结构和工作原理，掌握温室内设备使用及维护知识，因此该系统具有一定的应用价值。与此同时该系统的设计实现了对现代化温室大棚的全面培训，给传统的设备培训方式带来了新的思路，具备一定的推广应用的价值。

[1]冯桂珍,池建斌,王大鸣.VRML虚拟校园漫游与交互技术[J].工程图学学报,2011,32(5):40-45.

[2]白海军,高云丽.计算机虚拟现实技术在高校体育训练中的应用[J].黑龙江八一农垦大学学报,2013,25(3):105-107.

[3]刘金明,马铁民,王娜.基于Unity3D的电动机虚拟仿真展示平台设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2014,26(3):66-68.

[4]相茂英,马纯永,韩勇.基于Unity3D的化工设备虚拟培训系统研究[J].计算机技术与发展,2014,24(7):196-200.

[5]杨雪松.基于Unity 3D的发动机虚拟拆装系统研究[J].设计与研究,2016,43(1):32-35.

[6]Xie J.Research on key technologies base Unity3D game engine[C]. International Conference on computer Science &Education,2012 : 695-699.

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[8]Messaoudi F, Simon G,Ksentini A. Dissecting games engines:The case of Unity3D[C]. ACM/IEEE Netgames:the International workshop on Network and Systems support for Games, 2015.

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[10]黄忠成.NET Framework3.5数据库开发圣典:ASP.NET篇[M].北京:电子工业出版社,2008.