交互式虚拟观光农业园仿真平台的构建

谭 政， 何 磊， 陈 美 ， 张万萍 *

(1.贵州大学 科技学院， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 农学院， 贵州 贵阳 550025)

虚拟现实技术(VR)是以计算机技术为主的一门新兴技术性学科，融合计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术和伺服技术等，已在教育、医疗、军事及工程技术等领域得到广泛应用。张杜鹃等[1]将虚拟现实技术与无线网技术相结合，设计一套虚拟农业专家系统，该系统利用作物现场的终端设备对作物生长情况进行实时监测与分析，并及时调用专家系统中的虚拟解决方案进行针对性的处理。利用虚拟农业技术，可预先有针对性地对作物品种、基因及生长环境进行改良和模拟，有效地降低成本，提高生产效率[2]。园林景观中，将虚拟现实技术与宣传相结合，帮助人们体验因多种因素无法进行现场体验的现实效果，提升科学普及、学习及创新科技的效果，将多样的公共服务效果进行全方位展示，增强景区的吸引作用[3]。但虚拟现实技术在观光农业中的应用研究较少，且由于观光农业园区面积较大，体验者较难实现对整个园区的游览，感受整个园区的设计及功能等。为此，以遵义市泗渡镇汇川区城郊都市观光农业示范园为研究对象，采用3dsMax、Maya和Zbrush等进行园区场景建模，利用Unity 3D交互式虚拟仿真技术，通过数据及模型将传统的农业观光园实现可视化的三维虚拟再现，旨在为体验者对都市观光农业园区的休闲体验提供便利并提高其宣传效果。

1交互式平台系统的建立

首先根据园区概况进行区位分析，确定园区规划思路与建设布局，然后采用3dsMax、Maya和Zbrush等进行园区场景建模，利用Unity 3D交互式虚拟仿真技术，通过数据及模型将传统的农业观光园实现可视化的三维虚拟再现，系统制作流程见图1。

Fig.1 Production process of interactive virtual simulation platform for agricultural sightseeing park

1.1园区地形模型的制作

园区地形模型大、规整，对地形模型的精度要求不高。Sketchup是相对简单的三维建模软件，操作简单，制作模型较快，但其精度较3dsMax、Maya和Zbrush等制作的模型低，适合制作规则且精度要求不高的模型。因此，选择Sketchup制作园区地形模型(图2)。

图2 Sketchup制作的园区地形模型示意

Fig.2 Schematic diagram of the park terrain model produced by Sketchup

1.2三维图像的制作

对于简单规则的模型，3dmax模型贴图是直接从材质面板中寻找材质，再找到贴图路径直接将材质赋予模型。以结球甘蓝为例(图3A)，主要采用次世代流程贴图进行制作。在3dmax中展开及摆放UV，前期模型制作规范，后期展开UV即相对顺利。一般模型上的棋盘格大小不同，若不对其进行调整，绘制贴图的纹理会产生局部清晰和局部很模糊的现象。因此，应将棋盘格的比例大小调整至合适程度，贴图中黑白格子分布均匀，表示贴图与模型的匹配效果好(图3B)。根据模型部位的重要程度合理地分配UV，相同部件和对称部分，只需拆分1个或1/2个UV，然后通过镜像复制来保证模型的完整性，最大化地利用仅有空间(图3C)。导入前，应再丰富结球甘蓝模型，然后将贴图赋予结球甘蓝模型。在漫反射颜色(Diffuse color)通道中制作TGA格式贴图。将Photoshop中贴图复制至透明(Opacity)通道，然后进入透明(Opacity)通道面板，在单通道输出(Mono Channel Output)面板中选择Alpha选项，最终完成结球甘蓝模型的整体制作效果(图3D)。

1.3模型的优化

由于Unity 3D引擎对模型的要求相对较高，Sketchup和3dsmax按常规制作的模型精度达不到要求，将其制作的模型直接导入Unity 3D引擎，将导致系统运行不流畅甚至不能运行，所以要对做好的模型进行优化。运用次时代流程做出的模型面数少和精度高，符合Unity 3D引擎要求，根据其承载量对模型进行删减，让模型在引擎中正常运行。

2交互式虚拟仿真系统的实现

2.1UI界面的制作

以Photoshop制作的UI界面由显示区、大功能区和功能菜单区3部分组成。显示区：当选择某个功能模块时即通过显示区呈现。大功能区：按农业观光园区的规划分为3个板块，即了解园区、景点预览及服务配套功能。功能菜单区：分为虚拟体验、智慧导游、地理信息、精彩图库和景区影像5个部分(图4)。

2.2虚拟场景展示

导入Unity 3D工程文件，制作图形用户界面和UI界面，就可以在Unity中看到之前建好模型、贴图、搭建好的虚拟场景。以模拟蔬菜种植区为例，前期的模型制作和贴图制作让整个模型得到逼真显示(图5)，戴上VR眼镜的视觉和听觉效果好，可听到周围风声、雨声和鸟鸣声，有置身菜园的感觉。

2.3功能脚本的编写与上传

Unity 3D的脚本功能可用编码来控制场景中的各种要素，体现出其强大的业务处理能力以及交互功能。如，一个“移动”脚本文件，绑定到某个物体，该物体就能实现“移动”功能，同时还能在脚本里控制指定物体。当UI与脚本相互独立时，可直接使用写好的脚本或做好的UI，从而实现快速开发。而基于Unity3D开发的脚本其代码不易调试，但可采用print函数打印要调试的结果。在Unity制作场景流程完成后，要对场景进行打包输出和发布，输出功能仍然是Unity 3D引擎的重要方面，可通过File文件菜单下的Build Settings进行输出前的设置。在弹出的窗口面板中，可选择PC、Web、ios、Android、Xbox、Ps和Wii等多种平台格式，并进行相应的发布设置。在Unity 4.2中新增了对Windows 8、Windows phone 8及Black Berry 10的支持平台，这样Unity引擎所支持的移动平台增至4个，即Android、ios、Windows phone 8和Black Berry 10。

Key制作完成后就可在Build Settings面板中单击BuildL打包输出APK程序，输出前要注意在游戏视图中选择合适的屏幕分辨率(尺寸)。然后可以登录Google Play网站页面上传场景程序，经过一系列的提交步骤和网站审核后，即可在谷歌商城中看到分享的场景程序；构建的虚拟园区场景发布Unity网页播放文件和上传到网站服务器即可。

3小结与展望

基于Unity3D在农业观光园中的开发与应用，在前期合理规划布局的基础上，通过园区地形模型制作、三维图像制作、模型的优化后导入Unity3D，最终发布到网页，通过系列流程得到农业观光园虚拟体验系统。但研究仅为农业观光园区的交互式虚拟现实技术的初步结合，在园艺学科的深度应用还很有限，如与园艺作物种植结合，可参考干果仓储智能叉车交互式虚拟仿真平台设计与试验[4]。此外，要做Unity3D和园艺的结合，涉及的软件很多，该研究仅涉及相对重要的软件应用。21世纪的都市观光园艺是融农业、工业和社会服务业为一体，第一、第二和第三产业协调发展，是最具发展活力的新型产业，对新设施、新技术的要求也越来越高。近年来，更自然、更快速和更高精度的虚拟交互技术和设备相继出现，如数据手套、头盔、近红外手势识别及 Kinect、Leap motion等体感设备[5-7]，如果能将这些虚拟交互技术产品应用于观光园艺的发展中，必然会增加虚拟园艺的体验感、交互性和趣味性。