基于Unity 3D的猕猴桃虚拟修剪系统设计.pdf

http:/2023年7月 第14卷 第13期基于Unity 3D的猕猴桃虚拟修剪系统设计张世勋杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100摘要：整形修剪是提升果树产量和品质的重要手段，但其具有成本高、不可重复、修剪效果无法立即呈现等缺点。虚拟修剪系统可以模拟果树的生长过程，并提供多种修剪工具和模式，让用户能够更加直观、准确地完成修剪任务。基于 Unity 3D引擎开发一款猕猴桃虚拟修剪系统，旨在提供一种可靠高效的修剪辅助工具，利于果树修剪技术培训、推广、科普教育。关键词：Unity引擎；虚拟现实；智慧农业；系统设计中图分类号：TP391.9文献标志码：A文章编号：1674-7909-（2023）13-144-41研究背景猕猴桃富含维生素C和多种微量元素，市场需求量大。因此，猕猴桃产业前景广阔，已成为陕西省重要的支柱产业之一。陕西省统计局发布的数据显示，截至2022年，陕西省猕猴桃种植面积约6.66万hm2，年产量在138.85万t左右，产量居全国首位，出口量占全国猕猴桃出口量的1/4左右1。在猕猴桃种植管理过程中，修剪是一项非常重要的工作，修剪不当会导致猕猴桃果实品质下降、产量减少，直接影响果农的经济收益。为保证果树修剪效果，加强果树修剪技术的培训和推广十分必要。但当前果树修剪技术培训和推广过程中存在以下3方面的问题。一是目前猕猴桃修剪技术的传授仍以果农之间互相交流、技术员口头讲授、教学视频学习为主，技术传播广度不够，且不够直观，果农的体验感和参与度不高；二是掌握果树修剪技术的科技人员相对短缺，猕猴桃修剪技术推广人员仍有较大缺口，组织果农培训需要投入大量人力和物力；三是在农村普及正确的修剪技术有一定难度，新技术的推广和传播仍有待加强2。针对以上不足，此项目拟设计出一种真实感更强、仿真度更高、交互更多，可使用“虚拟剪刀”的虚拟仿真系统，打破时间和空间的局限，为猕猴桃修剪技术推广人员提供一个可视化、智能化的技术培训和推广新途径。用户可以利用手机或电脑在该系统中反复练习，最终应用到实际生产中，达到快速学习和掌握猕猴桃修剪关键技术的目标，也为其他农业技术的推广提供一种新的思路。2猕猴桃虚拟修剪系统设计2.1整体架构设计猕猴桃虚拟修剪系统主要由用户界面、猕猴桃建模、修剪算法、数据管理4部分构成，整体架构如图1所示。用户界面猕猴桃建模修剪算法数据管理场景数据管理器视频素材资源库修剪算法猕猴桃模型建立模型0调整参数0模拟生长0猕猴桃生长模拟器场景编辑器修剪设置修剪效果预览新建场景0打开场景0保存场景0选择修剪工具0调整修剪模式0学习修剪技巧0测试修剪技巧0设置修剪算法0设置修剪参数0实时预览修剪效果0显示历史修剪效果0削顶0短枝0长枝0自动修剪0保存场景数据0加载场景数据0显示修剪历史0导出修剪记录0添加视频素材0删除视频素材0搜索视频素材0图1猕猴桃虚拟修剪系统架构图基金项目：杨凌职业技术学院2021年自然科学基金项目“基于Unity 3D引擎的猕猴桃交互式虚拟修剪系统设计”（ZK2163）。作者简介：张世勋（1991），男，硕士，助教，研究方向：数字动画设计、虚拟现实制作。144http:/2.1.1用户界面部分用户界面部分主要包括系统各功能模块的操作界面，用户可以通过操作界面对系统进行控制和管理，包括新建、打开、保存场景，选择和调整修剪工具和模式等。用户界面部分采用 Unity 3D引擎 GUI界面设计工具实现。2.1.2猕猴桃建模部分猕猴桃建模部分主要包括猕猴桃的三维建模和生长模拟，采用Unity 3D引擎的建模工具和动画系统实现。该系统采用参数化建模方法，根据猕猴桃的生长规律和特点，通过调整参数模拟猕猴桃的生长过程。同时，为了使猕猴桃的生长过程更加真实，系统采用了物理引擎，模拟了猕猴桃在自然环境下的生长过程。2.1.3修剪算法部分修剪算法部分主要包括修剪算法的设计和实现。该部分采用了多种修剪算法，用户可以根据需要选择和调整修剪算法和参数。修剪算法部分还采用了人工智能算法，自动分析猕猴桃的生长状态和修剪需求，提供修剪建议。该部分采用C#语言实现。2.1.4数据管理部分数据管理部分主要包括场景数据的管理和存储。用户可以通过该部分对场景数据进行管理和存储，包括修剪历史记录、修剪效果预览等。数据管理部分采用Unity 3D引擎的数据管理工具和数据库实现。综上所述，此次项目采用了Unity 3D引擎的GUI界面设计工具、建模工具、动画系统、物理引擎、数据管理工具及数据库等技术，通过多个部分的协同工作，实现了猕猴桃虚拟修剪系统的设计和实现。2.2模型和动画设计猕猴桃模型设计主要涉及猕猴桃的建模和生长模拟两个方面（见图2和图3）。猕猴桃建模是指通过计算机技术将猕猴桃的形状、大小、颜色等特征抽象为三维模型，并进行数据管理和存储的过程。生长模拟是指通过模拟猕猴桃的生长过程，模拟猕猴桃在不同环境和条件下的生长状态和形态变化。图2猕猴桃建模示意图图3猕猴桃生长仿真示意图猕猴桃建模是基于猕猴桃的特点和生长规律进行的。在该系统中，猕猴桃建模主要采用参数化建模方法。首先，需要确定猕猴桃的基本结构，包括根部、主干、侧枝、叶子等部分；其次，通过调整各个部分的参数，如长度、角度、半径等，模拟猕猴桃。猕猴桃生长模拟是指通过模拟猕猴桃在不同环境和条件下的生长过程，呈现猕猴桃生长状态和形态的变化。在该系统中，猕猴桃生长模拟主要采用物理引擎和动画系统设计。此次研究采用物理引擎来模拟猕猴桃在自然环境下的生长过程，通过设置物理参数和环境因素，使猕猴桃在虚拟环境中呈现出真实的生长状态。此次研究在猕猴桃生长模拟中采用了基于节点的生长模拟方法。该方法基于猕猴桃的生长规律，将猕猴桃分解成一系列节点，并根据生长规律来控制节点的位置和大小。该系统通过调整节点的生长速度和方向等参数，模拟猕猴桃在不同环境和条件下的生长状态和形态的变化。在猕猴桃模型设计中，根据猕猴桃表面的不同颜色和纹理，在模型中进行体现。此次研究采用了贴图技术给猕猴桃模型添加材质和纹理，使其更加真实。同时，研究人员可以在虚拟环境中加入光照效果，使猕猴桃模型在不同的光照条件下呈现出不同的视觉效果。猕猴桃模型设计是该系统的核心部分之一，合理的建模和生长模拟可以让用户更好地了解猕猴桃的生长规律和形态特征，可为虚拟修剪系统的建立提供基础支持。2.3修剪算法与交互设计在该系统中，研究设计了一套基于鼠标交互的修剪工具，让用户可以通过虚拟修剪的方式模拟实际修剪猕猴桃的过程。修剪工具主要包括3个部分：修剪刀具、修剪范围控制和修剪效果显示3。修剪刀具是修剪工具的核心部分，用户可以通过鼠标操作来控制修剪刀具在猕猴桃模型上进行切割。张世勋.基于Unity 3D的猕猴桃虚拟修剪系统设计145http:/2023年7月 第14卷 第13期此次研究采用了射线检测技术实现修剪刀具和猕猴桃模型的交互，用户可以通过移动鼠标来控制修剪刀具的位置和方向，从而实现对猕猴桃的修剪操作。根据猕猴桃的生长情况，用户利用虚拟剪刀完成削顶、短枝和长枝修剪等任务，部分代码如图4和图5所示。图4部分修剪算法代码1图5部分修剪算法代码2修剪范围控制是修剪工具的辅助部分，用户可以通过调整修剪范围的大小和形状控制修剪范围。在修剪过程中，用户可以通过鼠标滚轮调整修剪范围的大小，并可以通过修改修剪范围的形状实现更加精细的修剪操作。修剪效果显示是修剪工具的反馈部分，用户可以通过修剪效果显示查看修剪操作的结果。该系统采用动态网格技术实现修剪效果的显示，即在修剪刀具切割猕猴桃模型时，实时更新猕猴桃模型的网格，从而呈现出修剪操作的效果。修剪工具的设计是该系统的关键部分之一。通过合理的设计和实现，可以让用户更加方便地进行虚拟修剪操作，并可以实时查看修剪效果，从而更好地了解猕猴桃修剪的技巧和方法。此次研究设计了一套基于Unity 3D引擎的交互设计方案。首先，用户可以通过鼠标的移动和滚轮的滚动控制修剪刀具的位置、方向和范围。其次，用户可以通过键盘按键控制修剪工具的操作。具体实现如图6和图7所示。用户可以通过修剪效果的显示来实时查看修剪操作的结果。具体实现如图8所示。图6鼠标控制代码图7键盘控制代码图8修剪实时预览代码系统交互设计是该系统的关键部分之一。通过合理的设计和实现，可以让用户更加方便地进行虚拟修剪操作，并可以实时查看修剪效果。2.4数据管理在虚拟修剪系统中，数据管理部分的主要任务是管理和存储场景数据，包括修剪历史记录和修剪效果预览。该系统可以通过Unity 3D引擎提供的数据管理工具和数据库实现数据管理。数据管理部分还负责记录和存储用户的修剪历史记录。每次用户进行修剪操作时，系统会将修剪的相关信息（如修剪部位、修剪时间、修剪程度等）保存下146http:/来。这样，用户可以随时回顾和比较不同修剪操作的效果。数据管理部分可以使用数据库存储和管理数据。数据库可以是关系型数据库（如 MySQL、SQL Server等）或非关系型数据库（如MongoDB、Redis等），具体选择取决于系统的需求和性能要求4。通过以上数据管理部分，虚拟修剪系统可以有效地管理和存储场景数据，包括修剪历史记录和修剪效果预览。这些数据的管理和存储为用户提供了便利，使其能够方便地进行修剪操作和比较不同修剪技巧的效果。3系统功能与特点基于Unity 3D引擎的猕猴桃虚拟修剪系统还具备以下功能与特点。一是该系统支持不同的修剪模式，包括基于形态修剪、基于位置修剪、基于方向修剪等多种模式。用户可以根据需要选择不同的修剪模式进行操作。二是该系统具有自适应性，可以根据不同的猕猴桃模型自动调整修剪刀具的大小、形状等参数，以保证修剪效果的准确性和可视化效果的良好性。三是该系统支持实时预览。用户可以通过鼠标移动和滚轮滚动控制修剪刀具的位置、方向和范围，并且可以实时预览修剪效果，从而更加方便地进行修剪操作。四是该系统提供多种参数设置，包括修剪刀具的大小、形状、修剪强度等参数，用户可以根据需要进行调整，以实现不同的修剪效果。4系统的特色优势虚拟修剪系统为用户提供了一个安全的学习环境，使其可以在虚拟场景中进行修剪操作，避免了对真实果树的误操作和损坏。初学者可以通过虚拟修剪系统获得修剪技能，减少果树修剪损伤风险。虚拟修剪系统可以实时提供修剪操作的反馈信息，包括修剪结果的预览和效果评估。用户可以立即了解他们的修剪行为对果树形态的影响，从而快速学习和纠正错误。这种实时反馈有助于提高用户的修剪技能。虚拟修剪系统通过可视化的方式展示果树的生长状态和修剪效果，使用户能够直观地观察和理解修剪的影响。此外，该系统提供互动式的界面和工具，用户可以通过交互操作来模拟修剪过程，增加学习的参与度和乐趣。虚拟修剪系统可以在计算机或移动设备上使用，便于用户随时随地进行学习，不再受限于时间、地点和实际果树的可用性，可以根据自己的时间和需求灵活安排修剪学习。此外，系统通常提供了保存和加载场景的功能，用户可以随时保存修剪进度并在需要时恢复。综上所述，该虚拟修剪系统的优势在于提供了一种安全、可控、互动和灵活的学习方式，使用户能够以自己的需求和节奏来学习修剪技能。该系统不仅适用于初学者，也可以作为进阶学习和专业训练的工具。5总结与展望该研究基于Unity 3D引擎开发了一款猕猴桃虚拟修剪系统，通过对系统的设计与实现，验证了该系统的可行性和有效性。该虚拟修剪系统是一种有效的学习和培训工具，可帮助用户在低风险、可实时反馈、可重复、多样化、可视化的环境中获得更有效的学习体验，使其更高效地掌握修剪技能。此外，虚拟修剪系统还可以结合其他技术，如虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术和增强现实（Augmented Reality，AR）技术，进一步增强用户的学习体验5。通过VR技术，用户可以沉浸在逼真的虚拟环境中，感受修剪的真实性。而AR技术则可以将虚拟修剪系统与实际果树结合起来，让用户能够在实际场景中应用所学的修剪技巧，并实时获得反馈。参考文献：1 农小蜂智库.2023年中国猕猴桃产业及主产区 数 据 分 析 简 报EB/OL.（2023-06-01）2023-06-12.https:/ 少 挺，吴 子 朝，梁 森 苗，等.一 种 基 于Unity3D 的虚拟杨梅三维修剪系统 J.浙江农业科学，2014（10）：1632-1635.3 周振华.3D 虚拟现实技术在农业中的应用J.农业工程，2018（11）：47-49.4 刘浩，杨磊，董畅，等.虚拟现实技术在果树修剪培训中的应用研究J.无线互联科技，2019（20）：135-136.5 张培，张丽莉，程丹丹.虚拟现实技术对农业推广的作用探究 J.产业与科技论坛，2015（18）：45-46.张世勋.基于Unity 3D的猕猴桃虚拟修剪系统设计147