基于Unity3D的六堡茶虚拟种植教学仿真系统设计

宫海晓 周全越 冯思怡

摘  要：针对传统的六堡茶种植教学中存在的种植周期长、易受季节和天气限制等问题，提出了一种基于Unity3D的六堡茶虚拟种植教学仿真设计方案，并开发了六堡茶虚拟种植教学仿真系统。通过采用3D Max等软件建模，利用Unity3D引擎，设计了移栽、修剪和采摘等虚拟仿真模块，并通过粒子模拟和重力系统实现天气与物理现象的模拟还原。经测试，该虚拟仿真系统具有良好的操作性与沉浸感，相比传统的六堡茶种植教学，更加便捷和廉价，减少了传统教学投入的时间和金钱，达到了六堡茶种植教学的预期效果。

关键词：六堡茶;虚拟现实;Unity3D

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）10-0099-03

Abstract：To solve the problems existing in the traditional planting teaching of Liupao tea，such as long planting cycle and easy to be restricted by season and weather，a virtual planting teaching simulation design scheme of Liupao tea based on Unity3D was proposed，and the virtual planting teaching simulation system of Liupao tea was developed. By using 3D Max and other software for modeling and using Unity3D as engine，virtual simulation modules such as transplanting，pruning and picking were designed，and weather and physical phenomena were simulated and restored through particle simulations and gravity systems. After test，the virtual simulation system had a good sense of operability and immersion. Compared with the traditional Liupao tea planting teaching，it was more convenient and cheaper，which reduced the time and money invested in the traditional teaching，achieving the expected effect of Liupao tea planting teaching.

Keywords：Liupao tea;virtual reality;Unity3D

0  引  言

六堡茶属于黑茶，是广西壮族自治区梧州市特产，中国国家地理标志产品，其中以梧州苍梧县六堡镇所产最为著名。由于六堡茶含有人体必需的多种氨基酸、维生素和微量元素，长期饮用可以健胃养神、减肥健身，因此越来越受到消费者的喜爱，逐渐进入大众视野。六堡茶产业经济的急剧发展，不仅对六堡茶的种植技术提出了更高的要求，而且也急需大量的种植技术人员，但由于受到城市地域等各种原因，短时间内无法解决人才短缺的问题，目前仍采用技术人员口口相传和实地教学的方法，实现这个过程不仅需要消耗大量时间，另外还需要一定规模的茶园教学场地，并且人数较多时存在难以管理的问题。同时实验茶园的搭建以及管理对教学机构是一个不小的负担，而学员在实验过程中对茶树也会造成不同程度损伤，造成经济的损耗。

针对以上不足，本方案通过使用Unity3D技术，借助3D Max等建模软件，真实还原实验场景，通过模拟仿真操作，保留传统教学的沉浸式效果，且解决了传统教学中由于时令限制、茶株生长状况限制和实践管理难度高等导致的消耗时间长、教学质量不佳、练习损耗高的问题，既教会了学员六堡茶种植技术，而且使学员学习的效率和教学效率都有所提升。

1  系统总体设计

1.1  系统模块需求

六堡茶的种植教学，涉及茶树选种、育种、栽种、浇灌、修剪、采摘等众多知识点，整个教学活动需要对茶树的不同生长时期进行操作。因此，为实现更加具有真实性的仿真操作，提高学员学习兴趣，将枯燥的专业知识教学变为可视化、可交互的兴趣教学，本仿真系统将主要教学过程分为移栽、修剪和采摘三个模块。同时在满足教学活动的基础上，设计了练习、教学、考核三个模式。

1.2  系统仿真需求

仿真操作影响着系统沉浸感，在课程中合理的仿真设计，是教学系统的基础设计理念。在进行仿真设计时，需要综合用戶体验与实际技术限制进行考虑，本仿真系统主要考虑了以下四个方面的仿真操作。

1.2.1  触觉弥补

在实际茶树种植中学员可以依据多方面的感知进行操作，而目前的虚拟仿真主要还是以视觉的形式进行仿真模拟，触觉的仿真模拟尚未成熟。本仿真系统在对涉及多感官操作时，提出了视觉提示弥补的解决方案，采用高光提示进行反馈，此方案可以使用户准确感知到茶树操作的具体内容，同时降低用户的操作难度。

1.2.2  液体仿真

在仿真教学系统中涉及到浇灌的操作，即需要对液体进行模拟，在计算机的液体模拟主要有着色器模拟和粒子系统模拟。前者用于外观上的模拟，并不具备动力学的特性，无法完成液体倾倒的仿真模拟;后者具有动力学特性，但同时存在液体容器在运动时速度过大与液体产生穿透的问题，本仿真系统采用两者混合的方式实现液体模拟仿真，即在单手提起水桶的常规情况下，桶内液体使用着色器进行模拟，在双手进行浇灌操作时，生成液体粒子进行液体倾倒模拟。40FD3F09-BDE3-4BBD-A00E-4B8210CE6395

1.2.3  修剪仿真

茶树修剪是茶树种植技术关键环节，需要采用到枝剪工具进行修剪动作，本仿真系统在考虑操作沉浸感的基础上，将枝剪的操作细节进行保留。在实现枝剪精细操作的解决方案上提出了一种仿真解决方案，即在双手持握的情况下，利用手的距离控制剪刀动画达到控制剪刀仿真的效果。

1.2.4  天气仿真

天气是影响茶树种植的重要因素，如何在虚拟仿真场景中还原天气的变化成为关键，本仿真系统在进行天气系统的模拟仿真时进行了多种尝试，如利用UniStorm天气系统实现一套完整的晴雨昼夜乃至春夏秋冬的气候效果，但该插件功能强大但可编辑性不强，综合考虑并不适合本课题天气系统的开发，因此最终选择使用编写控制脚本与Enviro-Sky and Weather插件结合，天气效果系统由插件实现，控制脚本在程序开发中实现。

2  系统功能实现

2.1  模型制作

六堡茶虚拟种植仿真教学系统的基础是创建具有真实感的三维场景，整个场景的布局离不开三维建模。在该仿真系统中模拟茶园场景进行建模，根据地形，茶树、树坑、土壤等的实际情况，对其模型位置和比例进行参数调整，让构建的虚拟场景沉浸感强，模型面数合理。主要构建的模型有场景模型、树坑模型、土壤模型、茶树模型、农具模型等。

（1）场景模型。为了让场景看起来更为真实，在Unity里搭建VR教学系统所需要的教学场景，借助Unity3D游戏引擎开发的地形与场景生成系统Gaia插件，制作地形景观的插件。

（2）树坑模型。在该仿真系统中，茶树的移栽时需要进行挖坑的操作，为实现场景中出现的树坑效果，借助Cinema 4D建模软件，通过将基础模型进行编辑，制作出茶苗移栽时不同深度的坑。

（3）土壤模型。在系统场景中，对田垄进行挖坑并将茶苗放入了合适深度的坑之后，应该往树坑里面填土。为了实现此交互，在Cinema 4D建模软件中，通过置换和减面进行填坑时的土壤模型制作。

（4）茶树模型。不同时期的茶树是该仿真系统的重要模型，在茶树的移栽需要三种不同茶苗的模型，茶树的修剪中需要定型修剪、深修剪、重修剪、台刈等时期的茶树模型，茶树的采摘也需要不同的茶树模型。借助SpeedTree建模软件，通过对茶树模型各种参数的不同设置制作出不同时期的茶树模型。

（5）农具模型。在系统场景的交互中，对茶树的种植需要用到各种工具，比如锄头、铲子、水桶、剪刀、竹篮等。通过借助3D Max建模软件，通过样条线挤压等操作制作出农具模型。

2.2  交互实现

2.2.1  天气模块交互

该仿真系统主要使用到Enviro-Dynamic Enviroment插件，调用其内部的天气预设，并对虚拟仿真场景进行相应的优化。主要制作原理是通过搭建天气系统，然后编写天气控制脚本WeatherController.cs控制天气的跳转。

2.2.2  移栽模块交互

移栽主要是实现挖土的仿真与种植深度的检测，本仿真系统通过预设多段树坑深度，依据挖坑的次数增加树坑的深度，在涉及树坑与土壤的相互作用时，采取的方式是，在锄头碰撞产生时，分别遍历两个物体的子孙物体对象，对当前被碰撞物体所遍历到的最后一个未隐藏对象进行隐藏，而另一个未被碰撞的物体所遍历到的第一个已隐藏对象进行显示。

2.2.3  浇灌模块交互

浇灌涉及液体仿真，而液体仿真所遇到的问题在于在碰撞系统中碰撞在速度过快时会发生穿透现象，这样就会出现在人物移动过快时液体会从器物中露出的现象。针对该问题，本仿真系统使用Obi流体插件，根据浇灌的操作，选择使用分阶段处理，即当容器被一只手提起時液体不产生，当两只手参与操控容器时液体便开始产生，当一只手退出操控时液体停止产生并推迟后销毁。

2.2.4  修剪模块交互

六堡茶选种为灌木型中叶种，茶园护理中的修剪对茶树生长有很直接的影响，以茶树修剪阶段划分有定型修剪、轻修剪、重修剪以及台刈四种类型，其中定型修剪分为覆盖、移栽、茶苗成年三个阶段，每个阶段执行的重要依据是茶树的高度;而轻修和重修对应的是壮年茶树;台刈则面向老化的茶树或遭遇冻害的茶树。系统根据三次修剪与茶树高度的关联性，在修剪实验的模拟仿真上采取了预设置多个修剪分段式，修剪时将根据操作剪去不同分段，增强用户操作感。

2.2.5  采摘模块交互

在采摘的交互设计上沿用修剪的解决方案，但交互对象转换为手，同时为了还原实际采茶情况，添加入竹篮这一交互工具，并保持跟随在身体一侧，采茶时可以随拿随放，采茶的关键点在于茶叶在采摘之前是不具备重力的，在采摘后才拥有重力，如果在采摘过程中失误导致茶叶掉落，在场景中便难以寻回，在实际茶园中也是如此。

为了简化用户体验难度，本仿真系统对采摘交互流程进行了以下设计，当用户手触碰可摘取茶叶时，茶叶会显示高亮边缘，绿色为正确采摘，按下手柄扳机键时，采下对应的茶叶，将茶叶置于竹篮中并释放时短暂产生重力，稳定后去除重力，防止竹篮在移动时，茶叶因重力产生穿透。

3  系统测试结果

为了验证该仿真系统是否满足六堡茶种植培训要求，作者邀请了六堡茶种植专业技术人员以及多位学员对该系统各个仿真模块进行了测试。主要测试该系统功能模块是否完整、模拟仿真是否准确、系统画面是否流畅、系统交互是否合理四个方面。经过专业技术人员和学员的共同测试与交流表明，该系统功能模块完整，在种植、修剪、采摘等方面的模拟仿真具有沉浸感，符合六堡茶实际种植操作规范要求，整个系统运行流畅，画面美观大方，不仅具有一定的交互性能，而且系统稳定性较高，实现了六堡茶种植过程的模拟仿真。

4  结  论

本文采用Unity3D的虚拟仿真技术，通过使用3D Max、Cinema4D、SpeedTree等三维建模软件，开发了六堡茶虚拟种植教学仿真系统，模拟仿真了六堡茶种植过程中的种植、移栽、修剪、采摘等操作，同时提供了天气系统的切换，并实现了系统中流体模拟、物体高光、射线碰撞、物理模拟等关键性技术功能。

通过使用六堡茶虚拟种植教学仿真系统，在一定程度上替代了枯燥的传统教学，不仅激发了学员的学习兴趣，同时降低了教学人员的教学负担，基本解决了传统六堡茶教学中存在的场地、人员、经济、天气等问题，为六堡茶种植技术人员提供了良好的培训和学习平台。

参考文献：

[1] 韩婷婷，唐世斌，聂永雄，等.苍梧县国有天洪岭林场六堡茶生态茶园建设探讨 [J].南方农业，2019，13（4）：80-83.

[2] 张芬，温立香，彭靖茹，等.广西六堡茶的研究进展 [J].茶叶通讯，2018，45（3）：13-16.

[3] 王爱军，李中永，颜世波.基于Unity 3D的博物馆虚拟漫游系统设计 [J].湖南工程学院学报（自然科学版），2019，29（1）：49-53+59.

[4] 杜娟，邓昭辉，赵海，等.虚拟现实变电站仿真培训系统开发应用 [J].自动化与仪器仪表，2019（3）：228-231.

[5] 张红，张福高.基于激光虚拟的远程实验室系统设计与实现 [J].激光杂志，2019，40（3）：187-191.

[6] 刘崇进，吴应良，贺佐成，等.沉浸式虚拟现实的发展概况及发展趋势 [J].计算机系统应用，2019，28（3）：18-27.

[7]李梦如，陈哲，朱美华，等.液压虚拟仿真实验教学平台建设 [J].实验技术与管理，2019，36（2）：148-152.

作者简介：宫海晓（1982.07-），男，汉族，山西昔阳人，讲师，硕士，研究方向：视频图像优化、三维可视化、虚拟现实等;周全越（1995.05-），男，汉族，广西灵山人，学士学位，研究方向：虚拟现实等;冯思怡（1996.04-），女，汉族，广东惠州人，学士学位，研究方向：UI前端等。40FD3F09-BDE3-4BBD-A00E-4B8210CE6395