基于VR的食用花卉产业可视化研究与设计*

黄 陈 ， 郑金铭 ， 吴坤龙

（1.温州科技职业学院，浙江 温州 325006；2.文成县现代农业与康养产业研究院，浙江 温州 325399）

0 引言

虚拟现实技术也叫“虚拟灵境技术”，是一门跨学科、跨领域性的交叉学科技术，具有三大特性（3I特性），即构想性（Imagination）、交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion），能打破时间与空间的壁垒，让人完全融入虚拟环境中，获得与现实环境相同的现场感受。随着计算机技术的不断发展以及硬件设备的不断迭代，虚拟现实技术在各行各业中都有广阔的应用前景，“传统农业+VR”的形式也被各大农业院校以及机构广泛采用，为传统农业培训教育的破冰与革新提供了新的思路。

传统食用花卉的宣传、展示、培训等主要依赖传统多媒体方式，比如视频、图片、书本、文献等，枯燥的理论讲解加上视频解说，参与者只能靠自己脑补实物，大大降低了学员们的学习热情，而实物展示也受实际条件的束缚，不能随时、随地满足教学、培训等的需求。对此，任素樱[1]提出虚拟现实技术在农业生态环境教学中的应用分析方案，结合虚拟现实教育的相关理论及基本概念，指出了其在农业生态环境教学应用中存在的问题，并针对性地提出了解决方案；张鹏[2]以农耕文化体验为例，提出虚拟现实（VR）技术在现代农业中的应用，在现代农业中利用虚拟现实技术开发农业虚拟资源，并融入农业生产与管理，为提升农业信息技术水平提供实践经验；周振华[3]提出3D虚拟现实技术在农业中的应用方案，探讨了3D虚拟现实技术在农业生产中的应用现状与方法以及农业机械产品的虚拟设计开发。以上学者都在各自的领域对虚拟现实技术在农业方面的应用进行了分析，但未曾以实例的形式呈现应用设计方案，不能为读者提供全面的参考。

针对以上情况，笔者提出了基于VR的食用花卉产业可视化研究与设计方案。以文成县金丝皇菊作为研究对象，建立三维模型，并以金丝皇菊的现实农耕操作为参照，设计系统的交互仿真策略，搭建沉浸式硬件仿真平台，将体验者映射到虚拟环境中，体验现实农耕的乐趣，系统设计激发了学员的学习热情，提升了培训效率，降低了培训成本。

1 系统整体设计

系统设计以金丝皇菊作为仿真对象，建立金丝皇菊的植株、种植场景、实操农具等三维模型，然后以虚拟现实技术作为桥梁，搭建HTC vive硬件仿真平台，依据金丝皇菊种植培训手册，通过三维交互以及沉浸式仿真技术实现金丝皇菊种植的虚拟实操过程。系统设计流程如图1所示。

图1 系统设计流程

由图1可知，系统设计分为三个模块：人机交互模块、硬件平台模块、软件仿真模块。软件仿真模块是实现系统仿真的基础，硬件平台是连接人机交互模块与软件仿真模块的桥梁，而人机交互模块决定了系统体验的效果。首先，根据金丝皇菊的素材文件以及相关种植培训手册建立金丝皇菊植株、种植场景以及相关实操农具的三维模型，并根据实操内容制作人机交互界面UI，然后将模型和UI导入Unity3D交互软件中，通过连接MySQL数据库，将相关的模型信息、动作信息存入数据库中，再通过SteamVR插件实现硬件平台与软件仿真模块间的通信，而后，学员通过与HTC vive间的人机交互，实现相关位置信息以及决策信息的传递，以此实现系统的沉浸式交互仿真功能。

2 系统硬件平台

系统设计以HTC vive作为硬件平台，其主要包含VR头盔、VR手柄、两个定位基站以及支架。其中，VR头盔主要用来进行数据传输，操作者通过头盔观看虚拟场景中的相关模型，VR手柄可以实现操作者在虚拟场景中的模型交互，定位基站用来实现空间定位，将操作者的位置信息、动作信息传递给系统，实现系统的人机交互功能。HTC vive硬件设备如图2所示。

图2 HTC vive硬件设备

HTC vive硬件平台需与PC机相连，对PC机硬件配置有如下要求：GPU需要NVIDIA GeForceGTX970/AMD Radeon R9 290同等或更高版本，CPU需要Intel i5-4590/AMD FX-8350同等或更高版本，RAM需要4 GB+，Video Output需要HDMI 1.4/DisplayPort 1.2或更高版本，操作系统选用Windows 7SP1或更新的版本。在操作中，HTC vive基站工作可以分为有线和无线模式，无线模式中，需调节基站工作模式为A或B，基站指示灯若呈绿色代表正常工作，否则代表出现位移，需对基站摆放位置进行调节[4]。

3 系统设计关键技术

3.1 三维建模技术

模型的建立是系统设计的基础，模型的精细与逼真程度很大程度上影响了操作者的体验效果，系统设计选用3ds Max作为建模软件。3ds Max的建模方式主要分为多边形（Polygon）建模、细分曲面（subdivision surface）建模以及非均匀有理B样条曲线（NURBS）建模。在进行金丝皇菊植株以及场景建模的过程中，以多边形建模为主，其他建模方式为辅，根据实物原型，通过三维模型高度还原金丝皇菊植株以及种植现场[5-7]。在模型建立完成后，为使模型逼近实物，达到以假乱真的效果，还需为模型赋予材质和贴图，贴图前和贴图后的金丝皇菊模型如图3所示。

图3 贴图前后金丝皇菊模型对比图

在进行金丝皇菊植株建模时，首先根据实物原型将皇菊划分为根茎、叶、花朵三个部分，在场景中放置圆柱体作为根茎建模的基准体，以皇菊的实际尺寸为标准，设定圆柱体的长度以及直径，将其转化为可编辑多边形，根据皇菊根茎的外形，在多边形点、线、面、元素四个层级下勾勒根茎的外形；叶片的构建以平面贴图的形式进行，根据皇菊叶片的姿态，在空间中放置平面，调节平面的位置以及旋转角度，使其贴合皇菊叶片的实际长势，然后赋予平面透明通道贴图，还原实际叶面；花朵的构建以球形作为建模基准体，将其转化为可编辑多边形，调节花朵的生长形态，并为花瓣赋予平面贴图[8-10]。

3.2 三维交互技术

在模型建立完成后，需以“.fbx”的格式导入Unity3D中进行交互仿真设计。系统的交互主要分为界面UI交互、碰撞检测交互两种。界面UI交互是操作者获取种植仿真信息的主要途径，在系统开发过程中导入“VRTK_SteamVR”插件，为[SteamVR]预制体添加“VRTK_Controller Event.csharp”“VRTK_Pointer.csharp”“VRTK_Straight Pointer.csharp”脚本，控制手柄发射射线，然后在界面UI面板添加“VRTK_UI Canvas.csharp”脚本，实现射线与界面UI按钮间的交互检测。碰撞检测交互是操作者与虚拟场景中事件触发检测的主要手段，通过给[SteamVR]预制体下的手柄“modle”添加“boxCollider”碰撞检测组件以及“rigidbody”刚体组件，在发生手柄与模型碰撞事件时，触发“void OnTriggerEnter（）”碰撞检测函数，实现场景中碰撞事件的检测功能。系统三维仿真交互流程如图4所示。

图4 系统三维仿真交互流程

操作者戴上VR头盔进入系统后，通过手柄发出的射线选择体验模块，系统实操体验分为整地要求、种苗繁育、幼苗定植、田间管理、虫害防治五个模块。根据种植培训手册需求，首先选择进入整地要求模块，可在其中完成翻耕施底肥、除草、起垄等操作；然后进入种苗繁育模块，对种苗进行浸泡、灭菌、移栽等操作；再进入幼苗定植模块，根据定植时间、密度以及方法对幼苗进行定植；最后完成田间管理模块和虫害防治模块，包括摘心打顶、根部培土、中耕除草、搭支架或拉网、水分管理、肥分管理、剥侧蕾等操作，各个模块体验完后自动跳转到界面选择场景，所有模块体验结束，操作者可以退出系统。

3.3 MySQL数据库技术

系统设计过程中，以MySQL数据库软件作为数据存储与调用的桥梁。MySQL数据库是一种关系型数据库管理系统，是一种开源软件，体积小、速度快、成本低，是作为中小型项目开发数据处理的最佳选择[11-12]。在三维交互仿真环节中，引入MySQL数据库，建立huangju_model、action_information、interactive information表，将相关模型信息、动作信息以及交互信息存入表中，通过“select from*”“insert into”“delect from”等MySQL语句，实现数据的增、删、改、查等操作，提高系统的工作效率，增强系统的可移植性[13-15]。

4 系统仿真体验

系统设计完成后，操作者戴上VR头盔即可进行沉浸式仿真体验。操作者通过VR手柄实现与虚拟环境中的UI以及模型交互，通过金丝皇菊的种植培训手册制定交互体验流程，将系统仿真体验划分为模块选取、漫游体验、整地要求、种苗繁育、幼苗定植、田间管理、虫害防治7个环节。各个环节的体验效果如图5所示。

图5 体验效果仿真图

5 总结

1）传统花卉的农耕培训资料以操作手册、田间照片素材、网络视频、课本等为主。培训形式单一，培训内容枯燥，而现场教学又受到现实环境的制约，难以适时、适地展开。以金丝皇菊的现实农耕操作为依据，设计金丝皇菊VR仿真平台，可大量减少前期投入，节省了培训成本。通过虚拟场景映射现实操作环境，让学员获得与实际操作相同的体验，提升学员学习兴趣，保证金丝皇菊农耕培训的正常开展。

2）交互仿真环节的设计，将现实农耕转化为虚拟实操，有效地激发了操作者的学习兴趣。根据金丝皇菊实际的培育、种植需求，开发出相应的虚拟实操模块，如育种、定植、田间管理、除虫等，能有效跨越金丝皇菊的各个生长周期，通过沉浸式交互，让操作者体验各个环节所要注意的事项，提升了培训教育的效率，缩短了培训周期。

3）一般的农业仿真平台受环境和硬件设备的影响很大，给后期运维带来了极大的困难，而此平台的设计以三维建模技术为基础，以虚拟现实技术为核心，搭建HTC vive硬件仿真平台，通过仿真系统强大的兼容能力和模块化程序的设计思路，大大增强了系统的抗干扰能力，便于学员在各个平台上使用，可快速将研究成果转化为实际效益。

4）系统设计以虚拟现实技术作为桥梁，将农业培训和高新技术有机地结合起来，通过硬件平台和软件设计，使传统的农业培训向新时代农业培训、教育延伸，既切合了时代科技发展的主流，又为传统农民教育注入了新的动力，有效解决了传统农民培训过程中存在的问题。