智能糧情三維虛擬展示系統(tǒng)的開發(fā)與應用研究

◎ 朱亞輝

（鄭州中糧科研設計院有限公司電氣工程研究所，河南 鄭州 450053）

隨著智能AI技術的研究不斷推進，目前利用VR技術制作三維展示系統(tǒng)的應用日益廣泛，支持其相關的軟件工具與應用技術得到了充分發(fā)展。而在糧食行業(yè)中智能化糧庫信息管理平臺的開發(fā)與應用相對落后，采用物聯(lián)網技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合開發(fā)成熟的智能三維展示系統(tǒng)迫在眉睫，三維系統(tǒng)中要體現(xiàn)更加精準的數(shù)據信息和設備模型的功能特效，其在糧食工程智能軟件建設與庫區(qū)數(shù)字化管理的交互體驗方面尤為突出，特別是采用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)的智能糧情三維虛擬展示系統(tǒng)的研究，Unity3D引擎技術開發(fā)與應用和WebGL渲染技術的應用受到了當前廣泛的關注與運用，逐漸成為了當今糧食食品行業(yè)信息化智能化平臺開發(fā)中的熱點。

近幾年來，隨著三維技術開放性發(fā)展逐漸引入糧食信息化展示平臺，開發(fā)智能糧情三維展示系統(tǒng)的技術不斷得到更新與開發(fā)，給糧食行業(yè)智能化發(fā)展與應用帶來了遠大前景。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎[1]。Unity3D主要特性具有層級式的綜合開發(fā)環(huán)境、可視化編輯，詳細的屬性編輯器和動態(tài)的游戲預覽[2]。Unity是被用來快速的制作游戲或者開發(fā)游戲原型的成功典范，同時具體自動資源導入功能和更新功 能， 支 持 3dsMax、Maya、Blender、Cinema4D、Cheetah3D等三維格式，圖形引擎使用Direct3D和OpenGL，并采用map技術支持Render-to-texture和全屏post processing效果[3]。Unity3D的部署簡單，自帶一個IDE: MonoDevelop，支持多平臺打包等操作均可以在編輯器里面直接完成[4]。另外，Unity的中間件均可打包成unitypackage進行發(fā)布，插件的部署也是最簡便的。Unity3D具有完整的技術路線，Unity最大的特點就是形成了一個成規(guī)模的插件市場，在此基礎上，Unity具有相當多的中間件，可以大大加快獨立開發(fā)者和公司的開發(fā)進度。Unity3D具有C#作為腳本支持，以至于在諸多應用領域得到了廣泛開發(fā)和運用[5]。

本研究的目的在于利用糧情信息化平臺進行虛擬現(xiàn)實技術的開發(fā)，提高糧庫糧情管理虛擬的自然性和高效性。目前，糧情系統(tǒng)開發(fā)僅限于二維的數(shù)據展示，人與計算機交互沒有直觀的方式瀏覽到糧倉模型及糧情具體實物感，虛擬現(xiàn)實技術則是更進一步實現(xiàn)其系統(tǒng)開發(fā)局限的鑰匙，使糧情三維展示系統(tǒng)的數(shù)據交互效率更加直觀。隨著計算機科學技術的快速發(fā)展，更高層次的虛擬現(xiàn)實技術理念對虛擬實驗提出了巨大的要求，越來越多的科研人員開始對新的虛擬現(xiàn)實技術的多通道界面展開研究，目前的研究內容主要集中在虛擬現(xiàn)實技術、增強現(xiàn)實技術、體感交互技術相結合的AI技術研究。而虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)為促進糧情三維展示平臺的開發(fā)前景具有重要意義。

1 3DMax/Revit和Unity3D

3DMax是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，具有強大的角色動畫制作能力，同時可堆疊建模步驟，使制作模型有非常大的彈性，“標準化”建模，針對建筑建模領域相較對突出的優(yōu)越性，是目前相對流行的三維建模工具[6]。則Autodesk Revit是提供支持建筑設計、MEP工程設計和結構工程的工具。是專為BIM構建的，可幫助建筑設計師設計、建造和維護質量更好、能效更高的建筑[7]。選擇Revit建模是它能更準確呈現(xiàn)BIM工程項目的詳細信息，可以通過精確實現(xiàn)建筑外觀的可視化，模擬真實性能以便讓項目各方了解成本、工期與環(huán)境影響。

Unity3D是游戲引擎、游戲開發(fā)工具，是實現(xiàn)三維平臺展示需要一個可以渲染3D模型、動畫，可以塑造空間感、光感的引擎[4]。由于Unity3D引擎能夠支持多種軟件導入的三維模型，多種輸入操作方式，包括友好的可視化界面以及基本編輯輸入模式，編程語言采用C#和JS進行開發(fā)，同時支持2D和3D的維度開發(fā)流程，方便開發(fā)[4]。開發(fā)此系統(tǒng)我們選擇了Unity3D作為開發(fā)平臺，利用它的強大虛擬現(xiàn)實開發(fā)功能，將展示倉庫糧情的畫面質量得以優(yōu)質的呈現(xiàn)。

2 模型建立與優(yōu)化

三維倉庫模型是整個虛擬系統(tǒng)展示的基礎，它的好壞直接影響了虛擬環(huán)境的色彩視角和真實度。在3D Max/Revit軟件中建立產品模型時在滿足視覺效果不失真的情況下，盡量采用最簡單的對象和模型，并且盡量用參數(shù)化方法構建對象，減少基本模型幾何體的節(jié)點層和分段數(shù)[4]。

根據建筑模型的特殊性和軟件的構造方法不同，總的建模和優(yōu)化過程：建立模型之后，再設置產品材質、紋理、動畫，調整燈光等參數(shù)，把模型進行烘焙處理后轉換成fbx格式存檔輸出。在虛擬三維空間中，材質和紋理是用于模擬產品表面的反射特性，基本材質是用于模擬產品表面的反彈特性，包括紋理、光照、貼圖時的使用，它使用三種顏色構成對象表面：由環(huán)境光顏色、漫反射顏色、高光顏色組成。Revit作為BIM建模軟件使用三種顏色及對建筑物模型高光區(qū)的控制，可以創(chuàng)建出大部分基本反射建筑貼圖材質。這種材質相對簡單，但能生成有效的渲染效果。將處理好的fbx文件導入Unity 3D軟件中，置入攝像機、燈光，將材質、紋理、貼圖依次配置，調整好參數(shù)和動作使得視覺效果達到最佳[4]。

3 糧情展示的交互操作

交互設計是整個虛擬展示系統(tǒng)的關鍵部分，在Unity3D中，這些交互動作是通過對虛擬模型的Script進行行為模塊的連接和各個參數(shù)的設置來實現(xiàn)的。這種方式使得設計過程更加清晰，更加容易調試。為模型對象創(chuàng)建腳本Script，這部分要充分考慮到各個Script執(zhí)行的順序和邏輯性。在每個Script中對交互動作進行編程，來實現(xiàn)各種倉庫對象的一系列展示動作，如平移、旋轉、放大、縮小、變換顏色、貼圖等。

3.1 庫區(qū)縱覽

①在單個倉體模型的倉頂添加Script實現(xiàn)點觸功能，使淺圓倉、立筒倉和星型倉設置滑動計算機鼠標放置上倉頂時，顯示倉號、倉容、谷型、倉溫和倉濕等信息。②在主場景攝像機上添加Script實現(xiàn)發(fā)射功能，使點擊功能進入淺圓倉、立筒倉和星型倉內部。如圖1所示。

圖1 庫區(qū)縱覽三維虛擬展示效果圖

在主場景中添加UI面板，設置倉庫信息、儲量、等級、溫度、監(jiān)控、蟲害、濕度、操作狀態(tài)等內容，依次添加單選按鈕功能，點擊時顯示相應的信息內容。如圖2所示。

3.2 電纜測溫

淺圓倉Ⅰ期包含23根測溫電纜線，每根電纜線有18個標準測溫點對象，即分為18層測溫線圈。淺圓倉Ⅱ期包含28根電纜線，每根電纜線有15個標準測溫點對象，也即分為15層測溫線圈。立筒倉包含14根測溫電纜線，每根電纜線有23個標準測溫點對象，也即分為23層測溫線圈。星型倉包含1根測溫電纜線，每根電纜線有20個測溫點對象，也即分為20層測溫線圈。①根據每種倉型的實際布線結構設置電纜及測溫點模型大小和位置，為每個測溫點模型添加Script實現(xiàn)連接網絡服務器搭建，并實時顯示設備讀取的數(shù)據，添加UI面板依次按照電纜序號排列，選擇相應編號時顯示相應的電纜測溫點及實時溫度數(shù)值，由不同的顏色表示不同的溫度范圍。②為倉體內部添加倉容信息，由Script實現(xiàn)點觸功能，提示倉號、倉溫、倉濕、最高溫、最低溫、平均溫和糧谷高度等信息。再次，添加UI面板依次顯示倉號、大氣溫度、大氣濕度、倉內溫度、倉內濕度、最高糧溫、最低糧溫和平均糧溫等信息。如圖3所示。

圖3 倉內電纜測溫效果圖及控制展板顯示數(shù)據圖

3.3 智能通風

通風設備分倉底風機和倉頂風機兩類，分別4個，對稱排列的形式擺放。首先，在每種倉的倉頂添加風扇模型，并對風扇壁添加Script實現(xiàn)點觸功能，點擊時顯示控制風扇屬性面板，根據服務器設備自然狀態(tài)傳感參數(shù)來設置面板上風扇實時狀態(tài)，也可以手動操作，點擊單選按鈕時可打開倉底通風窗，然后開啟軸流風機設備，同時發(fā)送命令并接收后臺發(fā)送過來的狀態(tài)執(zhí)行相應的操作，比如通風、降溫、保濕、增溫等，每隔5 s刷新一下當前狀態(tài)，可以手動操作通風口使倉內同樣達到降溫或增溫的效果。同時對風扇葉添加Script實現(xiàn)update時自然轉動。如圖4所示。

圖4 倉頂風機和通風窗，倉壁通風口設備的效果及智能控制面板圖

4 結論

隨著互聯(lián)網智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)建筑行業(yè)利用BIM建模技術及虛擬現(xiàn)實技術將會得到廣泛的應用，相關技術領域的軟件開發(fā)與研究將會進一步發(fā)展。本文提出的智能糧情三維虛擬展示系統(tǒng)的設計流程和交互式的動作設置，可讓用戶從直觀的角度去體驗、去觀察糧倉及糧情的詳細信息，實時了解通風的情況。本系統(tǒng)通過擴展編程，實現(xiàn)交互式操作，更有效地表達虛擬現(xiàn)實環(huán)境，給使用者更加真實的感受。