基于Unity3D的六堡茶虛擬種植教學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宮海曉 周全越 馮思怡

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)的六堡茶種植教學(xué)中存在的種植周期長(zhǎng)、易受季節(jié)和天氣限制等問(wèn)題，提出了一種基于Unity3D的六堡茶虛擬種植教學(xué)仿真設(shè)計(jì)方案，并開(kāi)發(fā)了六堡茶虛擬種植教學(xué)仿真系統(tǒng)。通過(guò)采用3D Max等軟件建模，利用Unity3D引擎，設(shè)計(jì)了移栽、修剪和采摘等虛擬仿真模塊，并通過(guò)粒子模擬和重力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天氣與物理現(xiàn)象的模擬還原。經(jīng)測(cè)試，該虛擬仿真系統(tǒng)具有良好的操作性與沉浸感，相比傳統(tǒng)的六堡茶種植教學(xué)，更加便捷和廉價(jià)，減少了傳統(tǒng)教學(xué)投入的時(shí)間和金錢，達(dá)到了六堡茶種植教學(xué)的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：六堡茶;虛擬現(xiàn)實(shí);Unity3D

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

六堡茶屬于黑茶，是廣西壯族自治區(qū)梧州市特產(chǎn)，中國(guó)國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品，其中以梧州蒼梧縣六堡鎮(zhèn)所產(chǎn)最為著名。由于六堡茶含有人體必需的多種氨基酸、維生素和微量元素，長(zhǎng)期飲用可以健胃養(yǎng)神、減肥健身，因此越來(lái)越受到消費(fèi)者的喜愛(ài)，逐漸進(jìn)入大眾視野。六堡茶產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的急劇發(fā)展，不僅對(duì)六堡茶的種植技術(shù)提出了更高的要求，而且也急需大量的種植技術(shù)人員，但由于受到城市地域等各種原因，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法解決人才短缺的問(wèn)題，目前仍采用技術(shù)人員口口相傳和實(shí)地教學(xué)的方法，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程不僅需要消耗大量時(shí)間，另外還需要一定規(guī)模的茶園教學(xué)場(chǎng)地，并且人數(shù)較多時(shí)存在難以管理的問(wèn)題。同時(shí)實(shí)驗(yàn)茶園的搭建以及管理對(duì)教學(xué)機(jī)構(gòu)是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)，而學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)茶樹(shù)也會(huì)造成不同程度損傷，造成經(jīng)濟(jì)的損耗。

針對(duì)以上不足，本方案通過(guò)使用Unity3D技術(shù)，借助3D Max等建模軟件，真實(shí)還原實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，通過(guò)模擬仿真操作，保留傳統(tǒng)教學(xué)的沉浸式效果，且解決了傳統(tǒng)教學(xué)中由于時(shí)令限制、茶株生長(zhǎng)狀況限制和實(shí)踐管理難度高等導(dǎo)致的消耗時(shí)間長(zhǎng)、教學(xué)質(zhì)量不佳、練習(xí)損耗高的問(wèn)題，既教會(huì)了學(xué)員六堡茶種植技術(shù)，而且使學(xué)員學(xué)習(xí)的效率和教學(xué)效率都有所提升。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)模塊需求

六堡茶的種植教學(xué)，涉及茶樹(shù)選種、育種、栽種、澆灌、修剪、采摘等眾多知識(shí)點(diǎn)，整個(gè)教學(xué)活動(dòng)需要對(duì)茶樹(shù)的不同生長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行操作。因此，為實(shí)現(xiàn)更加具有真實(shí)性的仿真操作，提高學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，將枯燥的專業(yè)知識(shí)教學(xué)變?yōu)榭梢暬?、可交互的興趣教學(xué)，本仿真系統(tǒng)將主要教學(xué)過(guò)程分為移栽、修剪和采摘三個(gè)模塊。同時(shí)在滿足教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了練習(xí)、教學(xué)、考核三個(gè)模式。

1.2? 系統(tǒng)仿真需求

仿真操作影響著系統(tǒng)沉浸感，在課程中合理的仿真設(shè)計(jì)，是教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理念。在進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合用戶體驗(yàn)與實(shí)際技術(shù)限制進(jìn)行考慮，本仿真系統(tǒng)主要考慮了以下四個(gè)方面的仿真操作。

1.2.1? 觸覺(jué)彌補(bǔ)

在實(shí)際茶樹(shù)種植中學(xué)員可以依據(jù)多方面的感知進(jìn)行操作，而目前的虛擬仿真主要還是以視覺(jué)的形式進(jìn)行仿真模擬，觸覺(jué)的仿真模擬尚未成熟。本仿真系統(tǒng)在對(duì)涉及多感官操作時(shí)，提出了視覺(jué)提示彌補(bǔ)的解決方案，采用高光提示進(jìn)行反饋，此方案可以使用戶準(zhǔn)確感知到茶樹(shù)操作的具體內(nèi)容，同時(shí)降低用戶的操作難度。

1.2.2? 液體仿真

在仿真教學(xué)系統(tǒng)中涉及到澆灌的操作，即需要對(duì)液體進(jìn)行模擬，在計(jì)算機(jī)的液體模擬主要有著色器模擬和粒子系統(tǒng)模擬。前者用于外觀上的模擬，并不具備動(dòng)力學(xué)的特性，無(wú)法完成液體傾倒的仿真模擬;后者具有動(dòng)力學(xué)特性，但同時(shí)存在液體容器在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度過(guò)大與液體產(chǎn)生穿透的問(wèn)題，本仿真系統(tǒng)采用兩者混合的方式實(shí)現(xiàn)液體模擬仿真，即在單手提起水桶的常規(guī)情況下，桶內(nèi)液體使用著色器進(jìn)行模擬，在雙手進(jìn)行澆灌操作時(shí)，生成液體粒子進(jìn)行液體傾倒模擬。40FD3F09-BDE3-4BBD-A00E-4B8210CE6395

1.2.3? 修剪仿真

茶樹(shù)修剪是茶樹(shù)種植技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要采用到枝剪工具進(jìn)行修剪動(dòng)作，本仿真系統(tǒng)在考慮操作沉浸感的基礎(chǔ)上，將枝剪的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行保留。在實(shí)現(xiàn)枝剪精細(xì)操作的解決方案上提出了一種仿真解決方案，即在雙手持握的情況下，利用手的距離控制剪刀動(dòng)畫達(dá)到控制剪刀仿真的效果。

1.2.4? 天氣仿真

天氣是影響茶樹(shù)種植的重要因素，如何在虛擬仿真場(chǎng)景中還原天氣的變化成為關(guān)鍵，本仿真系統(tǒng)在進(jìn)行天氣系統(tǒng)的模擬仿真時(shí)進(jìn)行了多種嘗試，如利用UniStorm天氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一套完整的晴雨晝夜乃至春夏秋冬的氣候效果，但該插件功能強(qiáng)大但可編輯性不強(qiáng)，綜合考慮并不適合本課題天氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，因此最終選擇使用編寫控制腳本與Enviro-Sky and Weather插件結(jié)合，天氣效果系統(tǒng)由插件實(shí)現(xiàn)，控制腳本在程序開(kāi)發(fā)中實(shí)現(xiàn)。

2? 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1? 模型制作

六堡茶虛擬種植仿真教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是創(chuàng)建具有真實(shí)感的三維場(chǎng)景，整個(gè)場(chǎng)景的布局離不開(kāi)三維建模。在該仿真系統(tǒng)中模擬茶園場(chǎng)景進(jìn)行建模，根據(jù)地形，茶樹(shù)、樹(shù)坑、土壤等的實(shí)際情況，對(duì)其模型位置和比例進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，讓構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景沉浸感強(qiáng)，模型面數(shù)合理。主要構(gòu)建的模型有場(chǎng)景模型、樹(shù)坑模型、土壤模型、茶樹(shù)模型、農(nóng)具模型等。

（1）場(chǎng)景模型。為了讓場(chǎng)景看起來(lái)更為真實(shí)，在Unity里搭建VR教學(xué)系統(tǒng)所需要的教學(xué)場(chǎng)景，借助Unity3D游戲引擎開(kāi)發(fā)的地形與場(chǎng)景生成系統(tǒng)Gaia插件，制作地形景觀的插件。

（2）樹(shù)坑模型。在該仿真系統(tǒng)中，茶樹(shù)的移栽時(shí)需要進(jìn)行挖坑的操作，為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中出現(xiàn)的樹(shù)坑效果，借助Cinema 4D建模軟件，通過(guò)將基礎(chǔ)模型進(jìn)行編輯，制作出茶苗移栽時(shí)不同深度的坑。

（3）土壤模型。在系統(tǒng)場(chǎng)景中，對(duì)田壟進(jìn)行挖坑并將茶苗放入了合適深度的坑之后，應(yīng)該往樹(shù)坑里面填土。為了實(shí)現(xiàn)此交互，在Cinema 4D建模軟件中，通過(guò)置換和減面進(jìn)行填坑時(shí)的土壤模型制作。

（4）茶樹(shù)模型。不同時(shí)期的茶樹(shù)是該仿真系統(tǒng)的重要模型，在茶樹(shù)的移栽需要三種不同茶苗的模型，茶樹(shù)的修剪中需要定型修剪、深修剪、重修剪、臺(tái)刈等時(shí)期的茶樹(shù)模型，茶樹(shù)的采摘也需要不同的茶樹(shù)模型。借助SpeedTree建模軟件，通過(guò)對(duì)茶樹(shù)模型各種參數(shù)的不同設(shè)置制作出不同時(shí)期的茶樹(shù)模型。

（5）農(nóng)具模型。在系統(tǒng)場(chǎng)景的交互中，對(duì)茶樹(shù)的種植需要用到各種工具，比如鋤頭、鏟子、水桶、剪刀、竹籃等。通過(guò)借助3D Max建模軟件，通過(guò)樣條線擠壓等操作制作出農(nóng)具模型。

2.2? 交互實(shí)現(xiàn)

2.2.1? 天氣模塊交互

該仿真系統(tǒng)主要使用到Enviro-Dynamic Enviroment插件，調(diào)用其內(nèi)部的天氣預(yù)設(shè)，并對(duì)虛擬仿真場(chǎng)景進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。主要制作原理是通過(guò)搭建天氣系統(tǒng)，然后編寫天氣控制腳本W(wǎng)eatherController.cs控制天氣的跳轉(zhuǎn)。

2.2.2? 移栽模塊交互

移栽主要是實(shí)現(xiàn)挖土的仿真與種植深度的檢測(cè)，本仿真系統(tǒng)通過(guò)預(yù)設(shè)多段樹(shù)坑深度，依據(jù)挖坑的次數(shù)增加樹(shù)坑的深度，在涉及樹(shù)坑與土壤的相互作用時(shí)，采取的方式是，在鋤頭碰撞產(chǎn)生時(shí)，分別遍歷兩個(gè)物體的子孫物體對(duì)象，對(duì)當(dāng)前被碰撞物體所遍歷到的最后一個(gè)未隱藏對(duì)象進(jìn)行隱藏，而另一個(gè)未被碰撞的物體所遍歷到的第一個(gè)已隱藏對(duì)象進(jìn)行顯示。

2.2.3? 澆灌模塊交互

澆灌涉及液體仿真，而液體仿真所遇到的問(wèn)題在于在碰撞系統(tǒng)中碰撞在速度過(guò)快時(shí)會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象，這樣就會(huì)出現(xiàn)在人物移動(dòng)過(guò)快時(shí)液體會(huì)從器物中露出的現(xiàn)象。針對(duì)該問(wèn)題，本仿真系統(tǒng)使用Obi流體插件，根據(jù)澆灌的操作，選擇使用分階段處理，即當(dāng)容器被一只手提起時(shí)液體不產(chǎn)生，當(dāng)兩只手參與操控容器時(shí)液體便開(kāi)始產(chǎn)生，當(dāng)一只手退出操控時(shí)液體停止產(chǎn)生并推遲后銷毀。

2.2.4? 修剪模塊交互

六堡茶選種為灌木型中葉種，茶園護(hù)理中的修剪對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)有很直接的影響，以茶樹(shù)修剪階段劃分有定型修剪、輕修剪、重修剪以及臺(tái)刈四種類型，其中定型修剪分為覆蓋、移栽、茶苗成年三個(gè)階段，每個(gè)階段執(zhí)行的重要依據(jù)是茶樹(shù)的高度;而輕修和重修對(duì)應(yīng)的是壯年茶樹(shù);臺(tái)刈則面向老化的茶樹(shù)或遭遇凍害的茶樹(shù)。系統(tǒng)根據(jù)三次修剪與茶樹(shù)高度的關(guān)聯(lián)性，在修剪實(shí)驗(yàn)的模擬仿真上采取了預(yù)設(shè)置多個(gè)修剪分段式，修剪時(shí)將根據(jù)操作剪去不同分段，增強(qiáng)用戶操作感。

2.2.5? 采摘模塊交互

在采摘的交互設(shè)計(jì)上沿用修剪的解決方案，但交互對(duì)象轉(zhuǎn)換為手，同時(shí)為了還原實(shí)際采茶情況，添加入竹籃這一交互工具，并保持跟隨在身體一側(cè)，采茶時(shí)可以隨拿隨放，采茶的關(guān)鍵點(diǎn)在于茶葉在采摘之前是不具備重力的，在采摘后才擁有重力，如果在采摘過(guò)程中失誤導(dǎo)致茶葉掉落，在場(chǎng)景中便難以尋回，在實(shí)際茶園中也是如此。

為了簡(jiǎn)化用戶體驗(yàn)難度，本仿真系統(tǒng)對(duì)采摘交互流程進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)，當(dāng)用戶手觸碰可摘取茶葉時(shí)，茶葉會(huì)顯示高亮邊緣，綠色為正確采摘，按下手柄扳機(jī)鍵時(shí)，采下對(duì)應(yīng)的茶葉，將茶葉置于竹籃中并釋放時(shí)短暫產(chǎn)生重力，穩(wěn)定后去除重力，防止竹籃在移動(dòng)時(shí)，茶葉因重力產(chǎn)生穿透。

3? 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證該仿真系統(tǒng)是否滿足六堡茶種植培訓(xùn)要求，作者邀請(qǐng)了六堡茶種植專業(yè)技術(shù)人員以及多位學(xué)員對(duì)該系統(tǒng)各個(gè)仿真模塊進(jìn)行了測(cè)試。主要測(cè)試該系統(tǒng)功能模塊是否完整、模擬仿真是否準(zhǔn)確、系統(tǒng)畫面是否流暢、系統(tǒng)交互是否合理四個(gè)方面。經(jīng)過(guò)專業(yè)技術(shù)人員和學(xué)員的共同測(cè)試與交流表明，該系統(tǒng)功能模塊完整，在種植、修剪、采摘等方面的模擬仿真具有沉浸感，符合六堡茶實(shí)際種植操作規(guī)范要求，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行流暢，畫面美觀大方，不僅具有一定的交互性能，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，實(shí)現(xiàn)了六堡茶種植過(guò)程的模擬仿真。

4? 結(jié)? 論

本文采用Unity3D的虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)使用3D Max、Cinema4D、SpeedTree等三維建模軟件，開(kāi)發(fā)了六堡茶虛擬種植教學(xué)仿真系統(tǒng)，模擬仿真了六堡茶種植過(guò)程中的種植、移栽、修剪、采摘等操作，同時(shí)提供了天氣系統(tǒng)的切換，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中流體模擬、物體高光、射線碰撞、物理模擬等關(guān)鍵性技術(shù)功能。

通過(guò)使用六堡茶虛擬種植教學(xué)仿真系統(tǒng)，在一定程度上替代了枯燥的傳統(tǒng)教學(xué)，不僅激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)降低了教學(xué)人員的教學(xué)負(fù)擔(dān)，基本解決了傳統(tǒng)六堡茶教學(xué)中存在的場(chǎng)地、人員、經(jīng)濟(jì)、天氣等問(wèn)題，為六堡茶種植技術(shù)人員提供了良好的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)平臺(tái)。

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作者簡(jiǎn)介：宮海曉（1982.07-），男，漢族，山西昔陽(yáng)人，講師，碩士，研究方向：視頻圖像優(yōu)化、三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等;周全越（1995.05-），男，漢族，廣西靈山人，學(xué)士學(xué)位，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)等;馮思怡（1996.04-），女，漢族，廣東惠州人，學(xué)士學(xué)位，研究方向：UI前端等。40FD3F09-BDE3-4BBD-A00E-4B8210CE6395