基于Unity 3D的獼猴桃虛擬修剪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：整形修剪是提升果樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段，但其具有成本高、不可重復(fù)、修剪效果無(wú)法立即呈現(xiàn)等缺點(diǎn)。虛擬修剪系統(tǒng)可以模擬果樹(shù)的生長(zhǎng)過(guò)程，并提供多種修剪工具和模式，讓用戶能夠更加直觀、準(zhǔn)確地完成修剪任務(wù)?；赨nity 3D引擎開(kāi)發(fā)一款獼猴桃虛擬修剪系統(tǒng)，旨在提供一種可靠高效的修剪輔助工具，利于果樹(shù)修剪技術(shù)培訓(xùn)、推廣、科普教育。

關(guān)鍵詞：Unity引擎；虛擬現(xiàn)實(shí)；智慧農(nóng)業(yè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909-（2023）13-144-4

1 研究背景

獼猴桃富含維生素C和多種微量元素，市場(chǎng)需求量大。因此，獼猴桃產(chǎn)業(yè)前景廣闊，已成為陜西省重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。陜西省統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，陜西省獼猴桃種植面積約6.66萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量在138.85萬(wàn)t左右，產(chǎn)量居全國(guó)首位，出口量占全國(guó)獼猴桃出口量的1/4左右［1］。在獼猴桃種植管理過(guò)程中，修剪是一項(xiàng)非常重要的工作，修剪不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致獼猴桃果實(shí)品質(zhì)下降、產(chǎn)量減少，直接影響果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益。為保證果樹(shù)修剪效果，加強(qiáng)果樹(shù)修剪技術(shù)的培訓(xùn)和推廣十分必要。但當(dāng)前果樹(shù)修剪技術(shù)培訓(xùn)和推廣過(guò)程中存在以下3方面的問(wèn)題。一是目前獼猴桃修剪技術(shù)的傳授仍以果農(nóng)之間互相交流、技術(shù)員口頭講授、教學(xué)視頻學(xué)習(xí)為主，技術(shù)傳播廣度不夠，且不夠直觀，果農(nóng)的體驗(yàn)感和參與度不高；二是掌握果樹(shù)修剪技術(shù)的科技人員相對(duì)短缺，獼猴桃修剪技術(shù)推廣人員仍有較大缺口，組織果農(nóng)培訓(xùn)需要投入大量人力和物力；三是在農(nóng)村普及正確的修剪技術(shù)有一定難度，新技術(shù)的推廣和傳播仍有待加強(qiáng)［2］。

針對(duì)以上不足，此項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)出一種真實(shí)感更強(qiáng)、仿真度更高、交互更多，可使用“虛擬剪刀”的虛擬仿真系統(tǒng)，打破時(shí)間和空間的局限，為獼猴桃修剪技術(shù)推廣人員提供一個(gè)可視化、智能化的技術(shù)培訓(xùn)和推廣新途徑。用戶可以利用手機(jī)或電腦在該系統(tǒng)中反復(fù)練習(xí)，最終應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，達(dá)到快速學(xué)習(xí)和掌握獼猴桃修剪關(guān)鍵技術(shù)的目標(biāo)，也為其他農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣提供一種新的思路。

2 獼猴桃虛擬修剪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

獼猴桃虛擬修剪系統(tǒng)主要由用戶界面、獼猴桃建模、修剪算法、數(shù)據(jù)管理4部分構(gòu)成，整體架構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 用戶界面部分

用戶界面部分主要包括系統(tǒng)各功能模塊的操作界面，用戶可以通過(guò)操作界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，包括新建、打開(kāi)、保存場(chǎng)景，選擇和調(diào)整修剪工具和模式等。用戶界面部分采用Unity 3D引擎GUI界面設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 獼猴桃建模部分

獼猴桃建模部分主要包括獼猴桃的三維建模和生長(zhǎng)模擬，采用Unity 3D引擎的建模工具和動(dòng)畫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用參數(shù)化建模方法，根據(jù)獼猴桃的生長(zhǎng)規(guī)律和特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)模擬獼猴桃的生長(zhǎng)過(guò)程。同時(shí)，為了使獼猴桃的生長(zhǎng)過(guò)程更加真實(shí)，系統(tǒng)采用了物理引擎，模擬了獼猴桃在自然環(huán)境下的生長(zhǎng)過(guò)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設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該部分采用了多種修剪算法，用戶可以根據(jù)需要選擇和調(diào)整修剪算法和參數(shù)。修剪算法部分還采用了人工智能算法，自動(dòng)分析獼猴桃的生長(zhǎng)狀態(tài)和修剪需求，提供修剪建議。該部分采用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

2.1.4 數(shù)據(jù)管理部分

數(shù)據(jù)管理部分主要包括場(chǎng)景數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)。用戶可以通過(guò)該部分對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，包括修剪歷史記錄、修剪效果預(yù)覽等。數(shù)據(jù)管理部分采用Unity 3D引擎的數(shù)據(jù)管理工具和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，此次項(xiàng)目采用了Unity 3D引擎的GUI界面設(shè)計(jì)工具、建模工具、動(dòng)畫系統(tǒng)、物理引擎、數(shù)據(jù)管理工具及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，通過(guò)多個(gè)部分的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了獼猴桃虛擬修剪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2.2 模型和動(dòng)畫設(shè)計(jì)

獼猴桃模型設(shè)計(jì)主要涉及獼猴桃的建模和生長(zhǎng)模擬兩個(gè)方面（見(jiàn)圖2和圖3）。獼猴桃建模是指通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將獼猴桃的形狀、大小、顏色等特征抽象為三維模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)的過(guò)程。生長(zhǎng)模擬是指通過(guò)模擬獼猴桃的生長(zhǎng)過(guò)程，模擬獼猴桃在不同環(huán)境和條件下的生長(zhǎng)狀態(tài)和形態(tài)變化。

獼猴桃建模是基于獼猴桃的特點(diǎn)和生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行的。在該系統(tǒng)中，獼猴桃建模主要采用參數(shù)化建模方法。首先，需要確定獼猴桃的基本結(jié)構(gòu)，包括根部、主干、側(cè)枝、葉子等部分；其次，通過(guò)調(diào)整各個(gè)部分的參數(shù)，如長(zhǎng)度、角度、半徑等，模擬獼猴桃。

獼猴桃生長(zhǎng)模擬是指通過(guò)模擬獼猴桃在不同環(huán)境和條件下的生長(zhǎng)過(guò)程，呈現(xiàn)獼猴桃生長(zhǎng)狀態(tài)和形態(tài)的變化。在該系統(tǒng)中，獼猴桃生長(zhǎng)模擬主要采用物理引擎和動(dòng)畫系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此次研究采用物理引擎來(lái)模擬獼猴桃在自然環(huán)境下的生長(zhǎng)過(guò)程，通過(guò)設(shè)置物理參數(shù)和環(huán)境因素，使獼猴桃在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)出真實(shí)的生長(zhǎng)狀態(tài)。

此次研究在獼猴桃生長(zhǎng)模擬中采用了基于節(jié)點(diǎn)的生長(zhǎng)模擬方法。該方法基于獼猴桃的生長(zhǎng)規(guī)律，將獼猴桃分解成一系列節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)生長(zhǎng)規(guī)律來(lái)控制節(jié)點(diǎn)的位置和大小。該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的生長(zhǎng)速度和方向等參數(shù)，模擬獼猴桃在不同環(huán)境和條件下的生長(zhǎng)狀態(tài)和形態(tài)的變化。

在獼猴桃模型設(shè)計(jì)中，根據(jù)獼猴桃表面的不同顏色和紋理，在模型中進(jìn)行體現(xiàn)。此次研究采用了貼圖技術(shù)給獼猴桃模型添加材質(zhì)和紋理，使其更加真實(shí)。同時(shí)，研究人員可以在虛擬環(huán)境中加入光照效果，使獼猴桃模型在不同的光照條件下呈現(xiàn)出不同的視覺(jué)效果。獼猴桃模型設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的核心部分之一，合理的建模和生長(zhǎng)模擬可以讓用戶更好地了解獼猴桃的生長(zhǎng)規(guī)律和形態(tài)特征，可為虛擬修剪系統(tǒng)的建立提供基礎(chǔ)支持。

2.3 修剪算法與交互設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，研究設(shè)計(jì)了一套基于鼠標(biāo)交互的修剪工具，讓用戶可以通過(guò)虛擬修剪的方式模擬實(shí)際修剪獼猴桃的過(guò)程。修剪工具主要包括3個(gè)部分：修剪刀具、修剪范圍控制和修剪效果顯示［3］。

修剪刀具是修剪工具的核心部分，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)操作來(lái)控制修剪刀具在獼猴桃模型上進(jìn)行切割。此次研究采用了射線檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)修剪刀具和獼猴桃模型的交互，用戶可以通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)控制修剪刀具的位置和方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)獼猴桃的修剪操作。根據(jù)獼猴桃的生長(zhǎng)情況，用戶利用虛擬剪刀完成削頂、短枝和長(zhǎng)枝修剪等任務(wù)，部分代碼如圖4和圖5所示。

修剪范圍控制是修剪工具的輔助部分，用戶可以通過(guò)調(diào)整修剪范圍的大小和形狀控制修剪范圍。在修剪過(guò)程中，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)滾輪調(diào)整修剪范圍的大小，并可以通過(guò)修改修剪范圍的形狀實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的修剪操作。

修剪效果顯示是修剪工具的反饋部分，用戶可以通過(guò)修剪效果顯示查看修剪操作的結(jié)果。該系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)修剪效果的顯示，即在修剪刀具切割獼猴桃模型時(shí)，實(shí)時(shí)更新獼猴桃模型的網(wǎng)格，從而呈現(xiàn)出修剪操作的效果。

修剪工具的設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以讓用戶更加方便地進(jìn)行虛擬修剪操作，并可以實(shí)時(shí)查看修剪效果，從而更好地了解獼猴桃修剪的技巧和方法。

此次研究設(shè)計(jì)了一套基于Unity 3D引擎的交互設(shè)計(jì)方案。首先，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)的移動(dòng)和滾輪的滾動(dòng)控制修剪刀具的位置、方向和范圍。其次，用戶可以通過(guò)鍵盤按鍵控制修剪工具的操作。具體實(shí)現(xiàn)如圖6和圖7所示。用戶可以通過(guò)修剪效果的顯示來(lái)實(shí)時(shí)查看修剪操作的結(jié)果。具體實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以讓用戶更加方便地進(jìn)行虛擬修剪操作，并可以實(shí)時(shí)查看修剪效果。

2.4 數(shù)據(jù)管理

在虛擬修剪系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)管理部分的主要任務(wù)是管理和存儲(chǔ)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，包括修剪歷史記錄和修剪效果預(yù)覽。該系統(tǒng)可以通過(guò)Unity 3D引擎提供的數(shù)據(jù)管理工具和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。

數(shù)據(jù)管理部分還負(fù)責(zé)記錄和存儲(chǔ)用戶的修剪歷史記錄。每次用戶進(jìn)行修剪操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將修剪的相關(guān)信息（如修剪部位、修剪時(shí)間、修剪程度等）保存下來(lái)。這樣，用戶可以隨時(shí)回顧和比較不同修剪操作的效果。

數(shù)據(jù)管理部分可以使用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)可以是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（如MySQL、SQL Server等）或非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（如MongoDB、Redis等），具體選擇取決于系統(tǒng)的需求和性能要求［4］。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)管理部分，虛擬修剪系統(tǒng)可以有效地管理和存儲(chǔ)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，包括修剪歷史記錄和修剪效果預(yù)覽。這些數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)為用戶提供了便利，使其能夠方便地進(jìn)行修剪操作和比較不同修剪技巧的效果。

3 系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

基于Unity 3D引擎的獼猴桃虛擬修剪系統(tǒng)還具備以下功能與特點(diǎn)。一是該系統(tǒng)支持不同的修剪模式，包括基于形態(tài)修剪、基于位置修剪、基于方向修剪等多種模式。用戶可以根據(jù)需要選擇不同的修剪模式進(jìn)行操作。二是該系統(tǒng)具有自適應(yīng)性，可以根據(jù)不同的獼猴桃模型自動(dòng)調(diào)整修剪刀具的大小、形狀等參數(shù)，以保證修剪效果的準(zhǔn)確性和可視化效果的良好性。三是該系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)預(yù)覽。用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)和滾輪滾動(dòng)控制修剪刀具的位置、方向和范圍，并且可以實(shí)時(shí)預(yù)覽修剪效果，從而更加方便地進(jìn)行修剪操作。四是該系統(tǒng)提供多種參數(shù)設(shè)置，包括修剪刀具的大小、形狀、修剪強(qiáng)度等參數(shù)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同的修剪效果。

4 系統(tǒng)的特色優(yōu)勢(shì)

虛擬修剪系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)安全的學(xué)習(xí)環(huán)境，使其可以在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行修剪操作，避免了對(duì)真實(shí)果樹(shù)的誤操作和損壞。初學(xué)者可以通過(guò)虛擬修剪系統(tǒng)獲得修剪技能，減少果樹(shù)修剪損傷風(fēng)險(xiǎn)。虛擬修剪系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)提供修剪操作的反饋信息，包括修剪結(jié)果的預(yù)覽和效果評(píng)估。用戶可以立即了解他們的修剪行為對(duì)果樹(shù)形態(tài)的影響，從而快速學(xué)習(xí)和糾正錯(cuò)誤。這種實(shí)時(shí)反饋有助于提高用戶的修剪技能。虛擬修剪系統(tǒng)通過(guò)可視化的方式展示果樹(shù)的生長(zhǎng)狀態(tài)和修剪效果，使用戶能夠直觀地觀察和理解修剪的影響。此外，該系統(tǒng)提供互動(dòng)式的界面和工具，用戶可以通過(guò)交互操作來(lái)模擬修剪過(guò)程，增加學(xué)習(xí)的參與度和樂(lè)趣。虛擬修剪系統(tǒng)可以在計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上使用，便于用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，不再受限于時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)際果樹(shù)的可用性，可以根據(jù)自己的時(shí)間和需求靈活安排修剪學(xué)習(xí)。此外，系統(tǒng)通常提供了保存和加載場(chǎng)景的功能，用戶可以隨時(shí)保存修剪進(jìn)度并在需要時(shí)恢復(fù)。

綜上所述，該虛擬修剪系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于提供了一種安全、可控、互動(dòng)和靈活的學(xué)習(xí)方式，使用戶能夠以自己的需求和節(jié)奏來(lái)學(xué)習(xí)修剪技能。該系統(tǒng)不僅適用于初學(xué)者，也可以作為進(jìn)階學(xué)習(xí)和專業(yè)訓(xùn)練的工具。

5 總結(jié)與展望

該研究基于Unity 3D引擎開(kāi)發(fā)了一款獼猴桃虛擬修剪系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。該虛擬修剪系統(tǒng)是一種有效的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)工具，可幫助用戶在低風(fēng)險(xiǎn)、可實(shí)時(shí)反饋、可重復(fù)、多樣化、可視化的環(huán)境中獲得更有效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使其更高效地掌握修剪技能。此外，虛擬修剪系統(tǒng)還可以結(jié)合其他技術(shù)，如虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)用戶的學(xué)習(xí)體驗(yàn)［5］。通過(guò)VR技術(shù)，用戶可以沉浸在逼真的虛擬環(huán)境中，感受修剪的真實(shí)性。而AR技術(shù)則可以將虛擬修剪系統(tǒng)與實(shí)際果樹(shù)結(jié)合起來(lái)，讓用戶能夠在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用所學(xué)的修剪技巧，并實(shí)時(shí)獲得反饋。

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基金項(xiàng)目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于Unity 3D引擎的獼猴桃交互式虛擬修剪系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（ZK21—63）。

作者簡(jiǎn)介：張世勛（1991—），男，碩士，助教，研究方向：數(shù)字動(dòng)畫設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)制作。