VR技术在农业工程中的适用性及推广价值研究

来源：职称论文发表咨询网作者：田编辑时间：2021-09-09 10:04

　　摘要:虚拟现实技术是近年来出现的高新技术，在教育领域中将其作为新型教学载体与认知工具，使学习者对已有知识结构开展学习意识上的重构。针对现在农业对VR技术应用较少的情况及其他主客观的因素，在实际范例的基础上，通过学习并应用虚拟现实软件，对虚拟现实技术在农业技术领域的运用展开研究，分析VR在农业工程中的教学适用性。基于3dsMax平台，开发有关于VR应用于果园系统规划设计领域的实例，探讨虚拟现实技术应用于农业领域的方法，利用果园防冻减灾的实例来解答虚拟现实技术在农业领域的应用问题。将高新技术运用于农业，是对农业技术的延伸，必将极大推动农业技术进步和新时代教育事业发展。

　　关键词:虚拟现实技术;园林设计;农业工程;果园;3dsMax平台

　　1虚拟现实技术概括

　　虚拟现实技术(VirtualReality简称VR)，是利用计算机模拟产生一个在三维空间中逼真的虚拟世界。若将其运用在教学领域中，能够使学习者在逼真的虚拟环境中获得体验与感受，同时能够协助教师运用新时代的思维方式完成教学工作。在农业工程类专业的学习中，机械的建模会产生较为繁琐的大量图片和数据处理，并且农机作业具有时间限制，新设计的农机需要在特定的季节里才能进行田间性能试验，大大加长了设计周期［1－3］。若采用虚拟现实技术，就会大大减少人力物力和其他教育资源的占用程度，使教育资源支出限制在一定范围内。而且由于实训场所、实习基地的不足等因素会造成学生动手机会短缺，达不到原有的教学和培养目标。

　　如何实现虚拟现实技术在农业工程类教育中的运用，成为摆在广大教师面前的技术难题，而研究虚拟现实技术在农业工程教育中的适用性及推广价值，则为破解这一难题提供了有价值的借鉴。虚拟现实技术在农业方面的应用较少，因此借鉴虚拟现实技术在园林设计、游戏设计以及室内设计等方面的理论知识，结合虚拟现实技术及果园本身的特点，综合处理动画、视频、超文本、音频、图像等多媒体信息，仿真果园场景，实现高度仿真，探讨并实践虚拟现实技术在农业中的应用。

　　2果园虚拟现实系统的总体设计

　　2．1软件的选择

　　随着虚拟现实技术越来越多的被人们所了解和接受，越来越多虚拟现实软件出现在设计当中，并为各行各业的人们所应用，主要的软件有3dsMax、VRML、MAYA等［4］。但其中的部分软件不能提供可视化环境，用户必须有一定的专业知识，场景搭建人员必须具有一定的程序编辑能力，比如VRML，使用人员不仅要有美术功底还要有编程能力，增大了使用难度，不适合我们应用于设计。而中视典VRP编辑器是一款直接面向美工的虚拟现实软件，不需要程序员参与，可以让美工将所有精力投入到效果制作中来，从而可有效降低制作成本，提高成果质量。因此本次设计选择基于3dsMax和中视典VRP编辑器的虚拟现实设计方法，即用3dsMax构建3D虚拟场景模型、制作简易3D动画;以VRP编辑器为平台将3D模型转化为由键盘和鼠标控制的三维视景和虚拟漫游系统［5］。

　　2．2系统实现的技术路线

　　本次设计采用的技术路线如图1所示，首先制定果园方案;再根据方案所需进行基于3dsMax的场景建模，其中包括基本场景设置、防冻减灾系统建模和灯光相机设置;然后进行VRP文件转化，再进行基于Xbuilder的虚拟现实系统开发系统开发，其中包括贴图与天气系统设置，同时实现漫游与动画;在进行作品整合优化后，最后实现作品的发布与执行。

　　3基于3dsMax的果园建模

　　3．1建立果园的基本场景

　　3dsMax有强大的建模功能和渲染功能，不仅可以建立简单的几何体，还可以创建一般的植物、建筑、毛发以及粒子系统，可以模拟粒子效果，创建链接等，下面简要介绍果园虚拟现实系统的设计过程。

　　首先打开软件，选择创建工具，创建一个标准的矩形平面，用来模拟地面。根据果园的地表状况选择土壤材质，贴上类似草皮的位图。考虑到果园地面的平整度与伴生植物的生长状况，选择裸露黄土地表并伴生少许杂草的位图，如图2(a)所示。在材质编辑器中选择材质球，更改材质球的属性和参数，添加不同材质，最后将做好的材质球应用于地面，根据地面的实际状况更改相应材质球的参数，直到调节出合适的视觉效果。创建几何体，打开ACE扩展并选择植物，选择一种较接近果树的植物，在任务栏中创建出来，如图2(b)所示。因为3dsMax对硬件有一定的要求，并且植物是面数最多的几何体，因此所选植物的面数要尽量少，以免阵列后因为文件过大而造成硬件不足的后果［3］。

　　将果树缩放至合适大小，用阵列的方式选择2米株距，3米行距，阵列出果园的大体情况。在行间以同样的方式阵列花草作为点缀，使其具有行间植物的效果。阵列出的植物数量需要控制在一定数量，既要符合果园的状态，又不能数量过大，以免给后面的制作造成麻烦。

　　在果园两侧加围墙，通过创建几何体并挤出，模拟出墙的形状，给墙壁添加材质贴图，通过镜像做出另一侧的墙壁。墙壁与最外侧树的距离可以设置为两树间距的一半，整体效果如图3所示。

　　3．2关于果园防冻减灾措施的设计

　　根据果园最常见的自然灾害—冰雹、霜冻、虫灾、日灼等，构思出与之对应的应对措施—防护网、防霜机、喷农药等，来模拟果园防冻减灾的措施与对策，也是本设计的主要目的。

　　3．2．1雹灾的预防

　　雹灾是夏季经常出现的自然灾害，某些地方的发生频率还比较高。防雹灾的措施有多种，但是最直接最可靠的措施是在经常发生雹灾的地区建造防雹网，这种措施虽然投资较大，但效果最好，而且建造完成后就不需要再做其他的预防工作，同时还能预防鸟类对果子的啄食。

　　为了模拟下冰雹的过程创建粒子系统，调节粒子系统粒子生成的参数，控制轴偏离角度为180度，增大粒子生成速度，改变粒子颜色为白色，更改粒子大小为2;在空间扭曲中创建重力，调节重力值为5，最后将粒子系统与重力通过空间扭曲绑定在一起，如图5所示。把粒子系统插入整体系统后，还可根据视觉效果对粒子和重力进行相应的修改，直到最符合现实环境状态［8］。

　　3．2．2晚霜危害及预防

　　我国是典型的大陆性季风气候，早春气候变化大，经常有冷空气活动，同时这个时期又是果树发芽开花的时间，非常容易发生冻害，给果农造成损失。华北地区的晚霜一般发生在凌晨，当气温骤然降低至零下2℃的时，苹果就会受到霜冻影响，当低于5℃的环境持续较长时间时，幼芽就会受到损伤。凌晨时霜冻的发生主要是由于地表出现的冷湿气层，在果树枝条、花芽、花朵等器官上发生结晶使植物细胞受冻。果树的花芽，分化越完善抗冻性越差，所以顶花芽最容易受晚霜的危害。

　　4虚拟现实场景模拟

　　4．1VRP虚拟现实编辑器简介

　　VRP－BUILDER虚拟现实编辑器是中视典数字科技有限公司虚拟现实仿真平台软件VR－Platform(简称VRP)的一个子产品。VirtualRealityPlatform，简称VR－Platform或VRP)即虚拟现实仿真平台，VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件。

　　VRP－BUILDER虚拟现实编辑器(VirtualRealityPlatformBuilder，简称VRP－BUILDER)是中视典数字科技有限公司研发的一款直接面向三维美工的虚拟现实软件。所有操作都是用美工可以理解的方式(不需要程序员参与)，让美工将所有精力投入到效果制作中来，从而降低制作成本，提高成果质量。

　　Xbuilder虚拟现实编辑器能进行可以直接打开3dsMax转换过来的场景文件，但是部分贴图会丢失，需要再对其添加贴图，然后进行适当的修改，同时进行灯光设计和渲染，达到和谐的效果［11］。

　　4．2添加贴图和天空

　　由于在格式转换过程中有一部分材质贴图会丢失，使系统失去应有的色彩、图案以及材质效果，所以要对转换成的虚拟场景进行进一步的处理，如图11所示。

　　4．2．1添加材质

　　选中要添加贴图的模型，如地面(plane001)，更改漫反射贴图，使其接近土地的颜色，再更改法线贴图，使其纹理更加明显。树木则要选用植物材质，在漫反射贴图中调节植物背面颜色，使其具有果树的效果。

　　4．2．2设置天空背景

　　在天空参数中需要调节的主要是太阳亮度与云量，配合天空亮度与环境光，因为VRP编辑器中会模拟出时间流逝，所以必须要调节出适合多个时间段的天气状况，特别是正午时，要尽可能使画面更加真实，如图12所示。由此可设计早晨、中午、黄昏三个时间段的键盘键来控制光线和色彩的变化。

　　结语

　　鉴于虚拟现实技术能为学生与教师提供逼真、生动的环境，是基于传统教育环境之上的新型教学模式，在突破传统教学缺陷、提高学生技能、调动学生学习积极性等方面都将起到积极的作用，具有良好的适用性和较高得推广价值。

　　本文对基于虚拟现实技术的果园虚拟现实仿真系统开发进行了研究，运用先进的计算机技术得以实现，完成了虚拟现实技术与农业的结合，基本实现了虚拟现实系统的仿真功能，并通过简单的二次开发发掘部分高级功能。本次设计的要点总结为以下几个方面:

　　(1)3dsMax建模技术和基于中视典VRP编辑器的虚拟现实技术相结合，可以有效地实现虚拟现实技术在农业领域的应用。

　　(2)探索了3dsMax的基本建模和粒子系统、ACE扩展的基本使用方法，在虚拟仿真中学习了简单漫游以及动画的实现。