基于unity3d的交互式虚拟农业仿真平台研究

基于unity3d的交互式虚拟农业仿真平台研究

陈洪，马钦，朱德海

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083）

摘要：传统的农作物种植试验需要反复设计和改进，且受季节、农时和天气的限制，种植周期长、成本高。基于虚拟现实技术的农作物种植虚拟仿真平台能够缩短作物品种试验周期，降低成本，是实现农业生产现代化的关键。为此，重点研究了基于三网融合技术，以三维虚拟世界为载体，以农业仿真模型为科学计算依据，以任务驱动为特色的虚拟农业仿真平台架构，并基于unity3d实现了交互式虚拟农业仿真平台。

关键词：三网融合；虚拟农业仿真；农业模型；任务驱动

中图分类号：S126文献标识码：A文章编号：1003－188X（2012）03－0184－03

0引言

农业田间作物试验受季节、气候、地形等多种因素的限制，每年的播种和收获时间有限；同时人力、物力投入高，试验周期长，研究人员需要等到下一季才能得到各项试验指标，然后进行作物改良。这种情形长期以来一直制约着农业作物新品种的研发速度和周期，妨碍了农业作物品种改良创新水平的提升。随着虚拟实现技术的发展，基于科学的作物生长模型，开发高度模拟真实农作物长势的、替代季节性田间试验的农业试验平台，受到该领域学者的广泛关注。同时，三网融合技术的发展也为虚拟仿真平台提供了新的技术保障。本文基于作物生长模型，采用unity3d 技术实现了网络上的作物种植三维可视化模拟显示和交互控制，可设置作物生长的天气、土壤等外部条件，为作物品种试验研究提供了一种新的思路。

1虚拟仿真的国内外现状

虚拟现实技术目前已被广泛应用在军事仿真、体育、医疗、农业等各个领域。2006年，SimuLearn推出一款韩语版的Virtual Korean Leader，通过三维虚拟环境培训企业员工的领导能力，该系统被应用于三星等公司的员工培训中。2009年，ForgeFX公司推出了生猪养殖仿真系统，利用虚拟现实技术构建三维可

收稿日期：2011－05－10

基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAD10A07－06）

作者简介：陈洪（1976－），男，四川大竹人，讲师，博士。

通讯作者：马钦（1978－），女，河北唐山人，讲师，博士，（E－mail）sockline@163．com。

朱德海（1962－），男，山东单县人，教授，博士，（E－mail）in sectcau@sohu．com。视化场景，为生猪的健康养殖、疾病控制等提供了试验平台，同时还提供了在线交流等功能。近些年，虚拟现实技术在农业领域也开始大量应用，法国和中国研究人员共同开发了GreenLab模型，基于植物结构—功能反馈机制模拟植物的生长过程。Thwaites T等建立了综合体验式虚拟农场，用户可以在其上通过改变虚拟的农业环境和栽培措施，直接观察到虚拟的作物生长状况和产量、品质的改变，从而实现对新技术、新品种的试验过程。在虚拟牧场上，通过模拟生物量的转移将确立最佳的放牧密度和牧草产量等。德国As-tragon Software开发了农场运营类仿真系统《模拟农场》，在虚拟环境中体验日夜温差转变、气候变化、作物收获等。国内在虚拟仿真方面也开展了大量研究，常壮等［1］利用虚拟现实技术开发了船舰虚拟消防仿真系统，解决了灾害模拟逼真度、仿真训练时效性等问题，为灾害模拟、消防决策评估等提供了一种途径。香港中文大学研发的“农场狂想曲”是一种基于动机策略理论和任务驱动的体验类教育游戏，通过扮演农场主的角色来学习农场中种植养殖及经营管理知识。胡林［2］等对虚拟农业教育仿真平台进行了研究，提出了虚拟农业教育仿真软件的架构方法，利用农业知识模型和知识库作为架构的一部分，基于三维可视化技术实现了农业虚拟环境的构建。张孝飞［3］等从虚拟动物、虚拟植物、虚拟仪器等多角度论述了虚拟现实技术在农业职业教育中的作用，但未实现完整的三维虚拟仿真系统。张杜鹃［4］、杨安祺等将无线网技术和虚拟现实技术结合，应用于构建虚拟农业中，具有前瞻性，其中详细讨论了适用于经济发达地区的现代温室农业技术指标。近些年，很多研究学者也针对具体农作物品种展开了虚拟可视化技术研究［5－10］。综上

所述，研究基于三网融合技术，以三维虚拟世界为载体，以农业仿真模型为科学计算依据，以任务驱动为特色的虚拟农业仿真平台架构将对于缩短农业作物品种试验周期有重大意义。

2交互式三维虚拟农业仿真平台架构

针对目前农作物品种试验的实际需求情况。其

交互式三维虚拟农业仿真平台架构构建如图1所示。其主要包括农业科学仿真模型和任务驱动模型集成模块，支持同步体验的在线运营平台，面向手机、PC 的交互仿真客户端软件

。

图1

交互式虚拟农业仿真平台架构

Fig．1

Interactive virtual agriculture simulation platform

2．1农业科学仿真模型、任务驱动模型集成模块1）农业仿真模型科学优化以及模型库构建。科

学优化农业虚拟作物生长模型和农业生态环境模型等，降低农业模型中的参数复杂度，可为实时虚拟环境提供快速科学计算支持；集成上述优化后的科学农业模型，构建面向各类品种试验应用的农业仿真模型库。

2）任务驱动工具集成。基于任务驱动模型组织作物虚拟生长任务链，

采用基于本体的知识管理工具构建面向种植业的可复用知识库及本体库。

3）农业仿真模型与任务驱动模型的适配：通过组件、插件技术建立模型接口标准与数据交换协议，优化农业仿真模型与任务驱动模型的适配方法，实现异构模型的整合、重用和互操作。2．2

构建支持手机、

PC 网络同步体验在线运营平台支持体验任务逻辑与农业仿真计算的在线服务

子系统：基于三网融合网络技术，

应用多终端多通路数据同步技术，实现实时仿真计算、任务逻辑计算、虚拟世界管理等功能，构建在线服务子系统，以支持手机、PC 用户在线同步使用仿真系统。2．3

面向手机、

PC 的交互虚拟仿真客户端软件针对手机屏幕小而内容表现力差、输入界面狭窄而交互体验差等问题，

优化内容展示技术，实现基于手机的农业交互虚拟仿真客户端软件。在PC 的交互体验控制器硬件环境下，

整合多源3D 模型和场景，集成场景管理、模型、界面、音效、物理系统、二次开发脚本等功能模块，构建支持作物生长试验的3D 图形化虚拟体验软件环境。

3交互式虚拟农业仿真系统实现

三维虚拟仿真平台可借鉴成熟的游戏引擎来开

发，如Torque 引擎、Unity3d 引擎、Giants 引擎等；游戏引擎可以提供如渲染引擎、物理引擎、音乐音效、脚本引擎、网络引擎及场景管理［11］

等基本功能。虚拟仿

真系统可采用4层结构的系统设计方法，其结构如图

2所示

。

图2仿真平台的四层结构

Fig．2

Four －layer structure of simulation platform

1）持久层（存储层）：通过机器中的文件集合来对系统的关键数据进行存储。

2）逻辑层：系统的运行逻辑，包含系统的科学知识，作为作物生长仿真的理论基础，以实现复杂的科学逻辑。

3）控制层：包括系统行为、用户行为和其他行为等。系统行为指系统的数据更新或系统状态转换；用户行为指使用者输入的操作；其他行为指系统数据的设置或属性的修改。设计控制层可降低系统复杂度，并将逻辑层与系统和用户的行为分离。

4）表现层：包括用户界面及声音等，同时还包括特效处理，如粒子效果、模型特效等。

Unity3d ［12］原本只在网页中展示3D 虚拟现实技术，于2008年unity3d 公司开始进军无线领域，实现了iPhone 手机平台开发3D 虚拟现实系统，是目前唯一一款可以提供所有平台植入能力的三维仿真开发

软件；unity3d 引擎是其创造高质量3D 仿真系统和真实视觉效果的核心技术，对DirectX 和Opengl 拥有高度优化的图形渲染管道，低端硬件也可以流畅运行茂盛的作物、植被景观和实时三维图形混合音频流和视频流。同时，

unity3d 也支持多种脚本语言（C#，Javas-cript 等）。基于上述虚拟仿真系统四层结构实现系统如图3所示

。

图3

基于unity3d 的交互式虚拟农业仿真系统

Fig．3

Interactive virtual agriculture simulation system based on unity3d

以玉米（农大108）为例，本系统实现了基于手机或PC 的虚拟农业仿真平台，

通过设置温度、湿度和土壤的氮、磷、钾等的含量，设置作物的病害、草害和缺水情况，可以虚拟模拟作物在各种环境下的生长过程，计算出预期的作物产量、根重、茎重、叶重、谷重等指标。

4结论

针对传统的农作物种植试验需要反复设计和改

进，受季节、农时和天气的限制，种植周期长、成本高的问题，本文重点研究基于三网融合技术，以三维虚拟世界为载体，以农业仿真模型为科学计算依据，以

任务驱动为特色的虚拟农业仿真平台架构，并基于u-nity3d 实现了交互式虚拟农业仿真平台。基于虚拟现实技术的农作物种植虚拟仿真平台能缩短作物品种试验周期，降低成本，是实现农业生产现代化的关键。参考文献：

［1］常壮，邱金水，张秀山．基于虚拟现实技术的舰船虚拟消

防训练系统体系架构研究［J ］．中国舰船研究，2009，4（3）：57－60．

［2］胡林，周国民．虚拟农业教育平台研究［J ］

．农业网络信息，

2007（3）：6－9．［3］张孝飞，张振国，刘星何．虚拟现实技术在农业职业教育

中的应用［

J ］．安徽农业科学，2007，35（7）：2092－2093．［4］张杜鹃，杨安祺，单振芳．采用无线网建立农业虚拟现实

技术的研究［

J ］．农机化研究，2006（7）：19－21．［5］石春林，朱艳，曹卫星．水稻叶片几何参数的模拟分析

［J ］．中国农业科学，2006，39（5）：910－915．

［6］孟军，陈温福，徐正进．水稻株型与冠层三维结构计算机

模拟初报［

J ］．中国农学通报，2005（6）：403－406．［7］何火娇，杨红云，唐建军，等．基于图像处理的水稻叶片三

维可视化研究［J ］．江西农业大学学报，2008，30（1）：149－153．

［8］杨红云，罗威，何火娇，等．水稻叶片形态三维建模与计算

机模拟［

J ］．农机化研究，2008（12）：32－34．［9］郭新宇，赵春江，肖伯祥，等．玉米三维重构及可视化系统

的设计与实现［

J ］．农业工程学报，2007（4）：144－148．［10］赵春江，王功明．基于交互式骨架模型的玉米根系三维

可视化研究［

J ］．农业工程学报，2007（9）：1－6．［11］Kenneth C．Finney 3D 游戏开发大全［M ］．齐兰博，肖奕

译．北京：清华大学出版社，

2005．［12］倪乐波，戚鹏．Unity3d 产品虚拟展示技术的研究与应用

［J ］．数字技术与应用，2010（9）：36．

Research of Interactive Virtual Agriculture Simulation Platform

Based on Unity 3d

Chen Hong ，Ma Qin ，Zhu Dehai

（College of Information and Electrical Engineering ，China Agricultural University ，Beijing 100083，China ）Abstract ：The traditional experiment of agricultural plant requires repeated design ，and is restricted by weather and farming season ，which wastes lots of time ，human resouse and finalcial resource．The agricultural plant simulation platform based on virtual reality technology can shorten the experience period and reduce the cost ，which is the key step to realize agricultural modernization．In this paper ，the virtual agriculture simulation platform is constructed based on the three －net-work convergence and three dimensional virtual technology．It has the character of task －driven ，taking agriculture simula-tion model as scientific computation basis．The interactive simulation system for agriculture is realized by unity3d．Key words ：three network convergence ；virtual agriculture simulation ；agriculture model ；task －driven