基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

張 軍 張觀山

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院 山東泰安 271018

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過生成真實的三維虛擬環(huán)境，使用戶沉浸虛擬環(huán)境之中，通過與虛擬環(huán)境的交互，可產(chǎn)生身臨其境的感覺，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在沉浸感、交互性和實時性方面優(yōu)勢明顯[1,2]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠構(gòu)建具有真實感的虛擬仿真展示平臺，將虛擬仿真展示平臺應(yīng)用于實驗教學(xué)具有非常重大的現(xiàn)實意義。現(xiàn)代化溫室大棚是用來栽培植物的設(shè)施，配備有各種先進的計算機控制系統(tǒng)，可通過各系統(tǒng)的合理運作給作物創(chuàng)造一個最適合的生長環(huán)境。溫室內(nèi)各種先進自動控制系統(tǒng)及農(nóng)機裝備集成了無數(shù)項自動化、電氣、農(nóng)業(yè)機械等專業(yè)技術(shù)，如果能夠掌握這些專業(yè)技術(shù)，對于學(xué)生動手能力和實踐能力將有很大的提升。由于條件限制，學(xué)生無法對溫室內(nèi)先進設(shè)備進行全面的學(xué)習(xí)和認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展給現(xiàn)代化溫室大棚各種先進技術(shù)的學(xué)習(xí)與認(rèn)知帶來了新的機會。劉金明[3]等設(shè)計了基于Unity3D的電動機虛擬仿真展示平臺設(shè)計，實現(xiàn)了對電動機的結(jié)構(gòu)、拆裝和工作原理進行在線展示。相茂英[4]等設(shè)計了基于Unity3D的化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，完成了設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理等5個功能模塊的開發(fā)，實現(xiàn)了化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)。楊雪松[5]設(shè)計了基于Unity 3D的發(fā)動機虛擬拆裝系統(tǒng)，解決了發(fā)動機教學(xué)和拆裝訓(xùn)練存在的諸多問題。本文提出了一種基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將溫室大棚的結(jié)構(gòu)、自動控制系統(tǒng)及農(nóng)機裝備的工作原理進行詳細(xì)的展示。

1　Unity 3D技術(shù)概述

Unity 3D是由Unity Technologies公司研發(fā)的一個專業(yè)游戲引擎，開發(fā)者利用該游戲引擎可非常方便地創(chuàng)建3D游戲、三維虛擬環(huán)境、3D動畫模型等內(nèi)容，近年來深受廣大軟件開發(fā)者的喜愛[6-8]。Unity3D既可以運行在Windows，Mac等操作系統(tǒng)之下，又可將軟件發(fā)布到Windows，Mac，Wii，iphone等主流平臺下，同時支持網(wǎng)頁版本[9]。Unity 3D具有跨平臺、高度優(yōu)化的圖形渲染管道、內(nèi)置物理引擎、兼容多種外部資源、支持多語言并且可進行可視化操作等特點，因而被廣泛地應(yīng)用于虛擬仿真實驗教學(xué)、房地產(chǎn)開發(fā)、虛擬展館、家具設(shè)計展示等各行各業(yè)中。

2　系統(tǒng)整體框架設(shè)計

現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)采用Unity 3D軟件開發(fā)技術(shù)，結(jié)合三維建模軟件3ds max構(gòu)建模型，實現(xiàn)現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真教學(xué)及實訓(xùn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)開發(fā)采用四層軟件架構(gòu)體系，四層軟件架構(gòu)分別為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、模型層、Unity 3D服務(wù)層。如圖1為系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)圖。

圖1　系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)圖

(1)表現(xiàn)層位于最外層(最上層)，離用戶最近，主要實現(xiàn)人機交互和軟件界面展示，負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)操作界面供用戶操作相關(guān)業(yè)務(wù)，同時對用戶業(yè)務(wù)操作結(jié)果進行展示，不涉及具體的數(shù)據(jù)處理[10]。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層是針對具體邏輯問題對模型層、Unity3D服務(wù)層進行操作，是系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部分。業(yè)務(wù)邏輯層在整個架構(gòu)中的位置很關(guān)鍵，它處于表現(xiàn)層與Unity3D服務(wù)層、模型層中間，在整個系統(tǒng)中起到承上啟下的作用。

(3)Unity 3D服務(wù)層主要是控制系統(tǒng)的運行邏輯。包括模型的放大、縮小、視角轉(zhuǎn)換、場景切換、動作觸發(fā)等。

(4)模型層主要針對溫室結(jié)構(gòu)、主要自動控制系統(tǒng)及農(nóng)機裝備模型進行存儲和管理。根據(jù)不同的功能模塊，系統(tǒng)從模型層中調(diào)取不同的模型到達表現(xiàn)層，進而實現(xiàn)對溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的展示。

3　系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真系統(tǒng)以現(xiàn)代化溫室大棚為原型，建立三維虛擬溫室大棚，重點展示內(nèi)容包括現(xiàn)代化溫室大棚的結(jié)構(gòu)、溫室大棚自動控制系統(tǒng)以及溫室大棚的常用機械等。系統(tǒng)通過漫游行走、熱點顯示、2.5D小地圖、設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、設(shè)備拆裝、工作原理展示等方式進行虛擬仿真教學(xué)項目開發(fā)?，F(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1　溫室大棚結(jié)構(gòu)組成

溫室大棚結(jié)構(gòu)組成部分包括氣象儀、控制室、遮陽網(wǎng)、太陽能、墻體、骨架等部分。該模塊展示幾種常見的溫室類型，如文洛型玻璃溫室、里歇爾溫室，并對溫室的建筑材料、骨架結(jié)構(gòu)以及不同結(jié)構(gòu)的特點、適用用途等內(nèi)容進行了詳細(xì)的介紹。該模塊還有溫室建造過程數(shù)字模擬功能，通過虛擬現(xiàn)實的方式動態(tài)展示溫室整個的建造過程，從而使用戶對于溫室結(jié)構(gòu)有更加深刻的理解。此外系統(tǒng)設(shè)置有考核模塊，用戶通過該模塊的學(xué)習(xí)之后，通過考核模塊對溫室大棚結(jié)構(gòu)組成的掌握程度進行考核，考核之后系統(tǒng)給予評分。如圖3為現(xiàn)代化溫室大棚結(jié)構(gòu)組成界面。

圖3　溫室大棚結(jié)構(gòu)組成界面

3.2　溫室大棚自動控制系統(tǒng)

溫室大棚自動控制系統(tǒng)是專門為農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制、氣象觀測開發(fā)生產(chǎn)的環(huán)境自動控制系統(tǒng)。該功能模塊通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬測量風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫濕度、太陽光照度、大氣氣壓、降雨量、太陽輻射量、太陽紫外線強度、土壤溫濕度等各種溫室環(huán)境參數(shù)，并通過軟件設(shè)置模擬溫室內(nèi)植物生長需求，系統(tǒng)結(jié)合作物生長需求以及當(dāng)前溫室環(huán)境狀況自動控制溫室大棚開窗、卷膜、風(fēng)機濕簾、生物補光、灌溉施肥等溫室環(huán)境自動控制設(shè)備，從而實現(xiàn)自動調(diào)控溫室內(nèi)環(huán)境達到適宜植物生長的范圍的目標(biāo)，為溫室內(nèi)植物生長提供最佳環(huán)境。溫室大棚自動控制系統(tǒng)部分包括有卷簾控制系統(tǒng)、卷膜控制系統(tǒng)、風(fēng)機濕簾系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、補光控制系統(tǒng)、施肥灌溉系統(tǒng)等，采用三維互動、三維動畫、平面動畫等形式，形象化展示設(shè)備、傳感器工作原理、自動控制系統(tǒng)生產(chǎn)工作流程。此外系統(tǒng)通過文字或者語音介紹、拆裝動畫、模擬作業(yè)等形式展示溫室內(nèi)主要控制系統(tǒng)的工作過程以及工作原理，從而達到認(rèn)知與教學(xué)的目的。如圖4為溫室卷簾機工作界面，圖5為溫室卷膜機工作界面。

圖4　溫室卷簾機工作界面

圖5　溫室卷膜機工作界面

3.3　溫室大棚常用機械

溫室大棚常用機械包括微耕機、播種機、植保機械、暖風(fēng)機等。該部分包括模擬作業(yè)、虛擬拆裝、理論教學(xué)三大功能功能模塊。模擬作業(yè)模塊可模擬人工操作，展示溫室常用機械的使用方法以及安全注意事項。虛擬拆裝模塊可對溫室內(nèi)幾種常用機械進行拆裝練習(xí)，展示幾種常用機械的內(nèi)部原理，從而使用戶對溫室常用機械有一個更加深刻的認(rèn)識。理論教學(xué)模塊基于三維模型，通過爆炸視圖、透明顯示等方式展示設(shè)備內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，同時通過文字、圖片、語音的形勢展示幾種常用機械的結(jié)構(gòu)組成、工作原理等內(nèi)容，從而使用戶針對溫室常用機械有更加全面、系統(tǒng)的認(rèn)識。如圖6為暖風(fēng)機工作原理展示界面。

圖6　暖風(fēng)機工作原理展示界面

4　結(jié)語

針對現(xiàn)代化溫室大棚在使用培訓(xùn)、工作原理學(xué)習(xí)等方面的需求，借助Unity 3D可跨平臺、高度優(yōu)化的圖形渲染管道、內(nèi)置物理引擎、兼容多種外部資源、支持多語言并且可進行可視化操作等特點開發(fā)了現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)、實際操作等培訓(xùn)學(xué)習(xí)方式。軟件界面設(shè)計簡潔、操作友好、上手容易，達到了理論教學(xué)與操作實踐并用的目的。學(xué)生及溫室管理人員通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)溫室的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握溫室內(nèi)設(shè)備使用及維護知識，因此該系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價值。與此同時該系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了對現(xiàn)代化溫室大棚的全面培訓(xùn)，給傳統(tǒng)的設(shè)備培訓(xùn)方式帶來了新的思路，具備一定的推廣應(yīng)用的價值。

[1]馮桂珍,池建斌,王大鳴.VRML虛擬校園漫游與交互技術(shù)[J].工程圖學(xué)學(xué)報,2011,32(5):40-45.

[2]白海軍,高云麗.計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校體育訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報,2013,25(3):105-107.

[3]劉金明,馬鐵民,王娜.基于Unity3D的電動機虛擬仿真展示平臺設(shè)計[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報,2014,26(3):66-68.

[4]相茂英,馬純永,韓勇.基于Unity3D的化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2014,24(7):196-200.

[5]楊雪松.基于Unity 3D的發(fā)動機虛擬拆裝系統(tǒng)研究[J].設(shè)計與研究,2016,43(1):32-35.

[6]Xie J.Research on key technologies base Unity3D game engine[C]. International Conference on computer Science &Education,2012 : 695-699.

[7]Shantz M. Designing a PC Game Engine[J].IEEE Computer Gra phics&Applications,1998,18(1):46-53.

[8]Messaoudi F, Simon G,Ksentini A. Dissecting games engines:The case of Unity3D[C]. ACM/IEEE Netgames:the International workshop on Network and Systems support for Games, 2015.

[9]王星捷,李春花.基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與應(yīng)用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2013(4):241-244.

[10]黃忠成.NET Framework3.5數(shù)據(jù)庫開發(fā)圣典:ASP.NET篇[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.