基于Unity3D果树交互虚拟修剪技术及其实现

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1、2015年4月农机化研究第4期基于Unity3D果树交互虚拟修剪技术及其实现1，2223吕萌萌，郭新宇，陆声链，吴建伟(1．首都师范大学信息工程学院，北京100048;2．北京农业信息技术研究中心，北京100097;3．北京派得伟业科技发展有限公司，北京100097)摘要:针对真实果树进行修剪试验存在不可逆性、成本高、修剪效果难以快速呈现等缺点，将Unity3D虚拟现实技术应用到果树的枝、叶、花等修剪模拟。首先通过三维扫描仪获取果树形态数据;然后三维重建得到模型导入unity创建虚拟果园;利用射线拾取算法鼠标可以拾取果树枝条上设置的修剪点，由修剪规则判断若修剪点选取正确，出现

2、“虚拟剪刀”，并利用包围盒层次法进行碰撞检测以修剪动画的方式剪掉拾取对象。以单株柑橘为例，模拟了其某枝条疏花疏果及果实采摘交互修剪过程。实验结果表明，该方法能直观形象地模拟果树修剪过程，符合真实的人工修剪操作，树木真实感较好，对果树修剪的教学和研究有较好的实用价值。关键词:果树修剪;修剪模拟;虚拟现实;可视化中图分类号:TP391．98文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)04－0007－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.04.002果树修剪中，将为树形分析研究、果树修剪技术培训0引言等应用提供一种全新的技术手段，缩短在真实果树上

3、树形结构对果树的产量和品质有着重要的影响，进行修剪试验的时间，同时极大地降低成本。修剪是取得优质高效树形结构的主要技术手段。例近年来，不少国内外研究者围绕果树的虚拟修剪［1］［7］如，通过整形和修剪改变花期和营养生长，或用来进行了研究。Balandier等人以单株的幼年核桃树［2］控制树形及平衡营养生长和生殖生长。然而，传统为例，设计了一种SIMWAL的功能结构模型，根据枝剪枝主要依据经验知识对树冠进行修剪，其操作过程叶生长、修剪时间、修剪点等参数对模型进行修剪，研［3］不可逆。目前，果树修剪技术培训和推广工作中，究气候变化与枝条修剪对核桃树的影响。潘云鹤［8］主要存在以下问

4、题:一是传统口头讲解、教学光盘等等提出了一种交互设计技术的果树树形修整方法，形式的果树修剪技术培训不能够直观形象、效果欠从树根遍历所有枝条是否执行剪除操作，缺点是不能［4］［1］佳;二是掌握果树修剪技术的科技人员相对短缺;对某根枝条进行交互式修剪和编辑操作。王剑等［4］三是在农村普及正确的修剪技术有一定难度。提出通过创建修剪规则库，利用鼠标控制模型运行的随着信息技术的发展，虚拟植物(果树)为生长建参数将修剪动作映射到相应的规则中，然后根据规则模、过程模拟、可视化计算分析等提供信息服务和技将相应修剪后的模型进行可视化输出。以上研究修［5］术支撑。因此，如何通过信息技术手段改进果

5、树修剪过程不够自然，树木真实感比较差，不能满足真实剪技术培训和科技推广成为各国科研人员的研究兴的果树修剪也限制了果树虚拟修剪系统的推广应用。趣。虚拟现实从应用上看是一种综合计算机图形学同时，还有一些植物建模软件如Xfrog、OnyxTree等，技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体显与真实的剪枝也有较大差距。基于以上不足，本文试示技术及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的图提出一种更加自然、树木真实感更好，并使用“虚拟计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构剪刀”的交互修剪技术，为果品产业提供一个可视化、［6］运动学等各种学科的综合应用。如果将其应用到智能化的

6、修剪管理新途径。收稿日期:2014－04－271关键技术基金项目:国家“863计划”项目(2013AA102405);北京市科技新星1．1Unity3D虚拟现实技术计划项目(XX2013022);北京科技计划项目(Z131100001113035)虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的作者简介:吕萌萌(1986－)，女，山东济宁人，硕士研究生，(E－mail)虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的lvmengmengky@163．com。模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限通讯作者:陆声链(1979－)，男，广西桂平人，副研究员，博士，(E－［9］ma

7、il)lusl@nercita．org．cn。制地观察三度空间内的事物。本文涉及的Unity·7·2015年4月农机化研究第4期［12］3D是专业的虚拟现实开发引擎，可用于创建诸如三达;最后，完成三维重建，将模型保存模型库满足维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动交互应用需求。三维模型库构建流程如图2所示。内容。其开发界面如图1所示。图1Unity开发界面截图首先，Unity3D是一个层级式的综合开发环［10］境，开发者可以根据自己的视觉习惯选择不同的编辑类型显示，编辑区有详细的属性编辑器和动态