基于Unity 3D的猕猴桃虚拟修剪系统设计.pdf
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1、http:/2023年7月 第14卷 第13期基于Unity 3D的猕猴桃虚拟修剪系统设计张世勋杨凌职业技术学院,陕西杨凌712100摘要:整形修剪是提升果树产量和品质的重要手段,但其具有成本高、不可重复、修剪效果无法立即呈现等缺点。虚拟修剪系统可以模拟果树的生长过程,并提供多种修剪工具和模式,让用户能够更加直观、准确地完成修剪任务。基于 Unity 3D引擎开发一款猕猴桃虚拟修剪系统,旨在提供一种可靠高效的修剪辅助工具,利于果树修剪技术培训、推广、科普教育。关键词:Unity引擎;虚拟现实;智慧农业;系统设计中图分类号:TP391.9文献标志码:A文章编号:1674-7909-(2023)1
2、3-144-41研究背景猕猴桃富含维生素C和多种微量元素,市场需求量大。因此,猕猴桃产业前景广阔,已成为陕西省重要的支柱产业之一。陕西省统计局发布的数据显示,截至2022年,陕西省猕猴桃种植面积约6.66万hm2,年产量在138.85万t左右,产量居全国首位,出口量占全国猕猴桃出口量的1/4左右1。在猕猴桃种植管理过程中,修剪是一项非常重要的工作,修剪不当会导致猕猴桃果实品质下降、产量减少,直接影响果农的经济收益。为保证果树修剪效果,加强果树修剪技术的培训和推广十分必要。但当前果树修剪技术培训和推广过程中存在以下3方面的问题。一是目前猕猴桃修剪技术的传授仍以果农之间互相交流、技术员口头讲授、教
3、学视频学习为主,技术传播广度不够,且不够直观,果农的体验感和参与度不高;二是掌握果树修剪技术的科技人员相对短缺,猕猴桃修剪技术推广人员仍有较大缺口,组织果农培训需要投入大量人力和物力;三是在农村普及正确的修剪技术有一定难度,新技术的推广和传播仍有待加强2。针对以上不足,此项目拟设计出一种真实感更强、仿真度更高、交互更多,可使用“虚拟剪刀”的虚拟仿真系统,打破时间和空间的局限,为猕猴桃修剪技术推广人员提供一个可视化、智能化的技术培训和推广新途径。用户可以利用手机或电脑在该系统中反复练习,最终应用到实际生产中,达到快速学习和掌握猕猴桃修剪关键技术的目标,也为其他农业技术的推广提供一种新的思路。2猕
4、猴桃虚拟修剪系统设计2.1整体架构设计猕猴桃虚拟修剪系统主要由用户界面、猕猴桃建模、修剪算法、数据管理4部分构成,整体架构如图1所示。用户界面猕猴桃建模修剪算法数据管理场景数据管理器视频素材资源库修剪算法猕猴桃模型建立模型0调整参数0模拟生长0猕猴桃生长模拟器场景编辑器修剪设置修剪效果预览新建场景0打开场景0保存场景0选择修剪工具0调整修剪模式0学习修剪技巧0测试修剪技巧0设置修剪算法0设置修剪参数0实时预览修剪效果0显示历史修剪效果0削顶0短枝0长枝0自动修剪0保存场景数据0加载场景数据0显示修剪历史0导出修剪记录0添加视频素材0删除视频素材0搜索视频素材0图1猕猴桃虚拟修剪系统架构图基金项
5、目:杨凌职业技术学院2021年自然科学基金项目“基于Unity 3D引擎的猕猴桃交互式虚拟修剪系统设计”(ZK2163)。作者简介:张世勋(1991),男,硕士,助教,研究方向:数字动画设计、虚拟现实制作。144http:/2.1.1用户界面部分用户界面部分主要包括系统各功能模块的操作界面,用户可以通过操作界面对系统进行控制和管理,包括新建、打开、保存场景,选择和调整修剪工具和模式等。用户界面部分采用 Unity 3D引擎 GUI界面设计工具实现。2.1.2猕猴桃建模部分猕猴桃建模部分主要包括猕猴桃的三维建模和生长模拟,采用Unity 3D引擎的建模工具和动画系统实现。该系统采用参数化建模方法
6、,根据猕猴桃的生长规律和特点,通过调整参数模拟猕猴桃的生长过程。同时,为了使猕猴桃的生长过程更加真实,系统采用了物理引擎,模拟了猕猴桃在自然环境下的生长过程。2.1.3修剪算法部分修剪算法部分主要包括修剪算法的设计和实现。该部分采用了多种修剪算法,用户可以根据需要选择和调整修剪算法和参数。修剪算法部分还采用了人工智能算法,自动分析猕猴桃的生长状态和修剪需求,提供修剪建议。该部分采用C#语言实现。2.1.4数据管理部分数据管理部分主要包括场景数据的管理和存储。用户可以通过该部分对场景数据进行管理和存储,包括修剪历史记录、修剪效果预览等。数据管理部分采用Unity 3D引擎的数据管理工具和数据库实
7、现。综上所述,此次项目采用了Unity 3D引擎的GUI界面设计工具、建模工具、动画系统、物理引擎、数据管理工具及数据库等技术,通过多个部分的协同工作,实现了猕猴桃虚拟修剪系统的设计和实现。2.2模型和动画设计猕猴桃模型设计主要涉及猕猴桃的建模和生长模拟两个方面(见图2和图3)。猕猴桃建模是指通过计算机技术将猕猴桃的形状、大小、颜色等特征抽象为三维模型,并进行数据管理和存储的过程。生长模拟是指通过模拟猕猴桃的生长过程,模拟猕猴桃在不同环境和条件下的生长状态和形态变化。图2猕猴桃建模示意图图3猕猴桃生长仿真示意图猕猴桃建模是基于猕猴桃的特点和生长规律进行的。在该系统中,猕猴桃建模主要采用参数化建
8、模方法。首先,需要确定猕猴桃的基本结构,包括根部、主干、侧枝、叶子等部分;其次,通过调整各个部分的参数,如长度、角度、半径等,模拟猕猴桃。猕猴桃生长模拟是指通过模拟猕猴桃在不同环境和条件下的生长过程,呈现猕猴桃生长状态和形态的变化。在该系统中,猕猴桃生长模拟主要采用物理引擎和动画系统设计。此次研究采用物理引擎来模拟猕猴桃在自然环境下的生长过程,通过设置物理参数和环境因素,使猕猴桃在虚拟环境中呈现出真实的生长状态。此次研究在猕猴桃生长模拟中采用了基于节点的生长模拟方法。该方法基于猕猴桃的生长规律,将猕猴桃分解成一系列节点,并根据生长规律来控制节点的位置和大小。该系统通过调整节点的生长速度和方向等
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