基于Unity3D果树交互虚拟修剪技术及其实现

剪刀”的交互修剪技术，为果品产业提供一个可视化、 智能化的修剪管理新途径。
收稿日期： 2014 － 04 － 27 基金项目： 国家“863 计 划”项 目 （ 2013AA102405 ） ； 北 京 市 科 技 新 星
计划项目（ XX2013022） ；北京科技计划项目（ Z1311000011 13035） 作者简介： 吕萌萌（1986 － ） ，女，山东济宁人，硕士研究生，（ E － mail） lvmengmengky@ 163． com。 通讯作者： 陆声链 （1979 － ） ，男，广西桂平人，副研究员，博士，（ E － mail） lusl@ nercita． org． cn。
果树在生长发育 过 程 中 ，根 据 每 个 时 期 的 生 长 特 点和要求，所采用的修剪方式也不一样。本文以柑橘 为例，柑橘树 一 生 要 经 历 幼 年、成 年 和 衰 老 等 生 物 学 阶段，就修剪而言，不同阶段的技术要点不同［14］： 幼 树期修剪的目的是整形，主要通过抹芽放梢及疏除花 蕾；初结果期 修 剪 是 为 了 保 持 坐 果 率，采 取 适 当 除 果 及剪除徒长枝的方式；衰老期修剪以保持树形为主， 一般做法 是 剪 掉 下 垂 枝； 衰 老 期 修 剪 要 进 促 进 其 长 势，通过轮换更新和主枝更新的方法修剪。不同时期 修剪规则图解如图 3 所示。 1． 4 射线拾取技术
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 DOI:10.13427/ki.njyi.2015.04.002
0 引言
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（2015）04 － 0007 － 05
果树修剪中，将 为 树 形 分 析 研 究、果 树 修 剪 技 术 培 训 等应用提供一种全新的技术手段，缩短在真实果树上
人们获取物 体 的 三 维 模 型 的 方 式 有 3 种［11］： 一 是通过三维扫描设备来获取；二是通过建模软件构造 三维模型；三是通过利用图像来重建三维模型。本文 取第 1 种方式，具有过程如下：首先，利用三维扫描仪 获取果树几何构造与外观数据，根据农学知识分析数 据并提取模 型 关 键 特 征； 其 次，基 于 知 识 建 立 数 字 植 物的三维 形 态 模 型，实 现 植 物 对 象 数 字 化 可 视 化 表
为了提高软件的 运 行 效 率 ，对 代 码 也 进 行 了 如 下 优化：① 尽量避免每帧处理，如 Update 函数改为每 5 帧处理 1 次；②主动回收垃圾；③优化数学计算等。
总之，Unity3D 拥有优化的图形渲染管道，应用程 序能协调并 行 工 作，把 它 作 为 虚 拟 开 发 平 台，克 服 了 传统方法开发周期长、数据兼容性差及发布平台受限 等缺点。 1． 2 建立三维模型库
将相应修剪后的模型进行可视化输出。以上研究修 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、Onyx Tree 等，
拾取是计算机图 形 处 理 系 统 一 个 重 要 功 能 ，是 图 形绘制、操作 者 通 过 输 入 设 备 操 纵 屏 幕 上 的 物 体、获 取 物 体 的 空 间 坐 标 或 图 形 数 值 的 实 现 基 础［15］。 本 文 主要通过射线拾取算法实现鼠标拾取场景中的物体 （ 修剪点） ，并判断由视点发出经屏幕光标的射线是否 与目标物体相交。射线拾取原理图如图 4 所示。
主要存在以下问题：一是传统口头讲解、教学光盘等 等［8］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 佳；二是掌握 果 树 修 剪 技 术 的 科 技 人 员 相 对 短 缺［4］； 三是在农村普及正确的修剪技术有一定难度［4］。
图 2 三维模型库构建流程
本文三维重建后，需要导出 FBX 格式文件，在导 出之前需要注意以下步骤［13］： ①检查模型法线是否 正确；②检查材 质 和 对 象 是 否 规 范； ③ 检 查 场 景 模 型 的组别和层次是否满足需要；④检查各物体的局部坐 标朝向；⑤检查 UV 是否正确。通过这些步骤导出模 型，然后再导入到 Unity 中；导入 Unity 后对待修剪的 枝条进行单位大小调整及添加物理属性碰撞体组件 处理，否则鼠标无法完成拾取操作。 1． 3 果树修剪技术
z = 0 处为视椎体近剪裁面，z = 1 处 为 远 剪 裁 面。其中，P0 为发射指向 P1，也就是 2D 平面的一个
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2015 年 4 月
农机化研究
第4 期
点映射至 3D 空间的一条射线。具体实现方法： 1） 获取屏幕上的点，并找到其对应的投影窗口上
的点。 2） 计算拾 取 射 线。其 是 一 条 从 屏 幕 上 点 击 的 一
控制树形及平衡营养生长和生殖生长［2］。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 不可逆［3］。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
拟环境产生沉浸感的重要手段，可以使用户以更自然 的 方 式 与 仿 真 系 统 中 的 场 景 对 象 进 行 交 互［16］。 碰 撞 检测主要有空间分解法和包围盒层次法两大类，空间 分解法存储量大、不灵活。本软件使用包围盒层次法 检测“虚拟剪 刀 ”模 型 是 否 柑 橘 枝 条 模 型 的 碰 撞 。 其 基本思想是用简单的包围盒将复杂的几何形状围住， 当对两个物 体 进 行 碰 撞 检 时，先 对 包 围 盒 求 交，若 相 交，则只对包围盒重叠的部分进一步相交测试。当模 型几何结构很复杂时，使用这种方法可以提高计算速 度，满足虚拟环境中实时性的要求。
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基 于 Unity 3 D 果 树 交 互 虚 拟 修 剪 技 术 及 其 实 现
吕萌萌1，2 ，郭新宇2 ，陆声链2 ，吴建伟3
（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）
从树根遍历所有枝条是否执行剪除操作，缺点是不能 对某根枝条 进 行 交 互 式 修 剪 和 编 辑 操 作。 王 剑［1］ 等 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 术支撑［5］。因此，如何通过信息技术手段改进果树修
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 如，通过整形和 修 剪 改 变 花 期 和 营 养 生 长［1］，或 用 来
近年来 ，不少国内 外 研 究 者 围 绕 果 树 的 虚 拟 修 剪 进行了研究。Balandier 等人［7］以单株的幼年核桃树
本文将三维 重 建 后 的 果 树 模 型 导 入 Unity3D，通 过场景编辑视图创建虚拟果园。为了加快计算速度 及提高交互性，对模型从 3 个方面进行优化：① 合并 使用同贴图的材质球及其 Mesh；②创建预置，将场景 中重复使用的模型定义为预置体 （ Prefab） ，并通过动 态异步加载的方式加载模型；③使用光照贴图。像素 的动态光照将对顶点变换增加开销，使用光照贴图减 少开销。
如果要进一步提 高 修 剪 的 沉 浸 感 与 趣 味 性 ，可 与 leap motion 体感设备相 结 合，通 过 手 势 识 别 控 制“虚
Байду номын сангаас
拟剪刀”进行修剪操作。
2 软件实现与实例验证
2． 1 软件简介 本文研究的“果 树 虚 拟 修 剪 软 件 ”是 将 果 树 修 剪
技术、信息技术及虚拟现实技术相结合的果树虚拟修 剪仿真软件。以单株果树模型为例，用户可以对模型 进行旋转、缩放 及 移 动 等 操 作，并 使 用“虚 拟 剪 刀 ”的 方式模拟其从幼树期到衰老期的交互修剪。通过这 种方式，将 果 树 较 长 的 生 长 周 期 在 短 时 间 内 模 拟 生 长，缩短了在 真 实 树 木 上 修 剪 试 验 的 时 间，降 低 了 成 本。通过反复练习，来达到快速掌握科学修剪技术的 目的。 2． 2 开发环境及流程
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3D 是专业的虚拟现实开发引擎，可用于创建诸如三 维视频游戏、建 筑 可 视 化、实 时 三 维 动 画 等 类 型 互 动 内容。其开发界面如图 1 所示。
达［12］；最 后，完 成 三 维 重 建，将 模 型 保 存 模 型 库 满 足 交互应用需求。三维模型库构建流程如图 2 所示。
1 关键技术
1． 1 Unity3D 虚拟现实技术 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的
虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的 模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限 制地观 察 三 度 空 间 内 的 事 物［9］。本 文 涉 及 的 Unity
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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“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