摘要:虛擬現實技術是近年來出現的高新技術，在教育領域中將其作為新型教學載體與認知工具，使學習者對已有知識結構開展學習意識上的重構。針對現在農業對VR技術應用較少的情況及其他主客觀的因素，在實際范例的基礎上，通過學習并應用虛擬現實軟件，對虛擬現實技術在農業技術領域的運用展開研究，分析VR在農業工程中的教學適用性。基于3dsMax平臺，開發有關于VR應用于果園系統規劃設計領域的實例，探討虛擬現實技術應用于農業領域的方法，利用果園防凍減災的實例來解答虛擬現實技術在農業領域的應用問題。將高新技術運用于農業，是對農業技術的延伸，必將極大推動農業技術進步和新時代教育事業發展。

　　關鍵詞:虛擬現實技術;園林設計;農業工程;果園;3dsMax平臺

　　1虛擬現實技術概括

　　虛擬現實技術(VirtualReality簡稱VR)，是利用計算機模擬產生一個在三維空間中逼真的虛擬世界。若將其運用在教學領域中，能夠使學習者在逼真的虛擬環境中獲得體驗與感受，同時能夠協助教師運用新時代的思維方式完成教學工作。在農業工程類專業的學習中，機械的建模會產生較為繁瑣的大量圖片和數據處理，并且農機作業具有時間限制，新設計的農機需要在特定的季節里才能進行田間性能試驗，大大加長了設計周期［1－3］。若采用虛擬現實技術，就會大大減少人力物力和其他教育資源的占用程度，使教育資源支出限制在一定范圍內。而且由于實訓場所、實習基地的不足等因素會造成學生動手機會短缺，達不到原有的教學和培養目標。

　　如何實現虛擬現實技術在農業工程類教育中的運用，成為擺在廣大教師面前的技術難題，而研究虛擬現實技術在農業工程教育中的適用性及推廣價值，則為破解這一難題提供了有價值的借鑒。虛擬現實技術在農業方面的應用較少，因此借鑒虛擬現實技術在園林設計、游戲設計以及室內設計等方面的理論知識，結合虛擬現實技術及果園本身的特點，綜合處理動畫、視頻、超文本、音頻、圖像等多媒體信息，仿真果園場景，實現高度仿真，探討并實踐虛擬現實技術在農業中的應用。

　　2果園虛擬現實系統的總體設計

　　2．1軟件的選擇

　　隨著虛擬現實技術越來越多的被人們所了解和接受，越來越多虛擬現實軟件出現在設計當中，并為各行各業的人們所應用，主要的軟件有3dsMax、VRML、MAYA等［4］。但其中的部分軟件不能提供可視化環境，用戶必須有一定的專業知識，場景搭建人員必須具有一定的程序編輯能力，比如VRML，使用人員不僅要有美術功底還要有編程能力，增大了使用難度，不適合我們應用于設計。而中視典VRP編輯器是一款直接面向美工的虛擬現實軟件，不需要程序員參與，可以讓美工將所有精力投入到效果制作中來，從而可有效降低制作成本，提高成果質量。因此本次設計選擇基于3dsMax和中視典VRP編輯器的虛擬現實設計方法，即用3dsMax構建3D虛擬場景模型、制作簡易3D動畫;以VRP編輯器為平臺將3D模型轉化為由鍵盤和鼠標控制的三維視景和虛擬漫游系統［5］。

　　2．2系統實現的技術路線

　　本次設計采用的技術路線如圖1所示，首先制定果園方案;再根據方案所需進行基于3dsMax的場景建模，其中包括基本場景設置、防凍減災系統建模和燈光相機設置;然后進行VRP文件轉化，再進行基于Xbuilder的虛擬現實系統開發系統開發，其中包括貼圖與天氣系統設置，同時實現漫游與動畫;在進行作品整合優化后，最后實現作品的發布與執行。

　　3基于3dsMax的果園建模

　　3．1建立果園的基本場景

　　3dsMax有強大的建模功能和渲染功能，不僅可以建立簡單的幾何體，還可以創建一般的植物、建筑、毛發以及粒子系統，可以模擬粒子效果，創建鏈接等，下面簡要介紹果園虛擬現實系統的設計過程。

　　首先打開軟件，選擇創建工具，創建一個標準的矩形平面，用來模擬地面。根據果園的地表狀況選擇土壤材質，貼上類似草皮的位圖。考慮到果園地面的平整度與伴生植物的生長狀況，選擇裸露黃土地表并伴生少許雜草的位圖，如圖2(a)所示。在材質編輯器中選擇材質球，更改材質球的屬性和參數，添加不同材質，最后將做好的材質球應用于地面，根據地面的實際狀況更改相應材質球的參數，直到調節出合適的視覺效果。創建幾何體，打開ACE擴展并選擇植物，選擇一種較接近果樹的植物，在任務欄中創建出來，如圖2(b)所示。因為3dsMax對硬件有一定的要求，并且植物是面數最多的幾何體，因此所選植物的面數要盡量少，以免陣列后因為文件過大而造成硬件不足的后果［3］。

　　將果樹縮放至合適大小，用陣列的方式選擇2米株距，3米行距，陣列出果園的大體情況。在行間以同樣的方式陣列花草作為點綴，使其具有行間植物的效果。陣列出的植物數量需要控制在一定數量，既要符合果園的狀態，又不能數量過大，以免給后面的制作造成麻煩。

　　在果園兩側加圍墻，通過創建幾何體并擠出，模擬出墻的形狀，給墻壁添加材質貼圖，通過鏡像做出另一側的墻壁。墻壁與最外側樹的距離可以設置為兩樹間距的一半，整體效果如圖3所示。

　　3．2關于果園防凍減災措施的設計

　　根據果園最常見的自然災害—冰雹、霜凍、蟲災、日灼等，構思出與之對應的應對措施—防護網、防霜機、噴農藥等，來模擬果園防凍減災的措施與對策，也是本設計的主要目的。

　　3．2．1雹災的預防

　　雹災是夏季經常出現的自然災害，某些地方的發生頻率還比較高。防雹災的措施有多種，但是最直接最可靠的措施是在經常發生雹災的地區建造防雹網，這種措施雖然投資較大，但效果最好，而且建造完成后就不需要再做其他的預防工作，同時還能預防鳥類對果子的啄食。

　　為了模擬下冰雹的過程創建粒子系統，調節粒子系統粒子生成的參數，控制軸偏離角度為180度，增大粒子生成速度，改變粒子顏色為白色，更改粒子大小為2;在空間扭曲中創建重力，調節重力值為5，最后將粒子系統與重力通過空間扭曲綁定在一起，如圖5所示。把粒子系統插入整體系統后，還可根據視覺效果對粒子和重力進行相應的修改，直到最符合現實環境狀態［8］。

　　3．2．2晚霜危害及預防

　　我國是典型的大陸性季風氣候，早春氣候變化大，經常有冷空氣活動，同時這個時期又是果樹發芽開花的時間，非常容易發生凍害，給果農造成損失。華北地區的晚霜一般發生在凌晨，當氣溫驟然降低至零下2℃的時，蘋果就會受到霜凍影響，當低于5℃的環境持續較長時間時，幼芽就會受到損傷。凌晨時霜凍的發生主要是由于地表出現的冷濕氣層，在果樹枝條、花芽、花朵等器官上發生結晶使植物細胞受凍。果樹的花芽，分化越完善抗凍性越差，所以頂花芽最容易受晚霜的危害。

　　4虛擬現實場景模擬

　　4．1VRP虛擬現實編輯器簡介

　　VRP－BUILDER虛擬現實編輯器是中視典數字科技有限公司虛擬現實仿真平臺軟件VR－Platform(簡稱VRP)的一個子產品。VirtualRealityPlatform，簡稱VR－Platform或VRP)即虛擬現實仿真平臺，VRP是一款由中視典數字科技有限公司獨立開發的具有完全自主知識產權的直接面向三維美工的一款虛擬現實軟件。

　　VRP－BUILDER虛擬現實編輯器(VirtualRealityPlatformBuilder，簡稱VRP－BUILDER)是中視典數字科技有限公司研發的一款直接面向三維美工的虛擬現實軟件。所有操作都是用美工可以理解的方式(不需要程序員參與)，讓美工將所有精力投入到效果制作中來，從而降低制作成本，提高成果質量。

　　Xbuilder虛擬現實編輯器能進行可以直接打開3dsMax轉換過來的場景文件，但是部分貼圖會丟失，需要再對其添加貼圖，然后進行適當的修改，同時進行燈光設計和渲染，達到和諧的效果［11］。

　　4．2添加貼圖和天空

　　由于在格式轉換過程中有一部分材質貼圖會丟失，使系統失去應有的色彩、圖案以及材質效果，所以要對轉換成的虛擬場景進行進一步的處理，如圖11所示。

　　4．2．1添加材質

　　選中要添加貼圖的模型，如地面(plane001)，更改漫反射貼圖，使其接近土地的顏色，再更改法線貼圖，使其紋理更加明顯。樹木則要選用植物材質，在漫反射貼圖中調節植物背面顏色，使其具有果樹的效果。

　　4．2．2設置天空背景

　　在天空參數中需要調節的主要是太陽亮度與云量，配合天空亮度與環境光，因為VRP編輯器中會模擬出時間流逝，所以必須要調節出適合多個時間段的天氣狀況，特別是正午時，要盡可能使畫面更加真實，如圖12所示。由此可設計早晨、中午、黃昏三個時間段的鍵盤鍵來控制光線和色彩的變化。

　　結語

　　鑒于虛擬現實技術能為學生與教師提供逼真、生動的環境，是基于傳統教育環境之上的新型教學模式，在突破傳統教學缺陷、提高學生技能、調動學生學習積極性等方面都將起到積極的作用，具有良好的適用性和較高得推廣價值。

　　本文對基于虛擬現實技術的果園虛擬現實仿真系統開發進行了研究，運用先進的計算機技術得以實現，完成了虛擬現實技術與農業的結合，基本實現了虛擬現實系統的仿真功能，并通過簡單的二次開發發掘部分高級功能。本次設計的要點總結為以下幾個方面:

　　(1)3dsMax建模技術和基于中視典VRP編輯器的虛擬現實技術相結合，可以有效地實現虛擬現實技術在農業領域的應用。

　　(2)探索了3dsMax的基本建模和粒子系統、ACE擴展的基本使用方法，在虛擬仿真中學習了簡單漫游以及動畫的實現。

　　(3)研究了虛擬現實技術中燈光與相機的應用，學習了定點相機、行走相機與飛行相機的使用方法，并實現了適合果園的多相機切換操作。

　　（4)更加清晰地了解了果樹經常面臨的自然災害及各種災害應采取的預防措施，增加了學生的知識儲備，加強了學生對農業知識的了解。

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　　張開興，李金鳳，劉賢喜