农业科技论文交互式农田三维虚拟场景的设计

　　摘要：介绍了构建交互式农田虚拟现实场景的关键技术，利用VRML技术设计了交互式农田虚拟现实的场景环境原型，详述了模型开发过程中的建模、转换、装饰和交互等关键技术。用户可以直接与农田虚拟现实场景中的农作物地块和道路等事物交互，产生身临其境的效果，从而使用户在虚拟空间中得到与自然世界同样的感受，并为农业装备的虚拟试验提供了接口和场景空间。

　　关键词：虚拟现实,虚拟场景,VRML,农田,交互

　　0引言

　　众所周知，大田粮食作物的生产具有明显的季节性特征。新的农业装备研制开发出来后，如果没有正好赶到使用的季节，研究者就很有可能需要等到下一季才能够实地试验检测装备的各项指标，而且很有可能在实地试验后需要对农业装备做进一步的改进，因此可能要再等到下一季才能够安排测试。这样的情形长期以来一直制约着农业装备的研发速度和周期，严重妨碍了国家农业装备的更新换代和创新水平的提升。随着计算机软硬件技术的飞速发展和光机电液一体化技术的巨大进步，开发全天候、高度模拟真实大田作业环境和农作物长势的、可以完全替代季节性田间试验的农田虚拟场景及其农业装备虚拟试验系统，受到了国内外学者的广泛重视和研究。在车辆和部分农业装备的室内试验中，基于虚拟场景的虚拟试验研究已取得了良好的效果。

　　美国MDI公司开发的ADAMS软件是构造产品虚拟原型的一个很好的平台，利用其中的CAR模块，工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机(包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构和制动系统等)，并进行仿真，通过高速动画直观地显示在各种试验工况下整车动力学响应，输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖。VTL(VirtualTestLab)系统是由美国MTS(MechanicalTestSystem)公司研制的虚拟试验系统，该系统在产品或部件上安装虚拟传感器并将虚拟原型安装在不同的试验环境中，一旦虚拟模型确定，可以反复进行试验，并根据虚拟试验结果对设计进行反复修改，从而获得最佳设计方案。

　　就国内来讲，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室对汽车防抱制动系统(ABS)混合仿真试验台进行了系统分析；乔彬和李尚萍等对甘蔗收获机械智能收获系统虚拟试验平台进行了研究；王鸣和刘喜昂等研究了基于VRML的虚拟试验系统；赵明和刘春光等开展了VRML在电传动装甲车辆虚拟试验中的应用研究；周鹏等对潜土逆转旋耕刀的重构及抛土问题进行了虚拟试验的研究；陆林等开展了基于ADAMS的油菜收割机清选装置仿真与试验研究，利用虚拟样机软件ADAMS对收割机的清选装置进行三维实体建模在此基础上对清选装置进行了清选过程仿真和虚拟试验。关于虚拟场景的建立，国内众多研究者就VRML技术在远程教育、道路、地理环境三维漫游和交互式设备虚拟装配等方面的应用问题展开了广泛的研究。结合农业装备虚拟试验的需要，本文就交互式农田三维虚拟场景构建的关键技术与过程进行研究。

　　1VRML简介

　　虚拟建模语言VRML(VirtualRealityModelingLanguage)是最近几年才兴起的一门新型语言，它可以通过创建一个虚拟场景而达到现实中的效果。VRML支持三维动画，其实时交互功能大大克服了原来互联网上单调和交互性较差的弱点，从而创建一个全新的可进入和可参与的三维立体虚拟现实世界。

　　VRML是一种描述语言标准，规定了用来描述三维场景的文本描述语言，它的基本原理包括：文本描述、远程传输和本地计算生成。VRML描述的虚拟场景由多种场景对象构成，对象及其属性用节点(node)描述，节点按照一定规则构成场景图(SceneGraph)。场景图中的一类节点用于从视觉和听觉角度表现对象，它们按照层次体系组织起来，反映了场景的空间结构；另一类节点参与事件产生和路由机制，形成路由图(RouteGraph)，确定场景随时问的推移如何动态变化。因此，VRML是以节点和事件路由为基本组成要素，来描述三维对象和交互行为，经过浏览器解释执行后，用户就可感受到一个有声有色的虚拟世界。

　　VRML虚拟现实建模语言用来创建逼真的三维虚拟场景。它改变了网络上2D画面的状态，并能实现3D动画效果，特别是改变了当前网络与用户交互的局限性，使得人机交互更加方便与灵活，使虚拟世界的真实性、交互性和动态性得到了更充分的体现。在VRML建立的虚拟场景中，用户可以直接与场景中的事物交互，产生身临其境的效果，从而使人在虚拟场景中得到与自然世界同样的感受。

　　2虚拟农田场景的设计

　　2．1建立虚拟场景应用背景

　　虚拟现实农田场景设计是利用人造景观和自然景观相结合，为检测农机作业机组在农田中的工作性能、减小能耗、提高功效以及检测关键部件的工作性能提供一个实用的软件开发试验平台。例如，通过与虚拟现实农田场景的交互，就可以不受季节限制，完成对收获机割台工作性能的测试，掌握其动力消耗、损失率和传动配合等情况，进而测试整机设计方案的合理性。虚拟现实农田场景设计针对农田路况、农作物布局和行走作业机组进行虚拟仿真，创造出逼真的三维立体场景。

　　2．2虚拟现实农田场景设计

　　虚拟现实农田场景设计是利用虚拟现实程序设计语言进行软件的设计开发，使虚拟农田场景与现实农田场景融合，从而创建出逼真的三维立体农田场景。虚拟现实农田场景包括玉米地、土地、人行道和行走车辆等。在虚拟现实农田中，可以体验虚拟世界给人们带来的现实无法比拟的感受。

　　虚拟现实农田场景软件设计，是利用先进的渐进式软件开发模式对虚拟现实农田场景进行需求分析、设计和编码，包括路面设计、人行道设计、作物设计和车辆设计等。设计采用模块化和组建化设计思想，开发设计层次清晰、结构合理的虚拟现实农田场景。虚拟现实农田场景设计的层次结构如图1所示。

农田场景设计的层次结构

　　2．3农田三维源数据获取

　　农田三维源数据多种多样，主要有地形图、专题地图、卫星影像、航空相片和现有的数据文件以及相应的海量属性数据等，包含等高线、高程点、沟渠、田间道路、田埂、植被类型、农作物等图层或数据类型。不同格式的源数据的采集获取方式也不同，主要包括全野外数字测图、地形图数字化和数字摄影测量等。

　　2．3．1农田三维地理对象建立

　　对于大范围农田地形数据，采用内联VRML文件，将整个复杂的地形分为几个部分，每一部分用一个相应的VRML文件创建，最后用Inline节点将这几部分的VRML文件集合到一个VRML文件中，得到整个地形模型。对于田埂、沟坡、田边树木和沟渠等农田设施，需要单独三维建模。建模时，将其分为点、线状地物和面状地物，以便分别建模描述表达。可以选用AutoCAD，3DSMAX，ISB(IntemetSpaceBuilder)等作为三维模型的开发工具，然后通过文件转换工具转换成．wrl文件。为营造出真实农田环境的氛围，在户外用数码相机采集农作物真实纹理，并进行适当的处理，得到理想的材质图片。

　　2．3．2编辑软件的选择

　　采用VrmlPad编辑器来对VRML文件编辑。Vrm1．Pad编辑器在编写VRML文件时，除具有一般的文本编辑功能外，还可以提示选择VRML语言的关键字，而且用户定义的节点名和事件名等会自动地动态加入关键字库中，参与提示选择，编程人员无需记忆VRML众多的关键字。VrmlPad编辑器支持打开文件时的预览，支持对节点效果的预览和整体场景预览。通过对VrmlPad编辑器中浏览器控制按钮的选择，用户可以从不同角度观看场景。

　　2．3．3交互式场景的实现

　　VRML场景没有地面属性，行进中的拖拉机难以感知当前路面状况，如土壤的坚实度、空隙率、密度和土壤应力等，给虚拟试验带来了诸多不便。根据VRML的事件驱动机制和Script编程技术，在场景开发中进行了场景地面信息的列表，给出了不同地面坐标下的地面属性(主要包括路面介质参数或坡度等)。场景运行中，通过编程节点实时采集当前车辆坐标，并调用地面信息列表，将地面属性反馈给仿真模型，以实时调整仿真参数和运行姿态。

　　2．3．4虚拟现实农田场景源程序

　　虚拟现实农田场景设计，利用虚拟现实程序设计语言中的基本几何节点、复杂节点和动态感知节点进行开发设计，包括背景节点、视角节点、节坐标变换节点、内联节点、组节点、重定义节点、重用节点、面节点、时间传感器节点、动态插补器节点、事件和路由等，并利用内联节点实现子程序调用，并实现模块化和组件化设计。该设计利用动态插补器节点设计行驶的车辆景更加逼真、生动和鲜活。

　　在建立农田虚拟场景时，要求无论场景怎么移动，农作物始终面向浏览者，所以在建立农作物场景时引用了布告牌节点(Billboard)。在Billboard节点中，通过对域值axisOfRotation的设定，使Billboard自动地以其局部坐标系的z轴围绕旋转，从而保证布告牌造型始终面向浏览者。通过引用坐标变换节点(transform)，可以完成对多个农作物的导人。利用改变该节点中translation的值以及引用inline节点，可逐个导入农作物，从而构建整个农田场景。构建农田场景的程序代码由于篇幅所限从略。用VRML语言设计的虚拟农田场景如图2所示。

图2 农田三维虚拟场景