汪 強 鄭 光 席 磊 馬新明，2

基于虛幻引擎的小麥定向栽培仿真模擬系統(tǒng)

汪 強1鄭 光1席 磊1馬新明1，2

（1.河南農(nóng)業(yè)大學信息與管理科學學院，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河南 鄭州 450002）

針對小麥綠色高產(chǎn)定向栽培的種植技術(shù)，收集并整理相關(guān)數(shù)據(jù)資源，建立3D模型庫。本文基于虛幻可視化引擎開發(fā)了小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供了技術(shù)支撐。

虛幻引擎；定向栽培；小麥；仿真；模擬系統(tǒng)

1 研究背景

精準農(nóng)業(yè)是在信息技術(shù)的支持下，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理規(guī)范。精準農(nóng)業(yè)技術(shù)能實現(xiàn)按需分配農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素和資源，減少資源浪費，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，達到社會、經(jīng)濟、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。植物的仿真模擬是近年來隨著信息技術(shù)進步而迅速發(fā)展起來的研究領(lǐng)域，在農(nóng)學、林學、生態(tài)學及遙感等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。計算機和信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為農(nóng)業(yè)的技術(shù)改造和提升注入了巨大活力，也為作物生產(chǎn)管理提供了新的方法和手段［3-5］。近年來，隨著作物生理生態(tài)理論、試驗手段和信息技術(shù)的發(fā)展，作物生產(chǎn)逐漸向與高科技結(jié)合的智能化、數(shù)字化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變［6］。農(nóng)作物的三維生長過程數(shù)字化顯示，虛擬作物對農(nóng)業(yè)科研、生產(chǎn)、教學有著極大的應(yīng)用價值。計算機能以真實感模擬作物三維生長的關(guān)鍵是作物的三維幾何形態(tài)建模和計算機可視化技術(shù)。計算機圖形學技術(shù)與農(nóng)業(yè)知識的有機結(jié)合使對農(nóng)作物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能的研究進入數(shù)字化、可視化階段，在計算機上以三維可視的方式來分析、研究和設(shè)計農(nóng)作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長過程已經(jīng)成為新的研究方向，數(shù)字植物、作物數(shù)字化設(shè)計等逐漸得到研究者的重視。

近年來，對作物個體生長過程的可視化模擬研究，以及對作物生長的形態(tài)虛擬化研究逐漸減少，作物生長的仿真模擬研究也開始向作物生產(chǎn)者需要的栽培知識應(yīng)用轉(zhuǎn)變，而以栽培技術(shù)為知識模型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是該轉(zhuǎn)變過程中的一個重要方向。虛擬現(xiàn)實，簡稱VR，是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)，主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等，通過計算機模擬出實時動態(tài)的三維立體逼真圖像，通過計算機來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入作出實時響應(yīng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是仿真技術(shù)與計算機圖形學、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合。

表1 系統(tǒng)一級模塊功能設(shè)計

基于虛幻可視化引擎進行場景渲染與知識可視化交互，對小麥各個時期的種植知識通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行仿真模擬，構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)。以三維虛擬世界為載體，以農(nóng)業(yè)仿真模型為科學計算依據(jù)，以任務(wù)驅(qū)動為特色的虛擬農(nóng)業(yè)仿真模擬互動平臺，趣味形象地表達了小麥栽培知識運用的過程。通過小麥八生育期場景漫游和交互操作，為小麥生產(chǎn)經(jīng)營者提供生產(chǎn)知識的體驗性過程，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)形式對小麥的生長周期進行形象化、具象化的教學描述，通過互動視頻解說、局部精細展示、聲音等表現(xiàn)形式對小麥各生長周期的栽培知識進行仿真模擬表達。針對小麥綠色高產(chǎn)高效種植設(shè)計，收集并整理小麥生產(chǎn)定向栽培數(shù)據(jù)資源，集成小麥高產(chǎn)高效知識模型和生長發(fā)育模型，序列化小麥關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)場景，向用戶推薦小麥定向栽培方案?；谥R網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)場景映射進行生產(chǎn)過程的人機交互設(shè)計，使知識融入人機交互的過程中，使用戶在使用的過程中掌握小麥定向栽培技術(shù)方案。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 構(gòu)建小麥各生育時期知識模型庫

根據(jù)小麥定向栽培可視化系統(tǒng)需求，構(gòu)建小麥備播期、播種期、冬前分蘗期、越冬期、返青拔節(jié)期、拔節(jié)抽穗期、開花成熟期和成熟期八個時期的知識模型。以河南省長葛市為例，構(gòu)建出小麥八個不同生育時期的知識模型庫，包括小麥的栽培措施，水、肥管理，病蟲害防治、防倒伏等。

2.2 構(gòu)建小麥三維模型庫

構(gòu)建小麥高產(chǎn)定向栽培3D模型庫，包括小麥植株模型、農(nóng)機模型、肥料模型、病蟲害模型、藥劑模型和地塊模型等不同時期所需的三維模型。使用3D Max建模軟件進行建模，導入虛幻4可視化引擎中。

2.3 構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬場景

根據(jù)系統(tǒng)仿真模擬要求，搭建小麥栽培作業(yè)的大田場景、播種場景、噴灑場景和收割場景等八個時期所需的生產(chǎn)環(huán)節(jié)三維場景，為小麥栽培技術(shù)展示提供仿真模擬基礎(chǔ)。

2.4 構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培知識動畫視頻庫

根據(jù)小麥各生育期種植環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，對小麥種植主要生育期知識點進行動畫視頻制作，通過視頻解說、Flash動畫、圖片、聲音、文字描述等形式，對實際種植場景進行逼真模擬和再現(xiàn)，使糧食生產(chǎn)經(jīng)營者如同身臨其境，直觀快速地學習了解小麥的栽培過程。

2.5 構(gòu)建小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)

基于虛幻4可視化引擎進行場景渲染與知識可視化交互，開發(fā)小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真系統(tǒng)。為糧食生產(chǎn)經(jīng)營者提供小麥生產(chǎn)知識體驗過程，使小麥栽培技術(shù)通過人機交互實現(xiàn)“看動畫，學知識，玩游戲，長技能”的效果，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)小麥綠色高產(chǎn)定向栽培技術(shù)的要求，按照小麥栽培的八個時期，對系統(tǒng)功能模塊進行詳細設(shè)計。系統(tǒng)功能模塊分為兩個層次，一級功能對小麥的生育時期進行模塊劃分，共劃分為八個時期：備播期、播種期、冬前分蘗期、越冬期、返青拔節(jié)期、拔節(jié)抽穗期、開花成熟期和成熟期八個時期。針對每個時期的栽培管理知識，通過人機互動的交互式方法進行仿真模擬演示，其模塊功能設(shè)計如表1所示。

二級功能對小麥各生育時期內(nèi)的栽培技術(shù)進行人機交互仿真模擬，包括栽培措施，水、肥管理，病蟲害防治、防倒伏等。通過對每個周期知識點的互動視頻解說、局部精細展示、聲音等形式，展示小麥栽培技術(shù)的知識體系，從而為糧食生產(chǎn)經(jīng)營者提供知識體驗過程。根據(jù)小麥各生育時期的栽培管理措施，按照系統(tǒng)仿真模擬的展示過程，設(shè)計出小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)功能流程，如圖2所示。

圖2 小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)功能流程圖

4 系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)場景可分為靜態(tài)和動態(tài)兩大部分，靜態(tài)部分主要包括地形、地貌、植被、建筑及相應(yīng)的光照紋理渲染等優(yōu)化手段；動態(tài)部分主要是實現(xiàn)虛擬互動技術(shù)，如動態(tài)信息展示、虛擬漫游、視聽效果、虛擬農(nóng)作體驗和病蟲害防治等。通過素材制作、模型構(gòu)建、搭建場景，在虛幻4可視化引擎中，建立小麥栽培仿真模擬互動平臺。

4.1 建立三維模型庫

三維模型庫的精細建模是小麥綠色高產(chǎn)定向栽培人機交互的基礎(chǔ)，集成應(yīng)用參數(shù)化建模、基于點云的三維重建、曲面重構(gòu)等幾何造型技術(shù)，建立三維場景模型庫，包括小麥植株模型、農(nóng)機模型、肥料模型、病蟲害模型、藥劑模型及地塊模型等。為了快速、精確地對小麥不同品種各生育時期的三維模型進行建模，采用三維數(shù)字化儀在田間對小麥的莖節(jié)和葉片進行關(guān)鍵點三維坐標獲取；葉片數(shù)據(jù)的獲取規(guī)則是獲取葉邊緣與葉脈上的三維數(shù)據(jù)關(guān)鍵點。小麥生長建模，參照肖伯祥等的方法，對葉片進行參數(shù)化建模，并進行網(wǎng)格簡化；參照喬桂新等的方法對植物莖稈進行建模。部分模型如圖3、圖4所示。

圖3 收割機模型

圖4 肥料配比操作臺模型

4.2 制作小麥種植視頻動畫

根據(jù)小麥各生育期種植環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，對小麥種植主要生育期的栽培知識進行視頻動畫制作，通過對實際種植場景的逼真模擬和再現(xiàn)，使糧食生產(chǎn)經(jīng)營者如同身臨其境。采用Flash動畫制作軟件進行視頻動畫制作，通過對實際種植場景的動畫模擬，對小麥栽培技術(shù)及小麥的生長過程進行快速展示。

4.3 場景搭建與系統(tǒng)實現(xiàn)

將制作好的三維模型、動畫、聲音等素材導入虛幻4可視化引擎中，基于虛幻4可視化引擎實現(xiàn)小麥備播期、播種期、冬前分蘗期、越冬期、返青拔節(jié)期、拔節(jié)抽穗期、開花成熟期和成熟期八個時期的生產(chǎn)三維場景搭建，并實現(xiàn)場景的渲染，以及小麥栽培技術(shù)的可視化展示與人機交互。系統(tǒng)三維模擬逼真，UI設(shè)計新穎，易于用戶操作和學習。系統(tǒng)場景及部分操作界面如圖5至圖8所示。

圖5 小麥仿真模擬時期選擇大廳

圖6 大田作業(yè)模擬場景

圖7 田間噴灌模擬場景

圖8 小麥收割模擬展示場景

5 結(jié)語

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)形式對小麥的生長周期進行形象化、具象化的教學描述，通過各種互動表現(xiàn)形式有序地呈現(xiàn)小麥八個生長周期的栽培技術(shù)，同時對每個周期的知識點采用互動視頻解說、局部精細展示、聲音等表現(xiàn)形式，從而為糧食生產(chǎn)經(jīng)營者提供生產(chǎn)知識體驗過程，實現(xiàn)“看動畫，學知識，玩游戲，長技能”的效果，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

針對小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)的要求，重點研究了基于數(shù)字交互技術(shù)，以三維虛擬世界為載體，以農(nóng)業(yè)仿真模型為科學計算依據(jù)，以任務(wù)驅(qū)動為特色的虛擬農(nóng)業(yè)仿真模擬系統(tǒng)。通過模型構(gòu)建、搭建場景、素材制作，基于虛幻4可視化引擎實現(xiàn)了小麥各生育期三維生產(chǎn)場景渲染與栽培知識可視化交互過程，構(gòu)建了小麥綠色高產(chǎn)定向栽培仿真模擬系統(tǒng)。通過小麥不同生育期場景漫游和交互操作，趣味形象地展現(xiàn)了小麥栽培知識運用過程，為小麥生產(chǎn)經(jīng)營者提供小麥生產(chǎn)知識的體驗性過程，達到學習知識，增長技能的效果，為小麥綠色高產(chǎn)定向栽培提供技術(shù)支撐。

［1］陳國慶，朱艷，曹衛(wèi)星.小麥葉鞘和節(jié)間生長過程的模擬研究［J］.麥類作物學報，2005（1）：71-74.

［2］陳國慶，朱艷，曹衛(wèi)星.冬小麥葉片生長特征的動態(tài)模擬［J］.作物學報，2005（11）：1524-1527.

［3］張懷志，曹衛(wèi)星.基于知識模型的棉花管理決策支持系統(tǒng)的研究［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學，2003.

［4］廖桂平.作物智能化栽培管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.中國農(nóng)學通通報，2000（5）：34-37.

［5］劉海波，董銀山.黑龍江省玉米生產(chǎn)管理信息咨詢系統(tǒng)［J］.東北農(nóng)業(yè)大學學報，1997（3）：243-249.

［6］郭銀巧，郭新宇，趙春江，等.小麥栽培管理知識模型系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.小麥科學，2005（2）：112-115.

Simulation Simulation System of Wheat Oriented Cultivation Based on Unreal Engine

Wang Qiang1Zheng Guang1Xi Lei1Ma Xinming1,2
（1.College of Information and Management Science,Henan Agricultural University，Zhengzhou Henan 450002；2.College of Agronomy,Henan Agricultural University，Zhengzhou Henan 450002）

Aiming at the planting technology of wheat green high-yield directional cultivation,collecting and collating related data resources and establishing 3D model library.Based on unreal visualization en?gine,a simulation system for directional breeding of wheat with high green yield was developed,which pro?vided technical support for Directional Cultivation of green and high yield of wheat.

unreal engine；oriented cultivation；wheat；simulation；simulation system

TP391.9；S513

A

1003-5168（2017）10-0047-04

2017-09-01

河南省重大科技專項（131100110400）；河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（S2010-01-G04）。

汪強（1979-），男，講師，研究方向：計算機仿真及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

鄭光（1980-），男，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。