智能糧情三維虛擬展示系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究

◎ 朱亞輝

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司電氣工程研究所，河南 鄭州 450053）

隨著智能AI技術(shù)的研究不斷推進(jìn)，目前利用VR技術(shù)制作三維展示系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，支持其相關(guān)的軟件工具與應(yīng)用技術(shù)得到了充分發(fā)展。而在糧食行業(yè)中智能化糧庫(kù)信息管理平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用相對(duì)落后，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合開發(fā)成熟的智能三維展示系統(tǒng)迫在眉睫，三維系統(tǒng)中要體現(xiàn)更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息和設(shè)備模型的功能特效，其在糧食工程智能軟件建設(shè)與庫(kù)區(qū)數(shù)字化管理的交互體驗(yàn)方面尤為突出，特別是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的智能糧情三維虛擬展示系統(tǒng)的研究，Unity3D引擎技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用和WebGL渲染技術(shù)的應(yīng)用受到了當(dāng)前廣泛的關(guān)注與運(yùn)用，逐漸成為了當(dāng)今糧食食品行業(yè)信息化智能化平臺(tái)開發(fā)中的熱點(diǎn)。

近幾年來，隨著三維技術(shù)開放性發(fā)展逐漸引入糧食信息化展示平臺(tái)，開發(fā)智能糧情三維展示系統(tǒng)的技術(shù)不斷得到更新與開發(fā)，給糧食行業(yè)智能化發(fā)展與應(yīng)用帶來了遠(yuǎn)大前景。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎[1]。Unity3D主要特性具有層級(jí)式的綜合開發(fā)環(huán)境、可視化編輯，詳細(xì)的屬性編輯器和動(dòng)態(tài)的游戲預(yù)覽[2]。Unity是被用來快速的制作游戲或者開發(fā)游戲原型的成功典范，同時(shí)具體自動(dòng)資源導(dǎo)入功能和更新功 能， 支 持 3dsMax、Maya、Blender、Cinema4D、Cheetah3D等三維格式，圖形引擎使用Direct3D和OpenGL，并采用map技術(shù)支持Render-to-texture和全屏post processing效果[3]。Unity3D的部署簡(jiǎn)單，自帶一個(gè)IDE: MonoDevelop，支持多平臺(tái)打包等操作均可以在編輯器里面直接完成[4]。另外，Unity的中間件均可打包成unitypackage進(jìn)行發(fā)布，插件的部署也是最簡(jiǎn)便的。Unity3D具有完整的技術(shù)路線，Unity最大的特點(diǎn)就是形成了一個(gè)成規(guī)模的插件市場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上，Unity具有相當(dāng)多的中間件，可以大大加快獨(dú)立開發(fā)者和公司的開發(fā)進(jìn)度。Unity3D具有C#作為腳本支持，以至于在諸多應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛開發(fā)和運(yùn)用[5]。

本研究的目的在于利用糧情信息化平臺(tái)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)，提高糧庫(kù)糧情管理虛擬的自然性和高效性。目前，糧情系統(tǒng)開發(fā)僅限于二維的數(shù)據(jù)展示，人與計(jì)算機(jī)交互沒有直觀的方式瀏覽到糧倉(cāng)模型及糧情具體實(shí)物感，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)開發(fā)局限的鑰匙，使糧情三維展示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互效率更加直觀。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，更高層次的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理念對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)提出了巨大的要求，越來越多的科研人員開始對(duì)新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多通道界面展開研究，目前的研究?jī)?nèi)容主要集中在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、體感交互技術(shù)相結(jié)合的AI技術(shù)研究。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為促進(jìn)糧情三維展示平臺(tái)的開發(fā)前景具有重要意義。

1 3DMax/Revit和Unity3D

3DMax是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，具有強(qiáng)大的角色動(dòng)畫制作能力，同時(shí)可堆疊建模步驟，使制作模型有非常大的彈性，“標(biāo)準(zhǔn)化”建模，針對(duì)建筑建模領(lǐng)域相較對(duì)突出的優(yōu)越性，是目前相對(duì)流行的三維建模工具[6]。則Autodesk Revit是提供支持建筑設(shè)計(jì)、MEP工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)工程的工具。是專為BIM構(gòu)建的，可幫助建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)質(zhì)量更好、能效更高的建筑[7]。選擇Revit建模是它能更準(zhǔn)確呈現(xiàn)BIM工程項(xiàng)目的詳細(xì)信息，可以通過精確實(shí)現(xiàn)建筑外觀的可視化，模擬真實(shí)性能以便讓項(xiàng)目各方了解成本、工期與環(huán)境影響。

Unity3D是游戲引擎、游戲開發(fā)工具，是實(shí)現(xiàn)三維平臺(tái)展示需要一個(gè)可以渲染3D模型、動(dòng)畫，可以塑造空間感、光感的引擎[4]。由于Unity3D引擎能夠支持多種軟件導(dǎo)入的三維模型，多種輸入操作方式，包括友好的可視化界面以及基本編輯輸入模式，編程語言采用C#和JS進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)支持2D和3D的維度開發(fā)流程，方便開發(fā)[4]。開發(fā)此系統(tǒng)我們選擇了Unity3D作為開發(fā)平臺(tái)，利用它的強(qiáng)大虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)功能，將展示倉(cāng)庫(kù)糧情的畫面質(zhì)量得以優(yōu)質(zhì)的呈現(xiàn)。

2 模型建立與優(yōu)化

三維倉(cāng)庫(kù)模型是整個(gè)虛擬系統(tǒng)展示的基礎(chǔ)，它的好壞直接影響了虛擬環(huán)境的色彩視角和真實(shí)度。在3D Max/Revit軟件中建立產(chǎn)品模型時(shí)在滿足視覺效果不失真的情況下，盡量采用最簡(jiǎn)單的對(duì)象和模型，并且盡量用參數(shù)化方法構(gòu)建對(duì)象，減少基本模型幾何體的節(jié)點(diǎn)層和分段數(shù)[4]。

根據(jù)建筑模型的特殊性和軟件的構(gòu)造方法不同，總的建模和優(yōu)化過程：建立模型之后，再設(shè)置產(chǎn)品材質(zhì)、紋理、動(dòng)畫，調(diào)整燈光等參數(shù)，把模型進(jìn)行烘焙處理后轉(zhuǎn)換成fbx格式存檔輸出。在虛擬三維空間中，材質(zhì)和紋理是用于模擬產(chǎn)品表面的反射特性，基本材質(zhì)是用于模擬產(chǎn)品表面的反彈特性，包括紋理、光照、貼圖時(shí)的使用，它使用三種顏色構(gòu)成對(duì)象表面：由環(huán)境光顏色、漫反射顏色、高光顏色組成。Revit作為BIM建模軟件使用三種顏色及對(duì)建筑物模型高光區(qū)的控制，可以創(chuàng)建出大部分基本反射建筑貼圖材質(zhì)。這種材質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但能生成有效的渲染效果。將處理好的fbx文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D軟件中，置入攝像機(jī)、燈光，將材質(zhì)、紋理、貼圖依次配置，調(diào)整好參數(shù)和動(dòng)作使得視覺效果達(dá)到最佳[4]。

3 糧情展示的交互操作

交互設(shè)計(jì)是整個(gè)虛擬展示系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，在Unity3D中，這些交互動(dòng)作是通過對(duì)虛擬模型的Script進(jìn)行行為模塊的連接和各個(gè)參數(shù)的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的。這種方式使得設(shè)計(jì)過程更加清晰，更加容易調(diào)試。為模型對(duì)象創(chuàng)建腳本Script，這部分要充分考慮到各個(gè)Script執(zhí)行的順序和邏輯性。在每個(gè)Script中對(duì)交互動(dòng)作進(jìn)行編程，來實(shí)現(xiàn)各種倉(cāng)庫(kù)對(duì)象的一系列展示動(dòng)作，如平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、變換顏色、貼圖等。

3.1 庫(kù)區(qū)縱覽

①在單個(gè)倉(cāng)體模型的倉(cāng)頂添加Script實(shí)現(xiàn)點(diǎn)觸功能，使淺圓倉(cāng)、立筒倉(cāng)和星型倉(cāng)設(shè)置滑動(dòng)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)放置上倉(cāng)頂時(shí)，顯示倉(cāng)號(hào)、倉(cāng)容、谷型、倉(cāng)溫和倉(cāng)濕等信息。②在主場(chǎng)景攝像機(jī)上添加Script實(shí)現(xiàn)發(fā)射功能，使點(diǎn)擊功能進(jìn)入淺圓倉(cāng)、立筒倉(cāng)和星型倉(cāng)內(nèi)部。如圖1所示。

圖1 庫(kù)區(qū)縱覽三維虛擬展示效果圖

在主場(chǎng)景中添加UI面板，設(shè)置倉(cāng)庫(kù)信息、儲(chǔ)量、等級(jí)、溫度、監(jiān)控、蟲害、濕度、操作狀態(tài)等內(nèi)容，依次添加單選按鈕功能，點(diǎn)擊時(shí)顯示相應(yīng)的信息內(nèi)容。如圖2所示。

3.2 電纜測(cè)溫

淺圓倉(cāng)Ⅰ期包含23根測(cè)溫電纜線，每根電纜線有18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)對(duì)象，即分為18層測(cè)溫線圈。淺圓倉(cāng)Ⅱ期包含28根電纜線，每根電纜線有15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)對(duì)象，也即分為15層測(cè)溫線圈。立筒倉(cāng)包含14根測(cè)溫電纜線，每根電纜線有23個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)對(duì)象，也即分為23層測(cè)溫線圈。星型倉(cāng)包含1根測(cè)溫電纜線，每根電纜線有20個(gè)測(cè)溫點(diǎn)對(duì)象，也即分為20層測(cè)溫線圈。①根據(jù)每種倉(cāng)型的實(shí)際布線結(jié)構(gòu)設(shè)置電纜及測(cè)溫點(diǎn)模型大小和位置，為每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)模型添加Script實(shí)現(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器搭建，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)，添加UI面板依次按照電纜序號(hào)排列，選擇相應(yīng)編號(hào)時(shí)顯示相應(yīng)的電纜測(cè)溫點(diǎn)及實(shí)時(shí)溫度數(shù)值，由不同的顏色表示不同的溫度范圍。②為倉(cāng)體內(nèi)部添加倉(cāng)容信息，由Script實(shí)現(xiàn)點(diǎn)觸功能，提示倉(cāng)號(hào)、倉(cāng)溫、倉(cāng)濕、最高溫、最低溫、平均溫和糧谷高度等信息。再次，添加UI面板依次顯示倉(cāng)號(hào)、大氣溫度、大氣濕度、倉(cāng)內(nèi)溫度、倉(cāng)內(nèi)濕度、最高糧溫、最低糧溫和平均糧溫等信息。如圖3所示。

圖3 倉(cāng)內(nèi)電纜測(cè)溫效果圖及控制展板顯示數(shù)據(jù)圖

3.3 智能通風(fēng)

通風(fēng)設(shè)備分倉(cāng)底風(fēng)機(jī)和倉(cāng)頂風(fēng)機(jī)兩類，分別4個(gè)，對(duì)稱排列的形式擺放。首先，在每種倉(cāng)的倉(cāng)頂添加風(fēng)扇模型，并對(duì)風(fēng)扇壁添加Script實(shí)現(xiàn)點(diǎn)觸功能，點(diǎn)擊時(shí)顯示控制風(fēng)扇屬性面板，根據(jù)服務(wù)器設(shè)備自然狀態(tài)傳感參數(shù)來設(shè)置面板上風(fēng)扇實(shí)時(shí)狀態(tài)，也可以手動(dòng)操作，點(diǎn)擊單選按鈕時(shí)可打開倉(cāng)底通風(fēng)窗，然后開啟軸流風(fēng)機(jī)設(shè)備，同時(shí)發(fā)送命令并接收后臺(tái)發(fā)送過來的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作，比如通風(fēng)、降溫、保濕、增溫等，每隔5 s刷新一下當(dāng)前狀態(tài)，可以手動(dòng)操作通風(fēng)口使倉(cāng)內(nèi)同樣達(dá)到降溫或增溫的效果。同時(shí)對(duì)風(fēng)扇葉添加Script實(shí)現(xiàn)update時(shí)自然轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示。

圖4 倉(cāng)頂風(fēng)機(jī)和通風(fēng)窗，倉(cāng)壁通風(fēng)口設(shè)備的效果及智能控制面板圖

4 結(jié)論

隨著互聯(lián)網(wǎng)智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)建筑行業(yè)利用BIM建模技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的軟件開發(fā)與研究將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。本文提出的智能糧情三維虛擬展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和交互式的動(dòng)作設(shè)置，可讓用戶從直觀的角度去體驗(yàn)、去觀察糧倉(cāng)及糧情的詳細(xì)信息，實(shí)時(shí)了解通風(fēng)的情況。本系統(tǒng)通過擴(kuò)展編程，實(shí)現(xiàn)交互式操作，更有效地表達(dá)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，給使用者更加真實(shí)的感受。