基于Unity 3D的獼猴桃虛擬修剪系統設計

摘 要：整形修剪是提升果樹產量和品質的重要手段，但其具有成本高、不可重復、修剪效果無法立即呈現等缺點。虛擬修剪系統可以模擬果樹的生長過程，并提供多種修剪工具和模式，讓用戶能夠更加直觀、準確地完成修剪任務。基于Unity 3D引擎開發一款獼猴桃虛擬修剪系統，旨在提供一種可靠高效的修剪輔助工具，利于果樹修剪技術培訓、推廣、科普教育。

關鍵詞：Unity引擎；虛擬現實；智慧農業；系統設計

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909-（2023）13-144-4

1 研究背景

獼猴桃富含維生素C和多種微量元素，市場需求量大。因此，獼猴桃產業前景廣闊，已成為陜西省重要的支柱產業之一。陜西省統計局發布的數據顯示，截至2022年，陜西省獼猴桃種植面積約6.66萬hm2，年產量在138.85萬t左右，產量居全國首位，出口量占全國獼猴桃出口量的1/4左右［1］。在獼猴桃種植管理過程中，修剪是一項非常重要的工作，修剪不當會導致獼猴桃果實品質下降、產量減少，直接影響果農的經濟收益。為保證果樹修剪效果，加強果樹修剪技術的培訓和推廣十分必要。但當前果樹修剪技術培訓和推廣過程中存在以下3方面的問題。一是目前獼猴桃修剪技術的傳授仍以果農之間互相交流、技術員口頭講授、教學視頻學習為主，技術傳播廣度不夠，且不夠直觀，果農的體驗感和參與度不高；二是掌握果樹修剪技術的科技人員相對短缺，獼猴桃修剪技術推廣人員仍有較大缺口，組織果農培訓需要投入大量人力和物力；三是在農村普及正確的修剪技術有一定難度，新技術的推廣和傳播仍有待加強［2］。

針對以上不足，此項目擬設計出一種真實感更強、仿真度更高、交互更多，可使用“虛擬剪刀”的虛擬仿真系統，打破時間和空間的局限，為獼猴桃修剪技術推廣人員提供一個可視化、智能化的技術培訓和推廣新途徑。用戶可以利用手機或電腦在該系統中反復練習，最終應用到實際生產中，達到快速學習和掌握獼猴桃修剪關鍵技術的目標，也為其他農業技術的推廣提供一種新的思路。

2 獼猴桃虛擬修剪系統設計

2.1 整體架構設計

獼猴桃虛擬修剪系統主要由用戶界面、獼猴桃建模、修剪算法、數據管理4部分構成，整體架構如圖1所示。

2.1.1 用戶界面部分

用戶界面部分主要包括系統各功能模塊的操作界面，用戶可以通過操作界面對系統進行控制和管理，包括新建、打開、保存場景，選擇和調整修剪工具和模式等。用戶界面部分采用Unity 3D引擎GUI界面設計工具實現。

2.1.2 獼猴桃建模部分

獼猴桃建模部分主要包括獼猴桃的三維建模和生長模擬，采用Unity 3D引擎的建模工具和動畫系統實現。該系統采用參數化建模方法，根據獼猴桃的生長規律和特點，通過調整參數模擬獼猴桃的生長過程。同時，為了使獼猴桃的生長過程更加真實，系統采用了物理引擎，模擬了獼猴桃在自然環境下的生長過程。

2.1.3 修剪算法部分

修剪算法部分主要包括修剪算法的設計和實現。該部分采用了多種修剪算法，用戶可以根據需要選擇和調整修剪算法和參數。修剪算法部分還采用了人工智能算法，自動分析獼猴桃的生長狀態和修剪需求，提供修剪建議。該部分采用C#語言實現。

2.1.4 數據管理部分

數據管理部分主要包括場景數據的管理和存儲。用戶可以通過該部分對場景數據進行管理和存儲，包括修剪歷史記錄、修剪效果預覽等。數據管理部分采用Unity 3D引擎的數據管理工具和數據庫實現。

綜上所述，此次項目采用了Unity 3D引擎的GUI界面設計工具、建模工具、動畫系統、物理引擎、數據管理工具及數據庫等技術，通過多個部分的協同工作，實現了獼猴桃虛擬修剪系統的設計和實現。

2.2 模型和動畫設計

獼猴桃模型設計主要涉及獼猴桃的建模和生長模擬兩個方面（見圖2和圖3）。獼猴桃建模是指通過計算機技術將獼猴桃的形狀、大小、顏色等特征抽象為三維模型，并進行數據管理和存儲的過程。生長模擬是指通過模擬獼猴桃的生長過程，模擬獼猴桃在不同環境和條件下的生長狀態和形態變化。

獼猴桃建模是基于獼猴桃的特點和生長規律進行的。在該系統中，獼猴桃建模主要采用參數化建模方法。首先，需要確定獼猴桃的基本結構，包括根部、主干、側枝、葉子等部分；其次，通過調整各個部分的參數，如長度、角度、半徑等，模擬獼猴桃。

獼猴桃生長模擬是指通過模擬獼猴桃在不同環境和條件下的生長過程，呈現獼猴桃生長狀態和形態的變化。在該系統中，獼猴桃生長模擬主要采用物理引擎和動畫系統設計。此次研究采用物理引擎來模擬獼猴桃在自然環境下的生長過程，通過設置物理參數和環境因素，使獼猴桃在虛擬環境中呈現出真實的生長狀態。

此次研究在獼猴桃生長模擬中采用了基于節點的生長模擬方法。該方法基于獼猴桃的生長規律，將獼猴桃分解成一系列節點，并根據生長規律來控制節點的位置和大小。該系統通過調整節點的生長速度和方向等參數，模擬獼猴桃在不同環境和條件下的生長狀態和形態的變化。

在獼猴桃模型設計中，根據獼猴桃表面的不同顏色和紋理，在模型中進行體現。此次研究采用了貼圖技術給獼猴桃模型添加材質和紋理，使其更加真實。同時，研究人員可以在虛擬環境中加入光照效果，使獼猴桃模型在不同的光照條件下呈現出不同的視覺效果。獼猴桃模型設計是該系統的核心部分之一，合理的建模和生長模擬可以讓用戶更好地了解獼猴桃的生長規律和形態特征，可為虛擬修剪系統的建立提供基礎支持。

2.3 修剪算法與交互設計

在該系統中，研究設計了一套基于鼠標交互的修剪工具，讓用戶可以通過虛擬修剪的方式模擬實際修剪獼猴桃的過程。修剪工具主要包括3個部分：修剪刀具、修剪范圍控制和修剪效果顯示［3］。

修剪刀具是修剪工具的核心部分，用戶可以通過鼠標操作來控制修剪刀具在獼猴桃模型上進行切割。此次研究采用了射線檢測技術實現修剪刀具和獼猴桃模型的交互，用戶可以通過移動鼠標來控制修剪刀具的位置和方向，從而實現對獼猴桃的修剪操作。根據獼猴桃的生長情況，用戶利用虛擬剪刀完成削頂、短枝和長枝修剪等任務，部分代碼如圖4和圖5所示。

修剪范圍控制是修剪工具的輔助部分，用戶可以通過調整修剪范圍的大小和形狀控制修剪范圍。在修剪過程中，用戶可以通過鼠標滾輪調整修剪范圍的大小，并可以通過修改修剪范圍的形狀實現更加精細的修剪操作。

修剪效果顯示是修剪工具的反饋部分，用戶可以通過修剪效果顯示查看修剪操作的結果。該系統采用動態網格技術實現修剪效果的顯示，即在修剪刀具切割獼猴桃模型時，實時更新獼猴桃模型的網格，從而呈現出修剪操作的效果。

修剪工具的設計是該系統的關鍵部分之一。通過合理的設計和實現，可以讓用戶更加方便地進行虛擬修剪操作，并可以實時查看修剪效果，從而更好地了解獼猴桃修剪的技巧和方法。

此次研究設計了一套基于Unity 3D引擎的交互設計方案。首先，用戶可以通過鼠標的移動和滾輪的滾動控制修剪刀具的位置、方向和范圍。其次，用戶可以通過鍵盤按鍵控制修剪工具的操作。具體實現如圖6和圖7所示。用戶可以通過修剪效果的顯示來實時查看修剪操作的結果。具體實現如圖8所示。

系統交互設計是該系統的關鍵部分之一。通過合理的設計和實現，可以讓用戶更加方便地進行虛擬修剪操作，并可以實時查看修剪效果。

2.4 數據管理

在虛擬修剪系統中，數據管理部分的主要任務是管理和存儲場景數據，包括修剪歷史記錄和修剪效果預覽。該系統可以通過Unity 3D引擎提供的數據管理工具和數據庫實現數據管理。

數據管理部分還負責記錄和存儲用戶的修剪歷史記錄。每次用戶進行修剪操作時，系統會將修剪的相關信息（如修剪部位、修剪時間、修剪程度等）保存下來。這樣，用戶可以隨時回顧和比較不同修剪操作的效果。

數據管理部分可以使用數據庫存儲和管理數據。數據庫可以是關系型數據庫（如MySQL、SQL Server等）或非關系型數據庫（如MongoDB、Redis等），具體選擇取決于系統的需求和性能要求［4］。

通過以上數據管理部分，虛擬修剪系統可以有效地管理和存儲場景數據，包括修剪歷史記錄和修剪效果預覽。這些數據的管理和存儲為用戶提供了便利，使其能夠方便地進行修剪操作和比較不同修剪技巧的效果。

3 系統功能與特點

基于Unity 3D引擎的獼猴桃虛擬修剪系統還具備以下功能與特點。一是該系統支持不同的修剪模式，包括基于形態修剪、基于位置修剪、基于方向修剪等多種模式。用戶可以根據需要選擇不同的修剪模式進行操作。二是該系統具有自適應性，可以根據不同的獼猴桃模型自動調整修剪刀具的大小、形狀等參數，以保證修剪效果的準確性和可視化效果的良好性。三是該系統支持實時預覽。用戶可以通過鼠標移動和滾輪滾動控制修剪刀具的位置、方向和范圍，并且可以實時預覽修剪效果，從而更加方便地進行修剪操作。四是該系統提供多種參數設置，包括修剪刀具的大小、形狀、修剪強度等參數，用戶可以根據需要進行調整，以實現不同的修剪效果。

4 系統的特色優勢

虛擬修剪系統為用戶提供了一個安全的學習環境，使其可以在虛擬場景中進行修剪操作，避免了對真實果樹的誤操作和損壞。初學者可以通過虛擬修剪系統獲得修剪技能，減少果樹修剪損傷風險。虛擬修剪系統可以實時提供修剪操作的反饋信息，包括修剪結果的預覽和效果評估。用戶可以立即了解他們的修剪行為對果樹形態的影響，從而快速學習和糾正錯誤。這種實時反饋有助于提高用戶的修剪技能。虛擬修剪系統通過可視化的方式展示果樹的生長狀態和修剪效果，使用戶能夠直觀地觀察和理解修剪的影響。此外，該系統提供互動式的界面和工具，用戶可以通過交互操作來模擬修剪過程，增加學習的參與度和樂趣。虛擬修剪系統可以在計算機或移動設備上使用，便于用戶隨時隨地進行學習，不再受限于時間、地點和實際果樹的可用性，可以根據自己的時間和需求靈活安排修剪學習。此外，系統通常提供了保存和加載場景的功能，用戶可以隨時保存修剪進度并在需要時恢復。

綜上所述，該虛擬修剪系統的優勢在于提供了一種安全、可控、互動和靈活的學習方式，使用戶能夠以自己的需求和節奏來學習修剪技能。該系統不僅適用于初學者，也可以作為進階學習和專業訓練的工具。

5 總結與展望

該研究基于Unity 3D引擎開發了一款獼猴桃虛擬修剪系統，通過對系統的設計與實現，驗證了該系統的可行性和有效性。該虛擬修剪系統是一種有效的學習和培訓工具，可幫助用戶在低風險、可實時反饋、可重復、多樣化、可視化的環境中獲得更有效的學習體驗，使其更高效地掌握修剪技能。此外，虛擬修剪系統還可以結合其他技術，如虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術和增強現實（Augmented Reality，AR）技術，進一步增強用戶的學習體驗［5］。通過VR技術，用戶可以沉浸在逼真的虛擬環境中，感受修剪的真實性。而AR技術則可以將虛擬修剪系統與實際果樹結合起來，讓用戶能夠在實際場景中應用所學的修剪技巧，并實時獲得反饋。

參考文獻：

［1］農小蜂智庫.2023年中國獼猴桃產業及主產區數據分析簡報［EB/OL］.（2023-06-01）［2023-06-12］.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=176746937482848

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［2］葉少挺，吳子朝，梁森苗，等.一種基于Unity3D的虛擬楊梅三維修剪系統［J］.浙江農業科學，2014（10）：1632-1635.

［3］周振華.3D虛擬現實技術在農業中的應用［J］.農業工程，2018（11）：47-49.

［4］劉浩，楊磊，董暢，等.虛擬現實技術在果樹修剪培訓中的應用研究［J］.無線互聯科技，2019（20）：135-136.

［5］張培，張麗莉，程丹丹.虛擬現實技術對農業推廣的作用探究［J］.產業與科技論壇，2015（18）：45-46.

基金項目：楊凌職業技術學院2021年自然科學基金項目“基于Unity 3D引擎的獼猴桃交互式虛擬修剪系統設計”（ZK21—63）。

作者簡介：張世勛（1991—），男，碩士，助教，研究方向：數字動畫設計、虛擬現實制作。