虛擬現實技術在樹木整形修剪中的應用開發實例探討

北京市園林綠化局綜合事務中心 陳著

在人工林環境和城市森林中，為提高森林質量、調解矛盾，讓樹木生長符合質量預期，對樹木進行科學有效的修剪整形是很重要的一項養護管理技術。合理的修剪，可以讓樹木產生更好的生態環境效應，可以增強枝干的通透性、樹體的抗逆性能，減少病蟲害發生的機會；還可以促進老樹復壯，調節花果生長。人工修剪和機械修剪是常用的修剪整形手段。目前，隨著信息技術的不斷發展，虛擬現實技術（VR）修剪技術也逐漸成熟。相比較真實情況下樹木修剪的不可逆性，樹木修剪中引入VR 技術，可以多視角呈現樹木修剪之后的整形效果和景觀格局，提升人們對園林景觀的全局把握度。

一、VR 修剪的優點和主要應用方向

（一）可反復實際操作演練，降低試錯成本、節省耗材

無論是在樹木修剪整形技術的教學培訓還是實操考核中，樹木耗材都是一筆很大的開銷。所以，許多經營性苗圃不愿出借苗圃用于綠化工人培訓。對在自然生境下的人工林進行修剪的試錯成本就更高，容易毀樹毀林。VR 技術的引入，可以把修剪整形技術要領在虛擬場景中反復操作試錯，錯誤操作在虛擬場景中還有反饋提示，幫助綠化工人通過反復演練掌握正確的技術要領。

對樹木修剪整形，以達到合適的景觀效果

（二）縮短綠化工人培訓周期

位于不同緯度地帶的城市，綠化工人在不同季節采取的樹木整形修剪措施是不同的。培訓一名合格的綠化工人，至少需要一個完整的全季節周期。如果遇到特殊情況，如病蟲害暴發、雪后摧折、火災后復壯等，工人的培訓周期就會更長。VR 技術的引入，不僅可以在Unity 引擎（Unity 公司開發的跨平臺游戲引擎）中用3D 技術模擬指定典型地域和季節場景，還能對樹木實例進行遭遇病蟲害、雪災、火災后的狀態進行模擬，幫助綠化工人對各類樹種、不同地域條件、不同季節、遭遇不同狀況下的樹木進行合適的整形修剪，從而縮短培訓周期。

（三）提升對園林景觀全局把握度

在一些特殊情形下，比如對古建群中的古樹名木進行修剪時，就更要謹慎，修剪不當不僅影響古樹名木自身生長，也容易破壞園林景觀的整體美感。此時，可以結合使用全景相機技術，將古建筑群場景導入VR 的虛擬場景，模擬進行樹木修剪整形，并在3D 場景中從平視視角360 度、領空視角、地面視角和模擬太陽光源角度等不同角度進行觀察，從而提升對園林景觀的全局把控。

二、進行VR 開發需考慮的要素

針對不同的樹木特性，要從不同的技術要素考慮，采用不同的整形修剪策略。

（一）樹種發枝能力

樹木萌發枝條的能力存在很大差異，例如懸鈴木、女貞、柳樹等具有很強的萌枝能力，耐重剪和多次修剪；而梧桐、玉蘭和大部分針葉樹種萌芽發枝能力較弱，應該少剪或輕度修剪。

（二）分枝特性

主軸分枝。鉆天楊、毛白楊、銀杏等樹木都屬于主軸分枝，其特點是樹冠呈尖塔形或圓錐形，頂端生長優勢明顯。

合軸分枝。法國梧桐、泡桐、白蠟、菩提樹、櫻花等屬于合軸分枝，其特點是易形成幾個勢力相當的側枝，呈現多杈樹干。

假二叉分枝。丁香、接骨木、石榴、連翹等屬于假二叉分枝，其特點是樹干頂梢在生長后期不能形成頂芽，下面的對生側芽優勢均衡，影響主干形成。

多歧分枝。夾竹桃、瑞香等屬于多歧分枝，其特點是頂芽生長不充實。

三、虛擬現實技術的實現

本文主要結合Unity 引擎，3D Max（3D Studio Max的簡稱，是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件）和HTC Vive 設備（由HTC 與Valve 聯合開發的一款虛擬現實頭戴式顯示器產品）等來模擬樹木修剪整形的各個環節，探討其實現的主要技術路線。采用其他廠商設備進行開發，其技術路線應是大同小異的。

（一）創建Unity 項目，構建森林場景

在官網下載Unity 引擎，創建一個新項目，選擇3D 模板，然后開始創建。對于HTC 設備的驅動，將HTC Vive SDK 導入Unity 項目，包括Steam VR插件、VR Camera Rig 和VR Hands 等。

樹木整形修剪主要分為冬季修剪和夏季修剪，可以選取高緯度地帶如哈爾濱、長江以北如石家莊、長江以南如廣州，三個有代表性的地域來模擬我國不同緯度地帶的不同季節場景。

不同緯度場景各月的修剪內容

Forest Pack是iTool software旗下的森林插件，控制靈活、對電腦配置要求也不高，是3D Max 制作園林景觀的高級插件，能快速分布植物、生成森林、制作植物雕塑、分布建筑物，等等。

Unity 資源商店（Asset Store）中也可以找到大量構建森林場景的場景素材，可以根據不同季節選擇不同場景。此外，還有一些模型、動畫、貼圖、音效等素材資源，能幫助人們快速構建所需要的森林場景。

（二）創建樹模型

使用Unity的建模工具創建一棵樹模型，可以使用樹形生成器或手動建模來完成。Unity 引擎模型構建功能有限，可以借助3D Max 強大的建模和動畫特效功能，完成對樹模型的構建，然后導入Unity引擎。根據修剪要求建立樹木模型庫，建立有代表性的樹種，模擬各類需要進行修剪的枝條，例如畸形枝和根蘗枝等。

除此之外，可以使用3D Max的粒子系統來模擬樹枝掉落的效果，也可以使用3D Max的動畫曲線來控制樹枝掉落的速度和方向。此外，還可以使用3D Max的材質編輯器來添加樹枝掉落的紋理，以及使用3D Max 的渲染器來渲染出最終的光源和動畫效果。

（三）添加交互元素

在樹木整形修剪中，與樹木模型主體產生交互作用的是各種修剪工具，常用的修剪工具包括：修枝剪、高枝鋸、手鋸、大平剪、油鋸、根剪、芽剪、葉剪、刻刀等。在對實景要求不高的情況下，可以直接用圖片、實物照片作為素材導入Unity引擎，以供使用；如果尋求較高的逼真性，可以像構建樹模型庫那樣，先在3D Max 中構建工具類型，再進行材質編輯，以達到更真實的效果。

（四）編寫交互腳本

為每個交互元素添加腳本，以便用戶可以與樹進行交互。例如，當用戶使用鋸子碰觸樹時，將顯示一個UI 提示，提示用戶使用手鋸進行修剪。腳本會在手柄左鍵點擊時執行鋸樹操作，并通過射線檢測獲取碰撞信息。手鋸的移動速度和最大砍樹距離可以通過公開變量進行調節。在砍樹操作開始后，程序會將手鋸移動到鋸樹點，然后每幀更新鋸條位置并判斷是否需要切斷樹枝。如果鋸條已經達到最大距離，程序會在原樹模型上銷毀該樹枝并結束鋸樹操作。

（五）編寫修剪邏輯

涉及樹木修剪技術領域的修剪邏輯非常多，根據不同的情況，可能要考慮切口與芽的位置、留樁的長短，疏枝定形也要考慮根系大小、風格和與周邊環境的融合。可判斷的邏輯非常多，這里只用留樁是否合格作為判斷邏輯來舉例說明在Unity引擎中如何實現。這需要編寫一個算法來確定哪些部分需要修剪。可以考慮模擬真實樹木的生長方式來確定哪些部分應該被剪掉。

VR 在園林教學及施工設計領域的應用案例

四、VR 目前在國內林草相關行業的應用實例

在國內，VR 技術目前在林木和果樹修剪領域的應用實例還比較少，整體處于技術初探和方案整合階段。一些相關研究和實驗正在進行，例如有高校研究人員正在設計果樹仿形修剪裝置，并結合相關園藝要求設計布置修剪裝置的作業環境和過程。在園林設計和體驗領域，VR 技術已經開始應用，比如VR 觀園。2017年7月，蘇州拙政園建成的VR 體驗館，吸引了許多游客進行體驗，是國內首例定制開發并利用VR 技術進行互動的項目。VR 體驗館主要是讓游客戴上VR 眼鏡，領略拙政園的春夏秋冬、庭院樓閣、樹木花草、長廊、琴棋詩畫等景觀。一些高校設計專業開發的VR 園林課堂，直觀地將園林知識展現給學生，同時鼓勵學生自由、快速地創建園林作品。VR 具備高度交互感和臨場感，便于方案測評和成果展示。在虛擬的三維空間中，可以實時地切換不同的方案，利用不同人不同視角，有助于比較不同植物景觀配置方案的特點與不足，加速師生之間的有效溝通和交流，并可以帶上數據手套、手柄等交互設備進行互動，提升學習效率。

一些高新技術公司，在智慧林業虛擬仿真領域開發了一些應用實例，旨在模仿各種森林管理情景和操作，目前已在樹種識別、森林采伐計劃制定、病蟲害控制等領域，形成了較成熟的應用案例。在樹木修剪方面，為服務綠化工職業技能大賽培訓和賽制培訓要求，也做了一些初步的研究和應用實踐，但隨著VR 技術的普及，相關應用實例一定會不斷增多和成熟。

五、總結

區別于一般游戲開發，樹木修剪整形VR 的開發設計環節比較關鍵，要在開發之初確認實現哪些整形修剪的功能性模擬，區別建立不同的季節場景下對應的修剪要素，并且還要建立技術評判標準庫。這些工作也許不可能一步到位，可以先實現簡單的VR 模擬功能。隨著VR 開發深度增加，再不斷完善。