基于Unity3D的六堡茶虛擬種植教學仿真系統(tǒng)設計

基于Unity3D的六堡茶虛擬種植教學仿真系統(tǒng)設計

宮海曉周全越馮思怡摘

要：針對傳統(tǒng)的六堡茶種植教學中存在的種植周期長、易受季節(jié)和天氣限制等問題，提出了一種基于Unity3D的六堡茶虛擬種植教學仿真設計方案，并開發(fā)了六堡茶虛擬種植教學仿真系統(tǒng)。通過采用3DMax等軟件建模，利用Unity3D引擎，設計了移栽、修剪和采摘等虛擬仿真模塊，并通過粒子模擬和重力系統(tǒng)實現天氣與物理現象的模擬還原。經測試，該虛擬仿真系統(tǒng)具有良好的操作性與沉浸感，相比傳統(tǒng)的六堡茶種植教學，更加便捷和廉價，減少了傳統(tǒng)教學投入的時間和金錢，達到了六堡茶種植教學的預期效果。Key：六堡茶;虛擬現實;Unity3D：TP391.9

：A：2096-4706（2019）10-0099-03Abstract：TosolvetheproblemsexistinginthetraditionalplantingteachingofLiupaotea，suchaslongplantingcycleandeasytoberestrictedbyseasonandweather，avirtualplantingteachingsimulationdesignschemeofLiupaoteabasedonUnity3Dwasproposed，andthevirtualplantingteachingsimulationsystemofLiupaoteawasdeveloped.Byusing3DMaxandothersoftwareformodelingandusingUnity3Dasengine，virtualsimulationmodulessuchastransplanting，pruningandpickingweredesigned，andweatherandphysicalphenomenaweresimulatedandrestoredthroughparticlesimulationsandgravitysystems.Aftertest，thevirtualsimulationsystemhadagoodsenseofoperabilityandimmersion.ComparedwiththetraditionalLiupaoteaplantingteaching，itwasmoreconvenientandcheaper，whichreducedthetimeandmoneyinvestedinthetraditionalteaching，achievingtheexpectedeffectofLiupaoteaplantingteaching.Keywords：Liupaotea;virtualreality;Unity3D0

引

言六堡茶屬于黑茶，是廣西壯族自治區(qū)梧州市特產，中國國家地理標志產品，其中以梧州蒼梧縣六堡鎮(zhèn)所產最為著名。由于六堡茶含有人體必需的多種氨基酸、維生素和微量元素，長期飲用可以健胃養(yǎng)神、減肥健身，因此越來越受到消費者的喜愛，逐漸進入大眾視野。六堡茶產業(yè)經濟的急劇發(fā)展，不僅對六堡茶的種植技術提出了更高的要求，而且也急需大量的種植技術人員，但由于受到城市地域等各種原因，短時間內無法解決人才短缺的問題，目前仍采用技術人員口口相傳和實地教學的方法，實現這個過程不僅需要消耗大量時間，另外還需要一定規(guī)模的茶園教學場地，并且人數較多時存在難以管理的問題。同時實驗茶園的搭建以及管理對教學機構是一個不小的負擔，而學員在實驗過程中對茶樹也會造成不同程度損傷，造成經濟的損耗。針對以上不足，本方案通過使用Unity3D技術，借助3DMax等建模軟件，真實還原實驗場景，通過模擬仿真操作，保留傳統(tǒng)教學的沉浸式效果，且解決了傳統(tǒng)教學中由于時令限制、茶株生長狀況限制和實踐管理難度高等導致的消耗時間長、教學質量不佳、練習損耗高的問題，既教會了學員六堡茶種植技術，而且使學員學習的效率和教學效率都有所提升。1

系統(tǒng)總體設計1.1

系統(tǒng)模塊需求六堡茶的種植教學，涉及茶樹選種、育種、栽種、澆灌、修剪、采摘等眾多知識點，整個教學活動需要對茶樹的不同生長時期進行操作。因此，為實現更加具有真實性的仿真操作，提高學員學習興趣，將枯燥的專業(yè)知識教學變?yōu)榭梢暬?、可交互的興趣教學，本仿真系統(tǒng)將主要教學過程分為移栽、修剪和采摘三個模塊。同時在滿足教學活動的基礎上，設計了練習、教學、考核三個模式。1.2

系統(tǒng)仿真需求仿真操作影響著系統(tǒng)沉浸感，在課程中合理的仿真設計，是教學系統(tǒng)的基礎設計理念。在進行仿真設計時，需要綜合用戶體驗與實際技術限制進行考慮，本仿真系統(tǒng)主要考慮了以下四個方面的仿真操作。1.2.1

觸覺彌補在實際茶樹種植中學員可以依據多方面的感知進行操作，而目前的虛擬仿真主要還是以視覺的形式進行仿真模擬，觸覺的仿真模擬尚未成熟。本仿真系統(tǒng)在對涉及多感官操作時，提出了視覺提示彌補的解決方案，采用高光提示進行反饋，此方案可以使用戶準確感知到茶樹操作的具體內容，同時降低用戶的操作難度。1.2.2

液體仿真在仿真教學系統(tǒng)中涉及到澆灌的操作，即需要對液體進行模擬，在計算機的液體模擬主要有著色器模擬和粒子系統(tǒng)模擬。前者用于外觀上的模擬，并不具備動力學的特性，無法完成液體傾倒的仿真模擬;后者具有動力學特性，但同時存在液體容器在運動時速度過大與液體產生穿透的問題，本仿真系統(tǒng)采用兩者混合的方式實現液體模擬仿真，即在單手提起水桶的常規(guī)情況下，桶內液體使用著色器進行模擬，在雙手進行澆灌操作時，生成液體粒子進行液體傾倒模擬。40FD3F09-BDE3-4BBD-A00E-4B8210CE63951.2.3

修剪仿真茶樹修剪是茶樹種植技術關鍵環(huán)節(jié)，需要采用到枝剪工具進行修剪動作，本仿真系統(tǒng)在考慮操作沉浸感的基礎上，將枝剪的操作細節(jié)進行保留。在實現枝剪精細操作的解決方案上提出了一種仿真解決方案，即在雙手持握的情況下，利用手的距離控制剪刀動畫達到控制剪刀仿真的效果。1.2.4

天氣仿真天氣是影響茶樹種植的重要因素，如何在虛擬仿真場景中還原天氣的變化成為關鍵，本仿真系統(tǒng)在進行天氣系統(tǒng)的模擬仿真時進行了多種嘗試，如利用UniStorm天氣系統(tǒng)實現一套完整的晴雨晝夜乃至春夏秋冬的氣候效果，但該插件功能強大但可編輯性不強，綜合考慮并不適合本課題天氣系統(tǒng)的開發(fā)，因此最終選擇使用編寫控制腳本與Enviro-SkyandWeather插件結合，天氣效果系統(tǒng)由插件實現，控制腳本在程序開發(fā)中實現。2

系統(tǒng)功能實現2.1

模型制作六堡茶虛擬種植仿真教學系統(tǒng)的基礎是創(chuàng)建具有真實感的三維場景，整個場景的布局離不開三維建模。在該仿真系統(tǒng)中模擬茶園場景進行建模，根據地形，茶樹、樹坑、土壤等的實際情況，對其模型位置和比例進行參數調整，讓構建的虛擬場景沉浸感強，模型面數合理。主要構建的模型有場景模型、樹坑模型、土壤模型、茶樹模型、農具模型等。（1）場景模型。為了讓場景看起來更為真實，在Unity里搭建VR教學系統(tǒng)所需要的教學場景，借助Unity3D游戲引擎開發(fā)的地形與場景生成系統(tǒng)Gaia插件，制作地形景觀的插件。（2）樹坑模型。在該仿真系統(tǒng)中，茶樹的移栽時需要進行挖坑的操作，為實現場景中出現的樹坑效果，借助Cinema4D建模軟件，通過將基礎模型進行編輯，制作出茶苗移栽時不同深度的坑。（3）土壤模型。在系統(tǒng)場景中，對田壟進行挖坑并將茶苗放入了合適深度的坑之后，應該往樹坑里面填土。為了實現此交互，在Cinema4D建模軟件中，通過置換和減面進行填坑時的土壤模型制作。（4）茶樹模型。不同時期的茶樹是該仿真系統(tǒng)的重要模型，在茶樹的移栽需要三種不同茶苗的模型，茶樹的修剪中需要定型修剪、深修剪、重修剪、臺刈等時期的茶樹模型，茶樹的采摘也需要不同的茶樹模型。借助SpeedTree建模軟件，通過對茶樹模型各種參數的不同設置制作出不同時期的茶樹模型。（5）農具模型。在系統(tǒng)場景的交互中，對茶樹的種植需要用到各種工具，比如鋤頭、鏟子、水桶、剪刀、竹籃等。通過借助3DMax建模軟件，通過樣條線擠壓等操作制作出農具模型。2.2

交互實現2.2.1

天氣模塊交互該仿真系統(tǒng)主要使用到Enviro-DynamicEnviroment插件，調用其內部的天氣預設，并對虛擬仿真場景進行相應的優(yōu)化。主要制作原理是通過搭建天氣系統(tǒng)，然后編寫天氣控制腳本WeatherController.cs控制天氣的跳轉。2.2.2

移栽模塊交互移栽主要是實現挖土的仿真與種植深度的檢測，本仿真系統(tǒng)通過預設多段樹坑深度，依據挖坑的次數增加樹坑的深度，在涉及樹坑與土壤的相互作用時，采取的方式是，在鋤頭碰撞產生時，分別遍歷兩個物體的子孫物體對象，對當前被碰撞物體所遍歷到的最后一個未隱藏對象進行隱藏，而另一個未被碰撞的物體所遍歷到的第一個已隱藏對象進行顯示。2.2.3

澆灌模塊交互澆灌涉及液體仿真，而液體仿真所遇到的問題在于在碰撞系統(tǒng)中碰撞在速度過快時會發(fā)生穿透現象，這樣就會出現在人物移動過快時液體會從器物中露出的現象。針對該問題，本仿真系統(tǒng)使用Obi流體插件，根據澆灌的操作，選擇使用分階段處理，即當容器被一只手提起時液體不產生，當兩只手參與操控容器時液體便開始產生，當一只手退出操控時液體停止產生并推遲后銷毀。2.2.4

修剪模塊交互六堡茶選種為灌木型中葉種，茶園護理中的修剪對茶樹生長有很直接的影響，以茶樹修剪階段劃分有定型修剪、輕修剪、重修剪以及臺刈四種類型，其中定型修剪分為覆蓋、移栽、茶苗成年三個階段，每個階段執(zhí)行的重要依據是茶樹的高度;而輕修和重修對應的是壯年茶樹;臺刈則面向老化的茶樹或遭遇凍害的茶樹。系統(tǒng)根據三次修剪與茶樹高度的關聯性，在修剪實驗的模擬仿真上采取了預設置多個修剪分段式，修剪時將根據操作剪去不同分段，增強用戶操作感。2.2.5

采摘模塊交互在采摘的交互設計上沿用修剪的解決方案，但交互對象轉換為手，同時為了還原實際采茶情況，添加入竹籃這一交互工具，并保持跟隨在身體一側，采茶時可以隨拿隨放，采茶的關鍵點在于茶葉在采摘之前是不具備重力的，在采摘后才擁有重力，如果在采摘過程中失誤導致茶葉掉落，在場景中便難以尋回，在實際茶園中也是如此。為了簡化用戶體驗難度，本仿真系統(tǒng)對采摘交互流程進行了以下設計，當用戶手觸碰可摘取茶葉時，茶葉會顯示高亮邊緣，綠色為正確采摘，按下手柄扳機鍵時，采下對應的茶葉，將茶葉置于竹籃中并釋放時短暫產生重力，穩(wěn)定后去除重力，防止竹籃在移動時，茶葉因重力產生穿透。3

系統(tǒng)測試結果為了驗證該仿真系統(tǒng)是否滿足六堡茶種植培訓要求，作者邀請了六堡茶種植專業(yè)技術人員以及多位學員對該系統(tǒng)各個仿真模塊進行了測試。主要測試該系統(tǒng)功能模塊是否完整、模擬仿真是否準確、系統(tǒng)畫面是否流暢、系統(tǒng)交互是否合理四個方面。經過專業(yè)技術人員和學員的共同測試與交流表明，該系統(tǒng)功能模塊完整，在種植、修剪、采摘等方面的模擬仿真具有沉浸感，符合六堡茶實際種植操作規(guī)范要求，整個系統(tǒng)運行流暢，畫面美觀大方，不僅具有一定的交互性能，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，實現了六堡茶種植過程的模擬仿真。4

結

論本文采用Unity3D的虛擬仿真技術，通過使用3DMax、Cinema4D、SpeedTree等三維建模軟件，開發(fā)了六堡茶虛擬種植教學仿真系統(tǒng)，模擬仿真了六堡茶種植過程中的種植、移栽、修剪、采摘等操作，同時提供了天氣系統(tǒng)的切換，并實現了系統(tǒng)中流體模擬、物體高光、射線碰撞、物理模擬等關鍵性技術功能。通過使用六堡茶虛擬種植教學仿真系統(tǒng)，在一定程度上替代了枯燥的傳統(tǒng)教學，不僅激發(fā)了學員的學習興趣，同時降低了教學人員的教學負擔，基本解決了傳統(tǒng)六堡茶教學中存在的場地、人員、經濟、天氣等問題，為六堡茶種植技術人員提供了良好的培訓和學習平臺。Reference：[1]韓婷婷，唐世斌，聶永雄，等.蒼梧縣國有天洪嶺林場六堡茶生態(tài)茶園建設探討[J].南方農業(yè)，2019，13（4）：80-83.[2]張芬，溫立香，彭靖茹，等.廣西六堡茶的研究進展[J].茶葉通訊，2018，45（3）：13-16.[3]王愛軍，李中永，顏世波.基于Unity3D的博物館虛擬漫游系統(tǒng)設計[J].湖南工程學院學報（自然科學版），20