基于VRML的交互式農(nóng)田三維虛擬場景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時間：2024-08-30 04:00:46 其他畢業(yè)論文我要投稿

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　　論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬場景 VRML 農(nóng)田交互

　　論文摘要：介紹了構(gòu)建交互式農(nóng)田虛擬現(xiàn)實(shí)場景的關(guān)鍵技術(shù) ，利用VRML技術(shù)設(shè)計(jì)了交互式農(nóng)田虛擬現(xiàn)實(shí)的場景原型，詳述了模型開發(fā)過程中的建模、轉(zhuǎn)換、裝飾和交互等關(guān)鍵技術(shù)。用戶可以直接與農(nóng)田虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的農(nóng)作物地塊和道路等事物交互，產(chǎn)生身臨其境的效果，從而使用戶在虛擬空間中得到與自然世界同樣的感受，并為裝備的虛擬試驗(yàn)提供了接口和場景空間。

　　0 引言

　　眾所周知，大田糧食作物的生產(chǎn)具有明顯的季節(jié)性特征。新的農(nóng)業(yè)裝備研制開發(fā)出來后，如果沒有正好趕到使用的季節(jié)，研究者就很有可能需要等到下一季才能夠?qū)嵉卦囼?yàn)檢測裝備的各項(xiàng)指標(biāo)，而且很有可能在實(shí)地試驗(yàn)后需要對農(nóng)業(yè)裝備做進(jìn)一步的改進(jìn)，因此可能要再等到下一季才能夠安排測試。這樣的情形長期以來一直制約著農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)速度和周期，嚴(yán)重妨礙了國家農(nóng)業(yè)裝備的更新?lián)Q代和創(chuàng)新水平的提升。隨著軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和光機(jī)電液一體化技術(shù)的巨大進(jìn)步，開發(fā)全天候、高度模擬真實(shí)大田作業(yè)環(huán)境和農(nóng)作物長勢的、可以完全替代季節(jié)性田間試驗(yàn)的農(nóng)田虛擬場景及其農(nóng)業(yè)裝備虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視和研究。在車輛和部分農(nóng)業(yè)裝備的室內(nèi)試驗(yàn)中，基于虛擬場景的虛擬試驗(yàn)研究已取得了良好的效果。

　　美國MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件是構(gòu)造產(chǎn)品虛擬原型的一個很好的平臺，利用其中的 CAR模塊，工程師可以快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī) (包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu)和制動系統(tǒng)等)，并進(jìn)行仿真，通過高速動畫直觀地顯示在各種試驗(yàn)工況下整車動力學(xué)響應(yīng)，輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù) ，從而減少對樣機(jī) 的依賴。VTL(Virtual Test Lab)系統(tǒng) 是由美國 MTS(Mechanical Test System)公司研制的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在產(chǎn)品或部件上安裝虛擬傳感器并將虛擬原型安裝在不同的試驗(yàn)環(huán)境中，一旦虛擬模型確定，可以反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)虛擬試驗(yàn)結(jié)果對設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修改，從而獲得最佳設(shè)計(jì)方案。

　　就國內(nèi)來講，吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對汽車防抱制動系統(tǒng)(ABS)混合仿真試驗(yàn)臺進(jìn)行了系統(tǒng)分析；喬彬和李尚萍等對甘蔗收獲智能收獲系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)平臺進(jìn)行了研究；王鳴和劉喜昂等研究了基于 VRML的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)；趙明和劉春光等開展了VRML在電傳動裝甲車輛虛擬試驗(yàn) 中的應(yīng)用研究；周鵬等對潛土逆轉(zhuǎn)旋耕刀的重構(gòu)及拋土問題進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)的研究；陸林等開展了基于 ADAMS的油菜收割機(jī)清選裝置仿真與試驗(yàn)研究，利用虛擬樣機(jī)軟件 ADAMS對收割機(jī)的清選裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模在此基礎(chǔ)上對清選裝置進(jìn)行了清選過程仿真和虛擬試驗(yàn)。關(guān)于虛擬場景的建立，國內(nèi)眾多研究者就VRML技術(shù)在遠(yuǎn)程、道路、環(huán)境三維漫游和交互式設(shè)備虛擬裝配等方面的應(yīng)用問題展開了廣泛的研究。結(jié)合農(nóng)業(yè)裝備虛擬試驗(yàn)的需要，本文就交互式農(nóng)田三維虛擬場景構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)與過程進(jìn)行研究。

　　1 VRML簡介

　　虛擬建模語言 VRML(Virtual Reality ModelingLanguage)是最近幾年才興起的一門新型，它可以通過創(chuàng)建一個虛擬場景而達(dá)到現(xiàn)實(shí)中的效果。VRML支持三維動畫，其實(shí)時交互功能大大克服了原來互聯(lián)網(wǎng)上單調(diào)和交互性較差的弱點(diǎn)，從而創(chuàng)建一個全新的可進(jìn)入和可參與的三維立體虛擬現(xiàn)實(shí)世界。

　　VRML是一種描述語言標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了用來描述三維場景的文本描述語言，它的基本原理包括：文本描述、遠(yuǎn)程傳輸和本地計(jì)算生成。VRML描述的虛擬場景由多種場景對象構(gòu)成，對象及其屬性用節(jié)點(diǎn)(node) 描述，節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則構(gòu)成場景圖(SceneGraph)。場景圖中的一類節(jié)點(diǎn)用于從視覺和聽覺角度表現(xiàn)對象，它們按照層次體系組織起來，反映了場景的空間結(jié)構(gòu)；另一類節(jié)點(diǎn)參與事件產(chǎn)生和路由機(jī)制，形成路由圖(RouteGraph)，確定場景隨時問的推移如何動態(tài)變化。因此，VRML是以節(jié)點(diǎn)和事件路由為基本組成要素，來描述三維對象和交互行為，經(jīng)過瀏覽器解釋執(zhí)行后，用戶就可感受到一個有聲有色的虛擬世界。

　　VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言用來創(chuàng)建逼真的三維虛擬場景。它改變了網(wǎng)絡(luò)上2D畫面的狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)3D動畫效果，特別是改變了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)與用戶交互的局限性，使得人機(jī)交互更加方便與靈活，使虛擬世界的真實(shí)性、交互性和動態(tài)性得到了更充分的體現(xiàn)。在VRML建立的虛擬場景中，用戶可以直接與場景中的事物交互，產(chǎn)生身臨其境的效果，從而使人在虛擬場景中得到與自然世界同樣的感受。

　　2 虛擬農(nóng)田場景的設(shè)計(jì)

　　2．1 建立虛擬場景應(yīng)用背景

　　虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場景設(shè)計(jì)是利用人造景觀和自然景觀相結(jié)合，為檢測農(nóng)機(jī)作業(yè)機(jī)組在農(nóng) 田中的工作性能、減小能耗、提高功效以及檢測關(guān)鍵部件的工作性能提供一個實(shí)用的軟件開發(fā)試驗(yàn)平臺。例如，通過與虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景的交互，就可以不受季節(jié)限制，完成對收獲機(jī)割臺工作性能的測試，掌握其動力消耗、損失率和傳動配合等情況，進(jìn)而測試整機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景設(shè)計(jì)針對農(nóng) 田路況、農(nóng)作物布局和行走作業(yè)機(jī)組進(jìn)行虛擬仿真，創(chuàng)造出逼真的三維立體場景。

　　2．2 虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景設(shè)計(jì)

　　虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場景設(shè)計(jì)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)，使虛擬農(nóng)田場景與現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景融合，從而創(chuàng)建出逼真的三維立體農(nóng)田場景。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場景包括玉米地、土地、人行道和行走車輛等。在虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田中，可以體驗(yàn)虛擬世界給人們帶來的現(xiàn)實(shí)無法比擬的感受。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場景軟件設(shè)計(jì)，是利用先進(jìn)的漸進(jìn)式軟件開發(fā)模式對虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景進(jìn)行需求分析、設(shè)計(jì)和編碼，包括路面設(shè)計(jì) 、人行道設(shè)計(jì) 、作物設(shè)計(jì)和車輛設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)采用模塊化和組建化設(shè)計(jì)思想，開發(fā)設(shè)計(jì)層次清晰、結(jié)構(gòu)合理的虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

　　2．3 農(nóng)田三維源數(shù)據(jù)獲取

　　農(nóng)田三維源數(shù)據(jù)多種多樣，主要有地形圖、專題地圖、衛(wèi)星影像、航空相片和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)文件以及相應(yīng)的海量屬性數(shù)據(jù)等，包含等高線、高程點(diǎn)、溝渠、田間道路、田埂、植被類型、農(nóng)作物等圖層或數(shù)據(jù)類型。不同格式的源數(shù)據(jù)的采集獲取方式也不同，主要包括全野外數(shù)字測圖、地形圖數(shù)字化和數(shù)字?jǐn)z影測量等。

　　2．3．1 農(nóng)田三維對象建立

　　對于大范圍農(nóng) 田地形數(shù)據(jù)，采用內(nèi)聯(lián) VRML文件，將整個復(fù)雜的地形分為幾個部分，每一部分用一個相應(yīng)的 VRML文件創(chuàng)建，最后用 Inline節(jié)點(diǎn)將這幾部分的VRML文件集合到一個 VRML文件中，得到整個地形模型。對于田埂、溝坡、田邊樹木和溝渠等農(nóng)田設(shè)施，需要單獨(dú)三維建模。建模時，將其分為點(diǎn)、線狀地物和面狀地物，以便分別建模描述表達(dá)�？梢赃x用 Auto CAD，3DS MAX，ISB(Intemet Space Builder)等作為三維模型的開發(fā)工具，然后通過文件轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成．wrl文件。為營造出真實(shí)農(nóng)田的氛圍，在戶外用數(shù)碼相機(jī)采集農(nóng)作物真實(shí)紋理，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚�，得到理想的材質(zhì)圖片。

　　2．3．2 編輯軟件的選擇

　　采用 VrmlPad編輯器來對 VRML文件編輯。Vrm1．Pad編輯器在編寫 VRML文件時，除具有一般的文本編輯功能外，還可以提示選擇 VRML語言的關(guān)鍵字，而且用戶定義的節(jié)點(diǎn)名和事件名等會自動地動態(tài)加入關(guān)鍵字庫中，參與提示選擇，編程人員無需記憶VRML眾多的關(guān)鍵字。VrmlPad編輯器支持打開文件時的預(yù)覽，支持對節(jié)點(diǎn)效果的預(yù)覽和整體場景預(yù)覽。通過對 VrmlPad編輯器中瀏覽器控制按鈕的選擇，用戶可以從不同角度觀看場景。

　　2．3．3 交互式場景的實(shí)現(xiàn)

　　VRML場景沒有地面屬性，行進(jìn)中的拖拉機(jī)難以感知當(dāng)前路面狀況，如土壤的堅(jiān)實(shí)度、空隙率、密度和土壤應(yīng)力等，給虛擬試驗(yàn) 帶來了諸多不便。根據(jù)VRML的事件驅(qū)動機(jī)制和 Script編程技術(shù)，在場景開發(fā)中進(jìn)行了場景地面信息的列表，給出了不同地面坐標(biāo)下的地面屬性(主要包括路面介質(zhì)參數(shù)或坡度等)。場景運(yùn)行中，通過編程節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集當(dāng)前車輛坐標(biāo)，并調(diào)用地面信息列表，將地面屬性反饋給仿真模型，以實(shí)時調(diào)整仿真參數(shù)和運(yùn)行姿態(tài)。

　　2．3．4 虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場景源程序

　　虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場景設(shè)計(jì)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)程序設(shè)計(jì)中的基本幾何節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和動態(tài)感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，包括背景節(jié)點(diǎn)、視角節(jié)點(diǎn)、節(jié)坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)、內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)、組節(jié)點(diǎn) 、重定義節(jié)點(diǎn)、重用節(jié)點(diǎn)、面節(jié)點(diǎn)、時間傳感器節(jié)點(diǎn)、動態(tài)插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)、事件和路由等，并利用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)子程序調(diào)用，并實(shí)現(xiàn)模塊化和組件化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)利用動態(tài)插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)行駛的車輛景更加逼真、生動和鮮活。

　　在建立農(nóng) 田虛擬場景時，要求無論場景怎么移動，農(nóng)作物始終面向?yàn)g覽者，所以在建立農(nóng)作物場景時引用了布告牌節(jié)點(diǎn) (Billboard)。在 Billboard節(jié)點(diǎn)中，通過對域值 axisOfRotation的設(shè)定，使 Billboard自動地以其局部坐標(biāo)系的z軸圍繞旋轉(zhuǎn)，從而保證布告牌造型始終面向?yàn)g覽者。通過引用坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)(transform)，可以完成對多個農(nóng)作物的導(dǎo)人。利用改變該節(jié)點(diǎn)中 translation的值以及引用 inline節(jié)點(diǎn)，可逐個導(dǎo)入農(nóng)作物，從而構(gòu)建整個農(nóng)田場景。構(gòu)建農(nóng) 田場景的程序代碼由于篇幅所限從略。用 VRML語言設(shè)計(jì)的虛擬農(nóng)田場景如圖2所示。

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