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基于VRML的交互式農(nóng)田三維虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
論文關(guān)鍵詞 ：虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景原型，詳述了模型開發(fā)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(lái)后，如果沒(méi)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(cè)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(duì)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(cè)試。這樣的情形長(zhǎng)期以來(lái)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(guó)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(zhǎng)勢(shì)的、可以完全替代季節(jié)性田間試驗(yàn)的農(nóng)田虛擬場(chǎng)景及其農(nóng)業(yè)裝備虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，受到了國(guó)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(chǎng)景的虛擬試驗(yàn)研究 已取得 了良好的效果。
美國(guó)MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件是構(gòu)造產(chǎn)品虛擬原型的一個(gè)很好的平臺(tái)，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(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu)和制動(dòng)系統(tǒng)等)，并進(jìn)行仿真，通過(guò)高速動(dòng)畫直觀地顯示在各種試驗(yàn)工況下整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù) ，從而減少對(duì)樣 機(jī) 的依賴。VTL(Virtual Test Lab)系統(tǒng) 是由美國(guó) 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(duì)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(guó)內(nèi)來(lái)講，吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)混合仿真試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)分析 ；喬彬和李尚萍等對(duì)甘蔗收獲智能收獲系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)裝甲車輛虛擬試驗(yàn) 中的應(yīng)用研究；周鵬等對(duì)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕刀的重構(gòu)及拋土問(wèn)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(duì)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(duì)清選裝置進(jìn)行了清選過(guò)程仿真和虛擬試驗(yàn)。關(guān)于虛擬 場(chǎng)景 的建立 ，國(guó)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(wèn)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(chǎng)景構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)與過(guò)程進(jìn)行研究。
1 VRML簡(jiǎn)介
虛擬 建模 語(yǔ) 言 VRML(Virtual Reality ModelingLanguage)是最近幾年才興起的一門新型，它可以通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)虛擬場(chǎng)景而達(dá)到現(xiàn)實(shí)中的效果。VRML支持三維動(dòng)畫，其實(shí)時(shí)交互功能大大克服了原來(lái)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(gè)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(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了用來(lái)描述三維場(chǎng)景的文本描述語(yǔ)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(chǎng)景由多種場(chǎng)景對(duì)象構(gòu)成 ，對(duì)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(chǎng)景圖(SceneGraph)。場(chǎng)景圖中的一類節(jié)點(diǎn)用于從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)角度表現(xiàn)對(duì)象，它們按照層次體系組織起來(lái)，反映了場(chǎng)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(chǎng)景隨時(shí)問(wèn)的推移如何動(dòng)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(lái)描述三維對(duì)象和交互行為，經(jīng)過(guò)瀏覽器解釋執(zhí)行后，用戶就可感受到一個(gè)有聲有色的虛擬世界。
VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言用來(lái)創(chuàng)建逼真的三維虛擬場(chǎng)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(dòng)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(dòng)態(tài)性得到了更充分的體現(xiàn)。在VRML建立的虛擬場(chǎng)景中，用戶可以直接與場(chǎng)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(chǎng)景中得到與自然世界同樣的感受。
2 虛擬農(nóng)田場(chǎng)景的設(shè)計(jì)
2．1 建立虛擬場(chǎng)景應(yīng)用背景
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)景設(shè)計(jì)是利用人造景觀和自然景觀相結(jié)合，為檢測(cè)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(cè)關(guān)鍵部件的工作性能提供一個(gè)實(shí)用的軟件開發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)。例如 ，通過(guò)與虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景的交互，就可以不受季節(jié)限制，完成對(duì)收獲機(jī)割臺(tái)工作性能的測(cè)試，掌握其動(dòng)力消耗、損失率和傳動(dòng)配合等情況，進(jìn)而測(cè)試整機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景設(shè)計(jì)針對(duì)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(chǎng)景 。
2．2 虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景設(shè)計(jì)
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)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(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景融合，從而創(chuàng)建出逼真的三維立體農(nóng)田場(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)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(lái)的現(xiàn)實(shí)無(wú)法比擬的感受。
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)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(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)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(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)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(cè)圖、地形圖數(shù)字化和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等。
2．3．1 農(nóng)田三維對(duì)象建立
對(duì)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(gè)復(fù)雜的地形分為幾個(gè)部分，每一部分用一個(gè)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(gè) VRML文件中，得到整個(gè)地形模型。對(duì)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(shí)，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)。可以選用 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(guò)文件轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成．wrl文件。為營(yíng)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(lái)對(duì) VRML文件編輯。Vrm1．Pad編輯器在編寫 VRML文件時(shí)，除具有一般 的文本編輯功能外，還可以提示選擇 VRML語(yǔ)言的關(guān)鍵字，而且用戶定義的節(jié)點(diǎn)名和事件名等會(huì) 自動(dòng)地動(dòng)態(tài)加入關(guān)鍵字庫(kù) 中，參與提示選擇，編程人員無(wú)需記憶VRML眾多的關(guān)鍵字。VrmlPad編輯器支持打開文件時(shí)的預(yù)覽，支持對(duì)節(jié)點(diǎn)效果的預(yù)覽和整體場(chǎng)景預(yù)覽。通過(guò)對(duì) 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(chǎng)景。
2．3．3 交互式場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)
VRML場(chǎng)景沒(méi)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(lái) 了諸 多不便。根據(jù)VRML的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制和 Script編程技術(shù)，在場(chǎng)景開發(fā)中進(jìn)行了場(chǎng)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(chǎng)景運(yùn)行 中，通過(guò)編程節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(shí)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(chǎng)景源程序
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)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(dòng)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(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)、動(dòng)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(dòng)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(dòng)和鮮活。
在建立農(nóng) 田虛擬場(chǎng)景時(shí)，要求無(wú)論場(chǎng)景怎么移動(dòng)，農(nóng)作物始終面向?yàn)g覽者，所以在建立農(nóng)作物場(chǎng)景時(shí)引用了布告牌節(jié)點(diǎn) (Billboard)。在 Billboard節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)對(duì)域值 axisOfRotation的設(shè)定，使 Billboard自動(dòng)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(guò)引用坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)(transform)，可以完成對(duì)多個(gè)農(nóng)作物的導(dǎo)人。利用改變?cè)摴?jié)點(diǎn)中 translation的值以及引用 inline節(jié)點(diǎn)，可逐個(gè)導(dǎo)入農(nóng)作物，從而構(gòu)建整個(gè)農(nóng)田場(chǎng)景。構(gòu)建農(nóng) 田場(chǎng)景的程序代碼由于篇幅所限從略。用 VRML語(yǔ)言設(shè)計(jì)的虛擬農(nóng)田場(chǎng)景如圖2所示。
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