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基于VRML的交互式農田三維虛擬場(chǎng)景的設計與實(shí)現
論文關(guān)鍵詞 ：虛擬現實(shí) 虛擬場(chǎng)景 VRML 農田 交互
論文摘要：介紹了構建交互式農田虛擬現實(shí)場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù) ，利用VRML技術(shù)設計了交互式農田虛擬現實(shí)的場(chǎng)景原型，詳述了模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中的建模 、轉換 、裝飾和交互等關(guān)鍵技術(shù)。用戶(hù)可以直接與農田虛擬現實(shí)場(chǎng)景中的農作物 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(hù)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)具有明顯的季節性特征。新的農業(yè)裝備研制開(kāi)發(fā)出來(lái)后，如果沒(méi)有正好趕到使用的季節，研究者就很有可能需要等到下一季才能夠實(shí)地試驗檢測裝備的各項指標，而且很有可能在實(shí)地試驗后需要對農業(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(cháng)期以來(lái)一直制約著(zhù)農業(yè)裝備的研發(fā)速度和周期，嚴重妨礙了國家農業(yè)裝備的更新?lián)Q代和創(chuàng )新水平的提升。隨著(zhù)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和光機電液一體化技術(shù)的巨大進(jìn)步，開(kāi)發(fā)全天候、高度模擬真實(shí)大田作業(yè)環(huán)境和農作物長(cháng)勢的、可以完全替代季節性田間試驗的農田虛擬場(chǎng)景及其農業(yè)裝備虛擬試驗系統，受到了國內外學(xué)者的廣泛重視和研究。在車(chē)輛和部分農業(yè)裝備的室內試驗中，基于虛擬場(chǎng)景的虛擬試驗研究 已取得 了良好的效果。
美國MDI公司開(kāi)發(fā)的ADAMS軟件是構造產(chǎn)品虛擬原型的一個(gè)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(chē)虛擬樣機 (包括車(chē)身、懸架、傳動(dòng)系統、發(fā)動(dòng)機、轉 向機構和制動(dòng)系統等)，并進(jìn)行仿真，通過(guò)高速動(dòng)畫(huà)直觀(guān)地顯示在各種試驗工況下整車(chē)動(dòng)力學(xué)響應，輸出標志操縱穩定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數 ，從而減少對樣 機 的依賴(lài)。VTL(Virtual Test Lab)系統 是由美國 MTS(Mechanical Test System)公司研制的虛擬試驗系統，該系統在產(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環(huán)境中，一旦虛擬模型確定 ，可以反復進(jìn)行試驗，并根據虛擬試驗結果對設計進(jìn)行反復修改，從而獲得最佳設計方案。
就國內來(lái)講，吉林大學(xué)汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗室對汽車(chē)防抱制動(dòng)系統(ABS)混合仿真試驗臺進(jìn)行了系統分析 ；喬彬和李尚萍等對甘蔗收獲智能收獲系統虛擬試驗平臺進(jìn)行了研究；王鳴和劉喜昂等研究了基于 VRML的虛擬試驗系統；趙明和劉春光等開(kāi)展了VRML在電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛虛擬試驗 中的應用研究；周鵬等對潛土逆轉旋耕刀的重構及拋土問(wèn)題進(jìn)行了虛擬試驗的研究；陸林等開(kāi)展了基于 ADAMS的油菜收割機清選裝置仿真與試驗研究，利用虛擬樣機軟件 ADAMS對收割機的清選裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模在此基礎上對清選裝置進(jìn)行了清選過(guò)程仿真和虛擬試驗。關(guān)于虛擬 場(chǎng)景 的建立 ，國內眾 多研究者就VRML技術(shù)在遠程、道路、環(huán)境三維漫游和交互式設備虛擬裝配等方面的應用問(wèn)題展開(kāi)了廣泛 的研究。結合農業(yè)裝備虛擬試驗的需要，本文就交互式農田三維虛擬場(chǎng)景構建的關(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(mén)新型，它可以通過(guò)創(chuàng )建一個(gè)虛擬場(chǎng)景而達到現實(shí)中的效果。VRML支持三維動(dòng)畫(huà)，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實(shí)世界。
VRML是一種描述語(yǔ)言標準，規定了用來(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、遠程傳輸和本地計算生成。VRML描述的虛擬場(chǎng)景由多種場(chǎng)景對象構成 ，對象及其屬性用節點(diǎn)(node) 描述，節點(diǎn)按照一定規則構成場(chǎng)景圖(SceneGraph)。場(chǎng)景圖中的一類(lèi)節點(diǎn)用于從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)角度表現對象，它們按照層次體系組織起來(lái)，反映了場(chǎng)景的空間結構；另一類(lèi)節點(diǎn)參與事件產(chǎn)生和路由機制，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是以節點(diǎn)和事件路由為基本組成要素，來(lái)描述三維對象和交互行為，經(jīng)過(guò)瀏覽器解釋執行后，用戶(hù)就可感受到一個(gè)有聲有色的虛擬世界。
VRML虛擬現實(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(huà)面的狀態(tài)，并能實(shí)現3D動(dòng)畫(huà)效果 ，特別是改變了當前網(wǎng)絡(luò )與用戶(hù)交互的局限性，使得人機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。在VRML建立的虛擬場(chǎng)景中，用戶(hù)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 虛擬農田場(chǎng)景的設計
2．1 建立虛擬場(chǎng)景應用背景
虛擬現實(shí)農 田場(chǎng)景設計是利用人造景觀(guān)和自然景觀(guān)相結合，為檢測農機作業(yè)機組在農 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(gè)實(shí)用的軟件開(kāi)發(fā)試驗平臺。例如 ，通過(guò)與虛擬現實(shí)農田場(chǎng)景的交互，就可以不受季節限制，完成對收獲機割臺工作性能的測試，掌握其動(dòng)力消耗、損失率和傳動(dòng)配合等情況，進(jìn)而測試整機設計方案的合理性。虛擬現實(shí)農田場(chǎng)景設計針對農 田路況 、農作物布局和行走作業(yè)機組進(jìn)行虛擬仿真，創(chuàng )造出逼真的三維立體場(chǎng)景 。
2．2 虛擬現實(shí)農田場(chǎng)景設計
虛擬現實(shí)農 田場(chǎng)景設計是利用虛擬現實(shí)程序設計進(jìn)行軟件的設計開(kāi)發(fā)，使虛擬農田場(chǎng)景與現實(shí)農田場(chǎng)景融合，從而創(chuàng )建出逼真的三維立體農田場(chǎng)景。虛擬現實(shí)農 田場(chǎng)景包括玉米地、土地、人行道和行走車(chē)輛等。在虛擬現實(shí)農田中，可以體驗虛擬世界給人們帶來(lái)的現實(shí)無(wú)法比擬的感受。
虛擬現實(shí)農 田場(chǎng)景軟件設計，是利用先進(jìn)的漸進(jìn)式軟件開(kāi)發(fā)模式對虛擬現實(shí)農田場(chǎng)景進(jìn)行需求分析、設計和編碼 ，包括路面設計 、人行道設計 、作物設計和車(chē)輛設計等。設計采用模塊化和組建化設計思想，開(kāi)發(fā)設計層次清晰、結構合理的虛擬現實(shí)農田場(chǎng)景。虛擬現實(shí)農田場(chǎng)景設計的層次結構如圖 1所示。
2．3 農田三維源數據獲取
農田三維源數據多種多樣，主要有地形圖、專(zhuān)題地圖、衛星影像、航空相片和現有的數據文件以及相應的海量屬性數據等，包含等高線(xiàn)、高程點(diǎn)、溝渠、田間道路 、田埂、植被類(lèi)型、農作物等圖層或數據類(lèi)型。不同格式的源數據的采集獲取方式也不同，主要包括全野外數字測圖、地形圖數字化和數字攝影測量等。
2．3．1 農田三維對象建立
對于大范圍農 田地形數據，采用內聯(lián) VRML文件，將整個(gè)復雜的地形分為幾個(gè)部分，每一部分用一個(gè)相應的 VRML文件創(chuàng )建，最后用 Inline節點(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。對于田埂、溝坡、田邊樹(shù)木和溝渠等農田設施，需要單獨三維建模。建模時(shí)，將其分為點(diǎn)、線(xiàn)狀地物和面狀地物，以便分別建模描述表達�？梢赃x用 Auto CAD，3DS MAX，ISB(Intemet Space Builder)等作為三維模型的開(kāi)發(fā)工具，然后通過(guò)文件轉換工具轉換成．wrl文件。為營(yíng)造出真實(shí)農田的氛圍，在戶(hù)外用數碼相機采集農作物真實(shí)紋理，并進(jìn)行適當的處理，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 VRML文件編輯。Vrm1．Pad編輯器在編寫(xiě) 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(hù)定義的節點(diǎn)名和事件名等會(huì ) 自動(dòng)地動(dòng)態(tài)加入關(guān)鍵字庫 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(kāi)文件時(shí)的預覽，支持對節點(diǎn)效果的預覽和整體場(chǎng)景預覽。通過(guò)對 VrmlPad編輯器中瀏覽器控制按鈕的選擇 ，用戶(hù)可以從不同角度觀(guān)看場(chǎng)景。
2．3．3 交互式場(chǎng)景的實(shí)現
VRML場(chǎng)景沒(méi)有地面屬性，行進(jìn)中的拖拉機難以感知當前路面狀況，如土壤的堅實(shí)度 、空隙率、密度和土壤應力等，給虛擬試驗 帶來(lái) 了諸 多不便。根據VRML的事件驅動(dòng)機制和 Script編程技術(shù)，在場(chǎng)景開(kāi)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下的地面屬性(主要包括路面介質(zhì)參數或坡度等)。場(chǎng)景運行 中，通過(guò)編程節點(diǎn)實(shí)時(shí)采集當前車(chē)輛坐標，并調用地面信息列表，將地面屬性反饋給仿真模型，以實(shí)時(shí)調整仿真參數和運行姿態(tài)。
2．3．4 虛擬現實(shí)農 田場(chǎng)景源程序
虛擬現實(shí)農田場(chǎng)景設計，利用虛擬現實(shí)程序設計中的基本幾何節點(diǎn)、復雜節點(diǎn)和動(dòng)態(tài)感知節點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計，包括背景節點(diǎn)、視角節點(diǎn)、節坐標變換節點(diǎn)、內聯(lián)節點(diǎn)、組節點(diǎn) 、重定義節點(diǎn)、重用節點(diǎn)、面節點(diǎn)、時(shí)間傳感器節點(diǎn)、動(dòng)態(tài)插補器節點(diǎn)、事件和路 由等，并利用內聯(lián)節點(diǎn)實(shí)現子程序調用，并實(shí)現模塊化和組件化設計。該設計利用動(dòng)態(tài)插補器節點(diǎn)設計行駛的車(chē)輛景更加逼真、生動(dòng)和鮮活。
在建立農 田虛擬場(chǎng)景時(shí)，要求無(wú)論場(chǎng)景怎么移動(dòng)，農作物始終面向瀏覽者，所以在建立農作物場(chǎng)景時(shí)引用了布告牌節點(diǎn) (Billboard)。在 Billboard節點(diǎn)中，通過(guò)對域值 axisOfRotation的設定，使 Billboard自動(dòng)地以其局部坐標系的z軸圍繞旋轉，從而保證布告牌造型始終面向瀏覽者。通過(guò)引用坐標變換節點(diǎn)(transform)，可以完成對多個(gè)農作物的導人。利用改變該節點(diǎn)中 translation的值以及引用 inline節點(diǎn)，可逐個(gè)導入農作物，從而構建整個(gè)農田場(chǎng)景。構建農 田場(chǎng)景的程序代碼由于篇幅所限從略。用 VRML語(yǔ)言設計的虛擬農田場(chǎng)景如圖2所示。
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