技术领域
[0001] 本
发明涉及农业技术领域，具体涉及一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统及其建模方法。
背景技术
[0002] 甘蔗为一年生或多年生草本
植物。是制造
蔗糖的原料，且可提炼
乙醇作为
能源替代品，广泛地种植于世界各地，中国是最大的甘蔗生产国之一。随着甘蔗种植技术的发展、技术规范的颁布以及计算机技术的飞速发展，传统的甘蔗种植技术培训方式利用教科书、上课板书、图片、文字乃至视频的方式进行甘蔗种植各技术环节的培训，在人
力、物力、受众的兴趣点、参与度、动手能力以及体验的
沉浸感方面都限制了甘蔗种植技术的传播。
[0003] 目前，甘蔗种植教学实训一般采用教师口头讲课的方式或者是结合多媒体进行教学。尽管利用多媒体技术进行授课，在授课中已经使用大量的数字、文字、声音、图像等资料，考虑到甘蔗种植技术特殊性，仍然不能改变传统甘蔗种植教学实训带来的局限性。甘蔗种植与种植环境密切联系，不同的种植环境需要不同的种植方式，传统的教学方式仅仅通过图片或者是视频的方式展示，学员的认知能力有限；现代甘蔗种植技术过程中需要大量的农机操作，传统的教学培训不能提供学员熟练使用甘蔗种植农机的教学条件，学员的动手能力得不到锻炼；甘蔗种植过程中，病害的防治是重要的教学技术环节，传统的图片方式仅仅从某一固定视
角认知病害，学员不能从多角度、多尺度以及整个病害从发生到
治疗的过程变化细节不能全面的认知；甘蔗种植是有
时空域限制的，传统的教学很难从时域尺度上安排授课，也不能把课堂搬到甘蔗农场地头，限制了学员学习的体验感和沉静感。
发明内容
[0004] （一）解决的技术问题
[0005] 针对
现有技术的不足，本发明提供了一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统及其建模方法，能够利用计算机3D仿真
虚拟现实技术对甘蔗虚拟教学培训系统进行建模，通过二三维结合的互动形式以及绘制技术进行互动仿真。
[0006] （二）技术方案
[0007] 为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
[0008] 一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统的建模方法，该方法包括：
[0009] 根据甘蔗种植技术，对甘蔗种植过程所需要的模型库进行
三维建模；
[0010] 根据甘蔗种植技术，建立甘蔗种植知识关联库；
[0011] 根据甘蔗种植规程，结合二三维动画及场景
渲染技术，建立甘蔗种植3D互动可视系统；
[0012] 根据甘蔗的种植生长技术规程设定，按时序仿真甘蔗的种植生长过程；
[0013] 根据不当的操作方式提供报警功能，并提供关于正确操作的视频和文字内容。
[0014] 其中，所述甘蔗种植过程所需要的模型库包括：甘蔗模型库、农机模型库、
肥料模型库、病害模型库、药剂模型库和甘蔗种植
地块模型库。
[0015] 其中，所述甘蔗种植知识关联库，包括
施肥配置约束模型库、整地开垄约束
数据库、下种方式约束数据库、病害防治约束数据库、生长发育与
气候条件约束数据库和种茎处理约束数据库。
[0016] 其中，所述建立甘蔗种植3D互动可视系统，具体包括：
[0017] S1：基于动画技术，建立
土壤选择模块，具体包括：
[0018] S11：对甘蔗适宜生长的不同土壤模型进行建模，包括黄壤土、冲积土、
水稻土和紫色土；
[0019] S12：对土壤模型的表面、切面部分进行纹理赋值；
[0020] S13：利用动画旋转土壤模块；
[0021] S2：基于
采样点动态扰动的Nurbs曲面，对
犁地进行建模，具体包括：
[0022] S21：通过三维数字化仪对刚犁完的局部地块进行三维数据获取，转化为用于Nurbs曲面生成的控制点；
[0023] S22：根据Nurbs曲面控制点动态扰动因子，对Nurbs曲面进行重构，形成翻地地形网格；
[0024] S23：根据曲面计算UV，对翻地地块模型赋值翻地贴图纹理；
[0025] S3：基于椭球曲面的可调节参数模拟甘蔗开垄，具体包括：
[0026] S31：
锁定椭球面Y轴方向，调节X轴、Z轴球面半径，形成垄切面坡度；
[0027] S32：设置椭球球心
位置，调节垄深；
[0028] S33：根据调节好的椭球模型，沿Y轴对地形继续开垄网格处理，同时改变垄沟纹理；
[0029] S4：基于粒子系统，建立田间施肥模块，具体包括：
[0030] S41：根据甘蔗生长的时间段设置施肥自动提醒；
[0031] S42：基于甘蔗施肥配置约束模型库，提供施肥肥料及施肥量的交互配置；
[0032] S43：基于粒子系统，对田间施肥进行仿真模拟；
[0033] S5：基于粒子系统，建立
病虫害防治模块，具体包括：
[0034] S51：为各生长时期病害的发生设置随机函数，随机函数给出发病几率和发病类型，并设置病害发生的自动提醒；
[0035] S52：基于甘蔗病害防治约束数据库，为甘蔗植株
叶片动态置换病虫害叶片纹理；
[0036] S53：基于甘蔗病害防治约束数据库，提供病害防治药品选择及配置；
[0037] S54：基于粒子系统，对田间施药进行仿真模拟；
[0038] S6：基于动画技术，对甘蔗砍收进行模拟；
[0039] S7：基于二三维交互技术，建立种茎处理模块，具体包括：
[0040] S71：仿真剥叶鞘的效果；
[0041] S72：仿真甘蔗砍种的过程；
[0042] S73：仿真甘蔗种茎消毒过程；
[0043] S74：仿真甘蔗种茎催芽过程。
[0044] 其中，所述按时序模拟甘蔗的种植生长过程，具体包括：
[0045] 依据甘蔗种植生长技术规程，建立甘蔗生长时间表；
[0046] 设定甘蔗时间种植生长时序与模拟生长时序之间的比例关系；
[0047] 建立动态日历以及甘蔗种植生长触发器。
[0048] 一种采用上述建模方法所建立的甘蔗种植教学实训系统，该系统包括甘蔗种植模型库、甘蔗种植知识关联库、甘蔗种植3D互动可视系统、时序模块以及错误处理模块；
[0049] 甘蔗种植模型库，用于存储甘蔗种植过程中所需的模型，包括甘蔗模型库、农机模型库、肥料模型库、病害模型库、药剂模型库和甘蔗种植地块模型库；
[0050] 甘蔗种植知识关联库，用于存储甘蔗种植技术相关知识，包括施肥配置约束模型库、整地开垄约束数据库、下种方式约束数据库、病害防治约束数据库、生长发育与气候条件约束数据库和种茎处理约束数据库；
[0051] 甘蔗种植3D互动可视系统，用于根据操作模拟甘蔗种植过程，包括土壤选择模块、犁地模块、开垄模块、施肥模块、病虫害防治模块、砍收模块、种茎处理模块；
[0052] 时序模块，用于体现按时序模拟的甘蔗种植生长过程；
[0053] 错误处理模块，用于根据不当的操作方式报警，并提供关于正确操作的视频和文字内容。
[0054] 其中，所述甘蔗模型库，包括甘蔗
幼苗期、分蘖期、伸长期、成熟期模型及甘蔗种茎；
[0055] 所述农机模型库，包括犁地机、平地机、开垄机、施肥机、施药机及收割机；
[0056] 所述肥料模型库，包括
有机肥、磷、
钾化肥、氮素化肥及
土壤改良剂；
[0057] 所述病害模型库，包括病害表和对应的模型纹理素材，包括凤梨病、赤腐病、黑穗病、黄斑病、梢腐病、螟虫、绵
蚜虫、蔗龟及蓟
马；
[0058] 所述药剂模型库，由药剂表和对应的模型
包装组成，包括有多菌灵、苯莱特、甲
氧乙氯汞、苯菌灵
可湿性粉剂、
波尔多液、杀螟丹、乙酰甲胺磷、呋喃丹颗粒剂及杀螟松；
[0059] 所述甘蔗种植地块模型库，包括黄壤土、冲积土、水稻土和紫色土块模型。
[0060] 其中，所述土壤选择模块，用于选择不同的土壤模块；
[0061] 所述犁地模块，用于根据航道的选择模拟犁地驾驶；
[0062] 所述开垄模块，用于根据航道的选择模拟开垄驾驶；
[0063] 所述施肥模块，用于根据施肥的定时提醒选择施肥肥料和施肥量；
[0064] 所述病虫害防治模块，用于根据病害特征选择病害防治药品；
[0065] 所述砍收模块，用于根据
鼠标箭头的控制，模拟对甘蔗进行砍收的过程；
[0066] 所述种茎处理模块，用于根据鼠标箭头的控制，模拟对甘蔗进行剥叶鞘、砍种、消毒和催芽的过程。
[0067] （三）有益效果
[0068] 本发明至少具有如下有益效果：
[0069] 本发明结合二三维动画以及场景渲染技术，建立甘蔗种植3D互动
可视化系统，对甘蔗种植整个生命周期进行3D互动可视化整合。本发明提供的系统有效整合甘蔗生长过程管理所涉及的农学知识，并通过二三维结合的互动形式以及较强的真实感绘制技术进行互动仿真表达，从而为甘蔗种植教学提供较好的虚拟互动
电子教科书，增强学生学习兴趣、提高动手能力，又可以降低甘蔗种植培训成本。
附图说明
[0070] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
[0071] 附图1是本发明实施例中一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统的建模方法的
流程图；
[0072] 图2是本发明实施例中建立甘蔗种植3D互动可视系统的流程图；
[0073] 图3是本发明实施例中一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统的结构图；
[0074] 图4是本发明实施例中甘蔗种植生长定时触发事件的列表。
具体实施方式
[0075] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0076] 参见图1，为本发明实施例中一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统的建模方法，该方法包括如下步骤：
[0077] 步骤101：根据甘蔗种植技术，对甘蔗种植过程所需要的模型库进行三维建模。
[0078] 本步骤中，所述的甘蔗种植过程所需要的模型库包括：甘蔗模型库、农机模型库、肥料模型库、病害模型库、药剂模型库和甘蔗种植地块模型库。
[0079] 步骤102：根据甘蔗种植技术，建立甘蔗种植知识关联库。
[0080] 本步骤中，所述的甘蔗种植知识关联库，包括施肥配置约束模型库、整地开垄约束数据库、下种方式约束数据库、病害防治约束数据库、生长发育与气候条件约束数据库和种茎处理约束数据库。
[0081] 步骤103：根据甘蔗种植规程，结合二三维动画及场景渲染技术，建立甘蔗种植3D互动可视系统。
[0082] 其中，如图2所示，建立甘蔗种植3D互动可视系统包括如下步骤：
[0083] 步骤201：基于动画技术，建立土壤选择模块。具体包括：
[0084] （1）对甘蔗适宜生长的不同土壤模型进行建模，包括黄壤土、冲积土、水稻土和紫色土；
[0085] （2）对土壤模型的表面、切面部分进行纹理赋值；
[0086] （3）利用动画旋转土壤模块。
[0087] 步骤202：基于采样点动态扰动的Nurbs曲面，对犁地进行建模。整地细分为犁地、平地和开垄三部分，是甘蔗种植过程的重要互动部分以及可视化表达的重要环节，涉及到三维场景的
拖拉机驾驶、作业过程地表可视化，其中作业过程地表可视化，即地形实时绘制以及地表贴图实时绘制的真实感效果直接影响学习者体验效果。犁地地形的特征为：整体分块，局部因土壤土质松软的不同有不同程度的裂变。且利用Nurbs（Non-Uniform Rational B-Splines）曲面控制点可编辑特征，进行基于采样点动态扰动的Nurbs曲面犁地可视化建模，使犁地过程仿真取得较好的可视化效果。
[0088] 则本步骤具体包括：
[0089] （1）通过三维数字化仪对刚犁完的局部地块进行三维数据获取，转化为用于Nurbs曲面生成的控制点；
[0090] （2）根据Nurbs曲面控制点动态扰动因子，对Nurbs曲面进行重构，形成翻地地形网格；
[0091] （3）根据曲面计算UV，对翻地地块模型赋值翻地贴图纹理；
[0092] 步骤203：基于椭球曲面的可调节参数模拟甘蔗开垄。根据甘蔗种植技术规程要求，甘蔗开垄垄沟的深度以及宽度是开垄的主要技术参数。本步骤具体包括：
[0093] （1）锁定椭球面Y轴方向，调节X轴、Z轴球面半径，形成垄切面坡度；
[0094] （2）设置椭球球心位置，调节垄深；
[0095] （3）根据调节好的椭球模型，沿Y轴对地形继续开垄网格处理，同时改变垄沟纹理；
[0096] 步骤204：基于粒子系统，建立田间施肥模块。在甘蔗生长过程中，需要进行至少3次施肥处理，分别是，施基肥、施攻茎肥以及施壮尾肥，按照甘蔗种植技术规程，在不同时期施肥肥料以及施肥量有所不同。本步骤具体包括：
[0097] （1）根据甘蔗生长的时间段设置施肥自动提醒；
[0098] （2）基于甘蔗施肥配置约束模型库，提供施肥肥料及施肥量的交互配置；
[0099] （3）基于粒子系统，对田间施肥进行仿真模拟；
[0100] 步骤205：基于粒子系统，建立病虫害防治模块。在甘蔗生长过程中，病害防治工作是田间管理的重要工作之一，甘蔗在苗期、分蘖期、伸长期以及成熟期都有可能有病虫害发生。本步骤具体包括：
[0101] （1）为各生长时期病害的发生设置随机函数，随机函数给出发病几率和发病类型，并设置病害发生的自动提醒；
[0102] （2）基于甘蔗病害防治约束数据库，为甘蔗植株叶片动态置换病虫害叶片纹理；
[0103] （3）基于甘蔗病害防治约束数据库，提供病害防治药品选择及配置；
[0104] （4）基于粒子系统，对田间施药进行仿真模拟；
[0105] 步骤206：基于动画技术，对甘蔗砍收进行模拟。现代甘蔗砍收采用器械一体化砍收设备进行，甘蔗砍收过程包括：分离叶片、齐根砍断、甘蔗分段、自动装车四个步骤，利用3DMax调节各动画环节，并在砍收设备运行后方，留下甘蔗根头模型，提高真实感效果。
[0106] 步骤207：基于二三维交互技术，建立种茎处理模块。种茎处理包括四个环节：剥叶鞘、砍种、消毒和催芽四个技术环节，二三维结合的交互是利用射线法，鼠标拾取三维场景中的三维模型，对三维模型进行、旋转、平移、缩放、分离、融合等操作。本步骤具体包括：
[0107] （1）仿真剥叶鞘的效果；
[0108] 剥叶鞘，改变鼠标箭头，变为小手状，鼠标拾取甘蔗茎上部叶鞘，通过拖拉叶鞘，使叶鞘从甘蔗茎上剥离，达到仿真剥叶鞘的效果。
[0109] （2）仿真甘蔗砍种的过程；
[0110] 砍种，改变鼠标箭头，变为砍刀形状，通过鼠标在甘蔗种茎上划过，模拟甘蔗砍种效果，由于砍种点为种茎芽处且相隔一
节距离，所以砍种位置要在正确的位置，不然系统提示操作失败。
[0111] （3）仿真甘蔗种茎消毒过程；
[0112] 消毒，改变鼠标箭头，变为小手状，把经过砍种处理的种茎，
拖放到消毒池内，且在消毒池旁设立时钟，用以模拟甘蔗种茎消毒过程。
[0113] （4）仿真甘蔗种茎催芽过程。
[0114] 催芽，改变鼠标箭头，变为小手状，在经过消毒的种茎上面铺盖秸秆，进行萌发催芽，设立时钟，用以模拟甘蔗种茎催芽过程。
[0115] 步骤104：根据甘蔗的种植生长技术规程设定，按时序仿真甘蔗的种植生长过程。
[0116] 甘蔗种植分为秋植甘蔗以和春植甘蔗，一般生长时期为9到12个月。基于时序驱动的甘蔗种植模拟，是按照甘蔗的种植生长技术规程设定，按时序模拟甘蔗的整个种植生长过程，增强用户虚拟种植的体验效果。则本步骤具体包括如下步骤：
[0117] （1）依据甘蔗种植生长技术规程，建立甘蔗生长时间表；
[0118] （2）设定甘蔗时间种植生长时序与模拟生长时序之间的比例关系；例如，甘蔗生长实际需要250天，那么在
计算机系统中，每天用2秒代替；
[0119] （3）建立动态日历以及甘蔗种植生长触发器。
[0120] 动态日历根据上述两个步骤给出的条件，在系统中定时给出日历更换，甘蔗种植生长触发器用于定时触发种植生长时间，定时触发事件列表如图4所示。
[0121] 步骤105：根据不当的操作方式提供报警功能，并提供关于正确操作的视频和文字内容。
[0122] 本步骤中，为了便于用户在进行虚拟体验
教程学习过程中，对于交互处理部分，当使用不当的方式进行操作时，系统提供报警功能，告知用户使用了不科学的种植方式，并提供用户通过观看甘蔗种植视频、文字教程进行学习，达到“看动画，学知识，玩游戏，长技能”的效果。
[0123] 如图3所示，为本发明实施例中采用上述实施例中的建模方法所建立的甘蔗种植教学实训系统，该系统包括甘蔗种植模型库、甘蔗种植知识关联库、甘蔗种植3D互动可视系统、时序模块以及错误处理模块；
[0124] 甘蔗种植模型库（即模型层），用于存储甘蔗种植过程中所需的模型，包括甘蔗模型库、农机模型库、肥料模型库、病害模型库、药剂模型库和甘蔗种植地块模型库。其中，所述甘蔗模型库，包括甘蔗幼苗期、分蘖期、伸长期、成熟期模型及甘蔗种茎；所述农机模型库，包括犁地机、平地机、开垄机、施肥机、施药机及收割机；所述肥料模型库，包括有机肥、磷、钾化肥、氮素化肥及
土壤改良剂；所述病害模型库，包括病害表和对应的模型纹理素材，包括凤梨病、赤腐病、黑穗病、黄斑病、梢腐病、螟虫、绵蚜虫、蔗龟及蓟马；所述药剂模型库，由药剂表和对应的模型包装组成，包括有多菌灵、苯莱特、甲氧乙氯汞、苯菌灵可湿性粉剂、波尔多液、杀螟丹、乙酰甲胺磷、呋喃丹颗粒剂及杀螟松；所述甘蔗种植地块模型库，包括黄壤土、冲积土、水稻土和紫色土块模型。
[0125] 甘蔗种植知识关联库（即数据层），用于存储甘蔗种植技术相关知识，包括施肥配置约束模型库、整地开垄约束数据库、下种方式约束数据库、病害防治约束数据库、生长发育与气候条件约束数据库和种茎处理约束数据库。
[0126] 甘蔗种植3D互动可视系统，用于根据操作模拟甘蔗种植过程，包括土壤选择模块、犁地模块、开垄模块、施肥模块、病虫害防治模块、砍收模块、种茎处理模块。其中，所述土壤选择模块，用于选择不同的土壤模块；所述犁地模块，用于根据航道的选择模拟犁地驾驶；所述开垄模块，用于根据航道的选择模拟开垄驾驶；所述施肥模块，用于根据施肥的定时提醒选择施肥肥料和施肥量；所述病虫害防治模块，用于根据病害特征选择病害防治药品；所述砍收模块，用于根据鼠标箭头的控制，模拟对甘蔗进行砍收的过程；所述种茎处理模块，用于根据鼠标箭头的控制，模拟对甘蔗进行剥叶鞘、砍种、消毒和催芽的过程。
[0127] 时序模块，用于体现按时序模拟的甘蔗种植生长过程。
[0128] 错误处理模块，用于根据不当的操作方式报警，并提供关于正确操作的视频和文字内容。
[0129] 上述甘蔗种植3D互动可视系统、时序模块及错误处理模块构成系统的互动仿真层。
[0130] 本发明实施例结合二三维动画以及场景渲染技术，建立甘蔗种植3D互动可视化系统，对甘蔗种植整个生命周期进行3D互动可视化整合。本发明实施例提供的系统有效整合甘蔗生长过程管理所涉及的农学知识，并通过二三维结合的互动形式以及较强的真实感绘制技术进行互动仿真表达，从而为甘蔗种植教学提供较好的虚拟互动电子教科书，增强学生学习兴趣、提高动手能力，又可以降低甘蔗种植培训成本。
[0131] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
