一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统及其建模方法技术方案

本发明专利技术提供一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统的建模方法，包括：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；根据甘蔗种植技术，建立甘蔗种植知识关联库；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；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；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。本发明专利技术还提供了基于上述方法建立的甘蔗种植教学实训系统，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。本发明专利技术利用计算机3D仿真虚拟现实技术对甘蔗虚拟教学培训系统进行建模。

【技术实现步骤摘要】
一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统及其建模方法
本专利技术涉及农业
，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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
（一）解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术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。（二）技术方案为了实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：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：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；根据甘蔗种植技术，建立甘蔗种植知识关联库；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；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；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。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。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。其中，所述建立甘蔗种植3D互动可视系统，具体包括：S1：基于动画技术，建立土壤选择模块，具体包括：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；S12：对土壤模型的表面、切面部分进行纹理赋值；S13：利用动画旋转土壤模块；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：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；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；S23：根据曲面计算UV，对翻地地块模型赋值翻地贴图纹理；S3：基于椭球曲面的可调节参数模拟甘蔗开垄，具体包括：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；S32：设置椭球球心位置，调节垄深；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；S4：基于粒子系统，建立田间施肥模块，具体包括：S41：根据甘蔗生长的时间段设置施肥自动提醒；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；S43：基于粒子系统，对田间施肥进行仿真模拟；S5：基于粒子系统，建立病虫害防治模块，具体包括：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；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；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；S54：基于粒子系统，对田间施药进行仿真模拟；S6：基于动画技术，对甘蔗砍收进行模拟；S7：基于二三维交互技术，建立种茎处理模块，具体包括：S71：仿真剥叶鞘的效果；S72：仿真甘蔗砍种的过程；S73：仿真甘蔗种茎消毒过程；S74：仿真甘蔗种茎催芽过程。其中，所述按时序模拟甘蔗的种植生长过程，具体包括：依据甘蔗种植生长技术规程，建立甘蔗生长时间表；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；建立动态日历以及甘蔗种植生长触发器。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；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；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；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；时序模块，用于体现按时序模拟的甘蔗种植生长过程；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。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。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。（三）有益效果本专利技术至少具有如下有益效果：本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统的建模方法，其特征在于，该方法包括：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；根据甘蔗种植技术，建立甘蔗种植知识关联库；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；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；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。

【技术特征摘要】
1.一种甘蔗种植3D交互虚拟教学实训系统的建模方法，其特征在于，该方法包括：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；根据甘蔗种植技术，建立甘蔗种植知识关联库；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；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；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；其中，所述按时序仿真甘蔗的种植生长过程，具体包括：依据甘蔗种植生长技术规程，建立甘蔗生长时间表；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；建立动态日历以及甘蔗种植生长触发器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立甘蔗种植3D互动可视系统，具体包括：S1：基于动画技术，建立土壤选择模块，具体包括：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；S12：对土壤模型的表面、切面部分进行纹理赋值；S13：利用动画旋转土壤模块；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：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；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；S23：根据曲面计算UV，对翻地地块模型赋值翻地贴图纹理；S3：基于椭球曲面的可调节参数模拟甘蔗开垄，具体包括：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；S32：设置椭球球心位置，调节垄深；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；S4：基于粒子系统，建立田间施肥模块，具体包括：S41：根据甘蔗生长的时间段设置施肥自动提醒；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；S43：基于粒子系统，对田间施肥进行仿真模拟；S5：基于粒子系统，建立病虫害防治模块，具体包括：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；S52：基于甘蔗病害防治...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴升，郭新宇，雷艳，王虓，王殿亮，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11