林业VR技术应用案例

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林业VR技术应用案例林业VR技术应用案例—以木材力学性能测试为例，虚拟现实是当前最为热门的技术之一，与林业的结合有着至关重要的作用。本应用案例重点解决了林业虚拟仿真过程中三维建模技术与动态仿真算法，特别是树林数字孪生在虚拟世界与真实世界之间建立了一道数据双向流动的桥梁。2016年北京林业大学正式本技术到教学应用推广中。

本林业VR技术应用案例以木材力学性能测试为例。实时模拟材料的形变与断裂现象一直是计算机图形学的一大研究领域。其中，如何表示形变材料的几何结构、如何定义形变与断裂的物理表达形式以及如何达到实时模拟的要求等是可形变材料物理模拟重点解决的问题。木材作为生物材料，其力学性质包括弹性、塑性、蠕变、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗减强度等。对木材力学性能的探究便于木材的选取、利用。

目录

二、主要解决的问题

通过VR仿真形式，了解木材的力学性质特点及其影响因素，了解木材力学性质的种类、受力方式及测定方法。根据实际情况，模拟木材在外力作用下变形和破坏的视觉表现形式，特别是提供了一种对真实树木力学原理进行验证的机制。

三、技术要点

1、 模型制作

1.1 万能力学试验机根据实物参考，万能力学试验机型号WDW-100EⅢ，高2.1m，宽1m，厚0.3m，左右两边支撑柱均为0.2m，下底部分为0.9m。

1.2 木材抗弯试验，我国国家标准规定采用一次冲击试验法。试样尺寸为20×20×300mm，这里选取弯曲试样的横截面为30×30mm，长度为450mm。抗压测试选取30×30×120mm抗拉测试选取20×20×300mm

2 程序实现

2.1 场景搭建从3dsMax中导出模型，将模型零部件编号，便于区分，全选模型后，导出->导出选定对象，选择FBX格式(FBX格式是一种3D通用模型文件。包含动画、材质特性、贴图、骨骼动画、灯光、摄像机等信息,FBX格式支持法线和贴图坐标。贴图以及坐标信息都可以存入FBX文件中，文件导入后不需要手动指认贴图以及调整贴图坐标。),取消勾选“动画”“摄像机”“灯光”，勾选“嵌入的媒体”。

2.2 UI设计

2.2.1 logo设计为了体现木材力学性能，以木材断裂为表现形式，将图像修改为圆形，保存为png格式（png格式有透明通道），便于显示。将图片导入unity中，设置Texture Type为Sprite(2D and UI)，点击Apply应用。最后将logo拖入场景左下角。

2.2.2 背景设计背景图片选择玻璃质感（网图），“开始”“退出”按钮如下。(起初想将开始界面设计为毛玻璃的形式，进入程序时背后的场景虚化，点击开始后场景逐渐回复，但考虑到应用的复杂性选择了其他方案。

2.2.3 按钮设计为了便于观察测试过程，将按钮位置避开观察视角。

2.3 逻辑设计

2.3.1 运行过程设计点击“开始”后进入主视角，该程序设计了三个测试环节，分别为“抗拉测试”、“抗压测试”和“抗弯测试”，进入每个测试后会选择树种，提供三种树种“银杏”、“杉木”和“红木”，每种树种包含“横纹”和“顺纹”特性。测试点击后会出现相应的测试窗口，树种点击后会出现相应纹理的木材。点击start开始运行，stop停止运行，运行时初始力为10N，屏幕右侧会显示力的大小，当机器接触木材后，力开始逐渐加大，当到达破坏木材的力时木材被破坏，机器停止，显示Compare按钮，点击按钮可比较木材破坏前后的差异。每个时刻点击左上角的返回按钮都会返回到主视角。这里以“抗弯测试”->“银杏”->“横纹”为例。

2.3.2 场景跳转整个场景在一个scene中，只是摄像机的跳转，不涉及场景的切换。进入程序后，主视角可显示万能力学试验机，每个测试环节有相应的摄像机视角，最后的compare也是一个单独的视角。这里通过按钮逻辑进行摄像机的跳转，每次点击返回按钮都会切换为主视角。

2.3.3 物体生成或销毁该程序应用在一个万能力学试验机上，因此视角不同需要显示不同的实验器材和不同的木材纹理。不同器材对应的木材位置也不同，则需要将木材在场景中固定位置，通过逻辑实现显现或隐藏。生成断裂木材clone预制体也需要在视角切换后效果，点击compare后需要将原木材和断裂木材克隆，生成在视角指定位置，同样切换视角后克隆体会销毁。以“抗弯测试”->“银杏”->“横纹”为例。

四、应用成效

该技术主要模拟“抗弯测试”、“抗压测试”和“抗拉测试”三种测试环节。程序中的木材测试主要使用银杏木，添加了横纹和顺纹特征。程序运行过程可以明显观察到木材的形变、断裂，可以通过调节参数达到不同的形变和断裂效果，实验结果和视觉效果与实际情况比较相符，可以扩展到其他的木材。

五、适用范围

实验中对顺纹的模拟效果还有待提升，实验只通过模型模拟了断裂面的视觉效果，没有实现实时的顺纹断裂情况。实验中使木材弯曲和断裂时的力的大小也是根据视觉效果进行调节，跟真实情况存在差异。