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林業VR技術應用案例林業VR技術應用案例—以木材力學性能測試為例，虛擬現實是當前最為熱門的技術之一，與林業的結合有着至關重要的作用。本應用案例重點解決了林業虛擬仿真過程中三維建模技術與動態仿真算法，特別是樹林數字孿生在虛擬世界與真實世界之間建立了一道數據雙向流動的橋樑。2016年北京林業大學正式本技術到教學應用推廣中。

本林業VR技術應用案例以木材力學性能測試為例。實時模擬材料的形變與斷裂現象一直是計算機圖形學的一大研究領域。其中，如何表示形變材料的幾何結構、如何定義形變與斷裂的物理表達形式以及如何達到實時模擬的要求等是可形變材料物理模擬重點解決的問題。木材作為生物材料，其力學性質包括彈性、塑性、蠕變、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗減強度等。對木材力學性能的探究便於木材的選取、利用。

二、主要解決的問題

通過VR仿真形式，了解木材的力學性質特點及其影響因素，了解木材力學性質的種類、受力方式及測定方法。根據實際情況，模擬木材在外力作用下變形和破壞的視覺表現形式，特別是提供了一種對真實樹木力學原理進行驗證的機制。

三、技術要點

1、 模型製作

1.1 萬能力學試驗機根據實物參考，萬能力學試驗機型號WDW-100EⅢ，高2.1m，寬1m，厚0.3m，左右兩邊支撐柱均為0.2m，下底部分為0.9m。

1.2 木材抗彎試驗，我國國家標準規定採用一次衝擊試驗法。試樣尺寸為20×20×300mm，這裡選取彎曲試樣的橫截面為30×30mm，長度為450mm。抗壓測試選取30×30×120mm抗拉測試選取20×20×300mm

2 程序實現

2.1 場景搭建從3dsMax中導出模型，將模型零部件編號，便於區分，全選模型後，導出->導出選定對象，選擇FBX格式(FBX格式是一種3D通用模型文件。包含動畫、材質特性、貼圖、骨骼動畫、燈光、攝像機等信息,FBX格式支持法線和貼圖坐標。貼圖以及坐標信息都可以存入FBX文件中，文件導入後不需要手動指認貼圖以及調整貼圖坐標。),取消勾選「動畫」「攝像機」「燈光」，勾選「嵌入的媒體」。

2.2 UI設計

2.2.1 logo設計為了體現木材力學性能，以木材斷裂為表現形式，將圖像修改為圓形，保存為png格式（png格式有透明通道），便於顯示。將圖片導入unity中，設置Texture Type為Sprite(2D and UI)，點擊Apply應用。最後將logo拖入場景左下角。

2.2.2 背景設計背景圖片選擇玻璃質感（網圖），「開始」「退出」按鈕如下。(起初想將開始界面設計為毛玻璃的形式，進入程序時背後的場景虛化，點擊開始後場景逐漸回復，但考慮到應用的複雜性選擇了其他方案。

2.2.3 按鈕設計為了便於觀察測試過程，將按鈕位置避開觀察視角。

2.3 邏輯設計

2.3.1 運行過程設計點擊「開始」後進入主視角，該程序設計了三個測試環節，分別為「抗拉測試」、「抗壓測試」和「抗彎測試」，進入每個測試後會選擇樹種，提供三種樹種「銀杏」、「杉木」和「紅木」，每種樹種包含「橫紋」和「順紋」特性。測試點擊後會出現相應的測試窗口，樹種點擊後會出現相應紋理的木材。點擊start開始運行，stop停止運行，運行時初始力為10N，屏幕右側會顯示力的大小，當機器接觸木材後，力開始逐漸加大，當到達破壞木材的力時木材被破壞，機器停止，顯示Compare按鈕，點擊按鈕可比較木材破壞前後的差異。每個時刻點擊左上角的返回按鈕都會返回到主視角。這裡以「抗彎測試」->「銀杏」->「橫紋」為例。

2.3.2 場景跳轉整個場景在一個scene中，只是攝像機的跳轉，不涉及場景的切換。進入程序後，主視角可顯示萬能力學試驗機，每個測試環節有相應的攝像機視角，最後的compare也是一個單獨的視角。這裡通過按鈕邏輯進行攝像機的跳轉，每次點擊返回按鈕都會切換為主視角。

2.3.3 物體生成或銷毀該程序應用在一個萬能力學試驗機上，因此視角不同需要顯示不同的實驗器材和不同的木材紋理。不同器材對應的木材位置也不同，則需要將木材在場景中固定位置，通過邏輯實現顯現或隱藏。生成斷裂木材clone預製體也需要在視角切換後效果，點擊compare後需要將原木材和斷裂木材克隆，生成在視角指定位置，同樣切換視角後克隆體會銷毀。以「抗彎測試」->「銀杏」->「橫紋」為例。

四、應用成效

該技術主要模擬「抗彎測試」、「抗壓測試」和「抗拉測試」三種測試環節。程序中的木材測試主要使用銀杏木，添加了橫紋和順紋特徵。程序運行過程可以明顯觀察到木材的形變、斷裂，可以通過調節參數達到不同的形變和斷裂效果，實驗結果和視覺效果與實際情況比較相符，可以擴展到其他的木材。

五、適用範圍

實驗中對順紋的模擬效果還有待提升，實驗只通過模型模擬了斷裂面的視覺效果，沒有實現實時的順紋斷裂情況。實驗中使木材彎曲和斷裂時的力的大小也是根據視覺效果進行調節，跟真實情況存在差異。