虚拟现实技术在树木整形修剪中的应用开发实例探讨

北京市园林绿化局综合事务中心 陈著

在人工林环境和城市森林中，为提高森林质量、调解矛盾，让树木生长符合质量预期，对树木进行科学有效的修剪整形是很重要的一项养护管理技术。合理的修剪，可以让树木产生更好的生态环境效应，可以增强枝干的通透性、树体的抗逆性能，减少病虫害发生的机会；还可以促进老树复壮，调节花果生长。人工修剪和机械修剪是常用的修剪整形手段。目前，随着信息技术的不断发展，虚拟现实技术（VR）修剪技术也逐渐成熟。相比较真实情况下树木修剪的不可逆性，树木修剪中引入VR 技术，可以多视角呈现树木修剪之后的整形效果和景观格局，提升人们对园林景观的全局把握度。

一、VR 修剪的优点和主要应用方向

（一）可反复实际操作演练，降低试错成本、节省耗材

无论是在树木修剪整形技术的教学培训还是实操考核中，树木耗材都是一笔很大的开销。所以，许多经营性苗圃不愿出借苗圃用于绿化工人培训。对在自然生境下的人工林进行修剪的试错成本就更高，容易毁树毁林。VR 技术的引入，可以把修剪整形技术要领在虚拟场景中反复操作试错，错误操作在虚拟场景中还有反馈提示，帮助绿化工人通过反复演练掌握正确的技术要领。

对树木修剪整形，以达到合适的景观效果

（二）缩短绿化工人培训周期

位于不同纬度地带的城市，绿化工人在不同季节采取的树木整形修剪措施是不同的。培训一名合格的绿化工人，至少需要一个完整的全季节周期。如果遇到特殊情况，如病虫害暴发、雪后摧折、火灾后复壮等，工人的培训周期就会更长。VR 技术的引入，不仅可以在Unity 引擎（Unity 公司开发的跨平台游戏引擎）中用3D 技术模拟指定典型地域和季节场景，还能对树木实例进行遭遇病虫害、雪灾、火灾后的状态进行模拟，帮助绿化工人对各类树种、不同地域条件、不同季节、遭遇不同状况下的树木进行合适的整形修剪，从而缩短培训周期。

（三）提升对园林景观全局把握度

在一些特殊情形下，比如对古建群中的古树名木进行修剪时，就更要谨慎，修剪不当不仅影响古树名木自身生长，也容易破坏园林景观的整体美感。此时，可以结合使用全景相机技术，将古建筑群场景导入VR 的虚拟场景，模拟进行树木修剪整形，并在3D 场景中从平视视角360 度、领空视角、地面视角和模拟太阳光源角度等不同角度进行观察，从而提升对园林景观的全局把控。

二、进行VR 开发需考虑的要素

针对不同的树木特性，要从不同的技术要素考虑，采用不同的整形修剪策略。

（一）树种发枝能力

树木萌发枝条的能力存在很大差异，例如悬铃木、女贞、柳树等具有很强的萌枝能力，耐重剪和多次修剪；而梧桐、玉兰和大部分针叶树种萌芽发枝能力较弱，应该少剪或轻度修剪。

（二）分枝特性

主轴分枝。钻天杨、毛白杨、银杏等树木都属于主轴分枝，其特点是树冠呈尖塔形或圆锥形，顶端生长优势明显。

合轴分枝。法国梧桐、泡桐、白蜡、菩提树、樱花等属于合轴分枝，其特点是易形成几个势力相当的侧枝，呈现多杈树干。

假二叉分枝。丁香、接骨木、石榴、连翘等属于假二叉分枝，其特点是树干顶梢在生长后期不能形成顶芽，下面的对生侧芽优势均衡，影响主干形成。

多歧分枝。夹竹桃、瑞香等属于多歧分枝，其特点是顶芽生长不充实。

三、虚拟现实技术的实现

本文主要结合Unity 引擎，3D Max（3D Studio Max的简称，是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件）和HTC Vive 设备（由HTC 与Valve 联合开发的一款虚拟现实头戴式显示器产品）等来模拟树木修剪整形的各个环节，探讨其实现的主要技术路线。采用其他厂商设备进行开发，其技术路线应是大同小异的。

（一）创建Unity 项目，构建森林场景

在官网下载Unity 引擎，创建一个新项目，选择3D 模板，然后开始创建。对于HTC 设备的驱动，将HTC Vive SDK 导入Unity 项目，包括Steam VR插件、VR Camera Rig 和VR Hands 等。

树木整形修剪主要分为冬季修剪和夏季修剪，可以选取高纬度地带如哈尔滨、长江以北如石家庄、长江以南如广州，三个有代表性的地域来模拟我国不同纬度地带的不同季节场景。

不同纬度场景各月的修剪内容

Forest Pack是iTool software旗下的森林插件，控制灵活、对电脑配置要求也不高，是3D Max 制作园林景观的高级插件，能快速分布植物、生成森林、制作植物雕塑、分布建筑物，等等。

Unity 资源商店（Asset Store）中也可以找到大量构建森林场景的场景素材，可以根据不同季节选择不同场景。此外，还有一些模型、动画、贴图、音效等素材资源，能帮助人们快速构建所需要的森林场景。

（二）创建树模型

使用Unity的建模工具创建一棵树模型，可以使用树形生成器或手动建模来完成。Unity 引擎模型构建功能有限，可以借助3D Max 强大的建模和动画特效功能，完成对树模型的构建，然后导入Unity引擎。根据修剪要求建立树木模型库，建立有代表性的树种，模拟各类需要进行修剪的枝条，例如畸形枝和根蘖枝等。

除此之外，可以使用3D Max的粒子系统来模拟树枝掉落的效果，也可以使用3D Max的动画曲线来控制树枝掉落的速度和方向。此外，还可以使用3D Max的材质编辑器来添加树枝掉落的纹理，以及使用3D Max 的渲染器来渲染出最终的光源和动画效果。

（三）添加交互元素

在树木整形修剪中，与树木模型主体产生交互作用的是各种修剪工具，常用的修剪工具包括：修枝剪、高枝锯、手锯、大平剪、油锯、根剪、芽剪、叶剪、刻刀等。在对实景要求不高的情况下，可以直接用图片、实物照片作为素材导入Unity引擎，以供使用；如果寻求较高的逼真性，可以像构建树模型库那样，先在3D Max 中构建工具类型，再进行材质编辑，以达到更真实的效果。

（四）编写交互脚本

为每个交互元素添加脚本，以便用户可以与树进行交互。例如，当用户使用锯子碰触树时，将显示一个UI 提示，提示用户使用手锯进行修剪。脚本会在手柄左键点击时执行锯树操作，并通过射线检测获取碰撞信息。手锯的移动速度和最大砍树距离可以通过公开变量进行调节。在砍树操作开始后，程序会将手锯移动到锯树点，然后每帧更新锯条位置并判断是否需要切断树枝。如果锯条已经达到最大距离，程序会在原树模型上销毁该树枝并结束锯树操作。

（五）编写修剪逻辑

涉及树木修剪技术领域的修剪逻辑非常多，根据不同的情况，可能要考虑切口与芽的位置、留桩的长短，疏枝定形也要考虑根系大小、风格和与周边环境的融合。可判断的逻辑非常多，这里只用留桩是否合格作为判断逻辑来举例说明在Unity引擎中如何实现。这需要编写一个算法来确定哪些部分需要修剪。可以考虑模拟真实树木的生长方式来确定哪些部分应该被剪掉。

VR 在园林教学及施工设计领域的应用案例

四、VR 目前在国内林草相关行业的应用实例

在国内，VR 技术目前在林木和果树修剪领域的应用实例还比较少，整体处于技术初探和方案整合阶段。一些相关研究和实验正在进行，例如有高校研究人员正在设计果树仿形修剪装置，并结合相关园艺要求设计布置修剪装置的作业环境和过程。在园林设计和体验领域，VR 技术已经开始应用，比如VR 观园。2017年7月，苏州拙政园建成的VR 体验馆，吸引了许多游客进行体验，是国内首例定制开发并利用VR 技术进行互动的项目。VR 体验馆主要是让游客戴上VR 眼镜，领略拙政园的春夏秋冬、庭院楼阁、树木花草、长廊、琴棋诗画等景观。一些高校设计专业开发的VR 园林课堂，直观地将园林知识展现给学生，同时鼓励学生自由、快速地创建园林作品。VR 具备高度交互感和临场感，便于方案测评和成果展示。在虚拟的三维空间中，可以实时地切换不同的方案，利用不同人不同视角，有助于比较不同植物景观配置方案的特点与不足，加速师生之间的有效沟通和交流，并可以带上数据手套、手柄等交互设备进行互动，提升学习效率。

一些高新技术公司，在智慧林业虚拟仿真领域开发了一些应用实例，旨在模仿各种森林管理情景和操作，目前已在树种识别、森林采伐计划制定、病虫害控制等领域，形成了较成熟的应用案例。在树木修剪方面，为服务绿化工职业技能大赛培训和赛制培训要求，也做了一些初步的研究和应用实践，但随着VR 技术的普及，相关应用实例一定会不断增多和成熟。

五、总结

区别于一般游戏开发，树木修剪整形VR 的开发设计环节比较关键，要在开发之初确认实现哪些整形修剪的功能性模拟，区别建立不同的季节场景下对应的修剪要素，并且还要建立技术评判标准库。这些工作也许不可能一步到位，可以先实现简单的VR 模拟功能。随着VR 开发深度增加，再不断完善。