基于Web的4D虛擬農(nóng)業(yè)發(fā)展綜述

崔曉陽

摘 要：該文對(duì)Internet環(huán)境下4D虛擬農(nóng)業(yè)的發(fā)展概況、相關(guān)概念進(jìn)行了闡述，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：4D；虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）08-124-03

4D Virtual Agriculture Developing Status Based on Web

Cui Xiaoyang

（Institues of Agriculture Information，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

Abstract：The article makes a statement to related concepts， development status of virtual agriculture based on internet environment，and also summarizes the technology of virtual reality.

Key words：4D；Virtual reality；Virtual agriculture

1 虛擬農(nóng)業(yè)發(fā)展概況

基于Web的4D虛擬農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)科研的一個(gè)重要方向，4D中的前3個(gè)“D”指的是空間三維，第4個(gè)“D”指的是Time，虛擬農(nóng)業(yè)的目的是要做到對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的完全重建。4D虛擬技術(shù)源于1965年美國科學(xué)家Sutherland首次提出的“虛擬現(xiàn)實(shí)”概念，其后發(fā)展緩慢，一直到視窗操作系統(tǒng)出現(xiàn)。

目前的農(nóng)業(yè)虛擬場(chǎng)景已然栩栩如生，看到模型的人恍如看到照片一樣（圖1、圖2）。農(nóng)業(yè)所涉及到的各個(gè)對(duì)象都是可以建模的，各個(gè)對(duì)象在不同的時(shí)間點(diǎn)也是可以建模的，各個(gè)對(duì)象之間的相互關(guān)系和影響也是可以通過程序和算法來控制的。在圖2（b）的4D玉米地中，由于虛擬引擎采取了隨機(jī)建模的方法，對(duì)組成玉米的各個(gè)部分在限制范圍內(nèi)隨機(jī)建模，無縫組合，形成了各種不同形態(tài)的玉米，農(nóng)夫在玉米地中行走，觸碰到的玉米葉子會(huì)發(fā)生抖動(dòng)等真實(shí)感很強(qiáng)的變化，若強(qiáng)力觸碰還會(huì)發(fā)生傾斜、倒伏等，地面會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，泥濘的地方會(huì)留下走過的足跡。隨著時(shí)間的推移，玉米地中的玉米模型形態(tài)會(huì)如現(xiàn)實(shí)中的玉米一樣發(fā)生變化，經(jīng)歷分蘗期、返青期、拔節(jié)期、乳熟期、蠟熟期、完熟期、枯萎期等階段，相應(yīng)的形態(tài)、顏色等都會(huì)發(fā)生變化。

圖1 虛擬農(nóng)業(yè)場(chǎng)景局部（部分收割后的的麥田）

2.6 模型外形與內(nèi)部，以及環(huán)境因子互相作用影響關(guān)聯(lián) 目前主要偏重于外觀形態(tài)的建模，內(nèi)部模型、內(nèi)部機(jī)理以及與周圍環(huán)境因子相互作用的定性、定量關(guān)系可以局部或單株深入進(jìn)行研究，但不是主要方向。

2.7 畫法建模 靠復(fù)雜的算法畫出一個(gè)模型來，是眾多研究人員的研究方向和成果，但4D引擎的開發(fā)不完全是這樣的，更多的是靠前一層軟件的支撐，做出一個(gè)模型，前一層軟件則外部接口明確，技術(shù)細(xì)節(jié)封裝，然后貼圖渲染著色打光，形成種類豐富即取即用的模型庫。

3 4D虛擬引擎

目前國內(nèi)外市場(chǎng)上的虛擬4D引擎多達(dá)上百種，上圖市場(chǎng)容量為市場(chǎng)總?cè)萘康囊徊糠?，為所有這些引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用之和，其中orge是免費(fèi)的，但使用有更嚴(yán)格的限制（圖5）。

圖5 目前主要4D虛擬引擎的市場(chǎng)占有率

4D引擎包含以下系統(tǒng)：渲染引擎、物理引擎、碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、音效、腳本引擎、電腦動(dòng)畫、人工智能、網(wǎng)絡(luò)引擎以及場(chǎng)景管理引擎等。

建模技術(shù)確實(shí)是逐步發(fā)展起來的，在Opengl和DirectX這2個(gè)API基礎(chǔ)上發(fā)展到3DMAX、MAYA、Softimage、AutoCAD等到現(xiàn)在的4D虛擬引擎（見圖6）。這是因?yàn)槿绻苯硬捎玫讓拥慕＜夹g(shù)（比如Vc6.0+Opengl或者現(xiàn)在的.net+Opengl），跳過中間的2層，建模將十分困難，所建模型也很失真。目前針對(duì)虛擬農(nóng)業(yè)的4D引擎很少，有的引擎也不好用，建立的模型真實(shí)感不夠強(qiáng)。出于農(nóng)業(yè)科研的考慮，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開發(fā)一個(gè)引擎也是可以考慮的一個(gè)立項(xiàng)依據(jù)，但開發(fā)引擎投入巨大，周期長，難度高，并且需要強(qiáng)力的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力，需要綜合考慮這些因素。如果引進(jìn)，需要考慮實(shí)際需求，引擎的購買和授權(quán)使用價(jià)格十分昂貴，便宜的不好用而又限制太多。各個(gè)引擎的功能各有側(cè)重。