虛擬現(xiàn)實(VR)技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用

張鵬

[摘? ? ? ? ? ?要]? 目的：在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中利用虛擬現(xiàn)實技術，開發(fā)農(nóng)業(yè)虛擬資源，并融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理，為提升農(nóng)業(yè)信息技術水平提供實踐經(jīng)驗。方法：分析虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展現(xiàn)狀，提煉出三維實時建模技術、數(shù)據(jù)采集技術、立體顯示和傳感器技術、交互應用技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用途徑，總結出軟硬件條件建設的基本要求，并對應用前景進行展望。結論：虛擬現(xiàn)實技術不僅可以節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理成本，使其價值最大化，還可以很好地傳承農(nóng)耕文化，是當前農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的新趨勢和方向。

[關? ? 鍵? ?詞]? 虛擬現(xiàn)實技術;農(nóng)耕文化;現(xiàn)代農(nóng)業(yè);關鍵技術;應用

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）24-0188-02

自2016年以來，基于“產(chǎn)教融合”“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”、人工智能等研究背景下，虛擬現(xiàn)實技術（VR）在各行各業(yè)快速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)相關領域應用也初現(xiàn)成效，主要體現(xiàn)在農(nóng)牧業(yè)虛擬現(xiàn)實體驗、展覽展示、虛擬仿真、農(nóng)業(yè)資源開發(fā)等。近年來，虛擬現(xiàn)實技術已成為智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展研究的重點方向。2018年12月25日，工信部發(fā)布了《關于加快推進虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，在該政策指導下，虛擬現(xiàn)實技術在提升農(nóng)業(yè)信息化水平方面起到了至關重要的作用，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟及其衍生產(chǎn)品的開發(fā)提供了創(chuàng)新思路，如虛擬農(nóng)耕文化體驗，包含虛擬農(nóng)場種植、經(jīng)營、管理、采摘、交易、虛擬動物養(yǎng)殖與解剖、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科普教育等，這些都成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展新的經(jīng)濟增長點。

一、虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）概述

VR（Virtual Reality 虛擬現(xiàn)實，含增強現(xiàn)實AR、混合現(xiàn)實MR），融合應用新型顯示、傳感器、眼動儀、人工智能和大數(shù)據(jù)等領域技術，能夠拓展人類的感知邊界，改變商業(yè)形態(tài)和服務模式。[1]虛擬現(xiàn)實（VR）技術作為當前最熱門的計算機應用技術，綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、人機交互技術、網(wǎng)絡技術、三維技術、顯示技術等，核心是三維建模與仿真技術、人機交互技術，利用計算機多維信息空間，創(chuàng)建一個虛擬信息環(huán)境，使人有身臨其境的沉浸式體驗，利用紅外線或者VR專用硬件設備，實現(xiàn)人機互動，完成系列虛擬動作。虛擬現(xiàn)實技術能夠全方位調(diào)動體驗者的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感觀。

二、國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術在農(nóng)業(yè)領域的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是信息技術與大農(nóng)業(yè)深度融合的產(chǎn)物，由于涉及的學科眾多，需要投入大量的人力、財力，包括高水平的三維技術人才、程序設計人才、農(nóng)業(yè)專家等。它充分應用計算機網(wǎng)絡技術、移動網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感技術、音視頻技術、無線通信技術等，結合農(nóng)業(yè)專家智慧知識，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)遠程可視化診斷、控制、預警、治療等管理。[2]我國在1996年11月國家“863計劃”中提出了虛擬農(nóng)業(yè)的概念，并將虛擬農(nóng)業(yè)列為“863”先期啟動計劃。從當前各行各業(yè)應用情況來看，VR技術在農(nóng)業(yè)信息化應用中有部分研究屬于初級應用研究，例如在農(nóng)業(yè)虛擬實驗室中的應用、在農(nóng)業(yè)機器人操作上的應用。

從國際上來看，1968年荷蘭生物和植物學家Aristid Lindenmayer提出的L-系統(tǒng)[3]，其主要用于植物生長過程建模;美國的Clausnitzer和Hopmans利用有限元的方法進行了三維根的生長和瞬時土壤水流的模擬建模[4]，并編程實現(xiàn)了模型。法國農(nóng)業(yè)開發(fā)國際研究中心研制了AMAP（Advanced Modeling of Architecture of Plant）模型。但這些模型缺乏生物學特性，忽視了環(huán)境方面的問題，不適合在農(nóng)業(yè)中應用。

三、虛擬現(xiàn)實關鍵技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用途徑

虛擬現(xiàn)實的主要技術趨勢是在“邊緣”（收集數(shù)據(jù)的源頭），而不是集中在云中進行數(shù)據(jù)處理和分析。[5]虛擬現(xiàn)實在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中如何有效地應用，其關鍵技術主要包含植物生長模型，水、肥、溫度、濕度、有機質(zhì)、病蟲害等環(huán)境的建立，根據(jù)植物葉片顏色、生長狀態(tài)的變化來診斷病蟲害以及自動防御等。在休閑農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)領域，如何利用虛擬現(xiàn)實技術，讓體驗者百分百深入沉浸式體驗，感受作物栽種、管理、觀光、采摘等。

（一）三維實時建模技術

三維實時建模的關鍵技術包含動態(tài)環(huán)境建模技術、動態(tài)場景實時繪制技術、沉浸式三維動作捕捉系統(tǒng)、虛擬攝影棚技術（圖像摳像技術）等。動態(tài)環(huán)境建模技術在計算機圖形學中，指獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需求建立相應的虛擬環(huán)境模型。應用Agisoft Photoscan Professional 三維重建軟件，利用多視圖三維重建技術，對搜集到的農(nóng)業(yè)特征平面素材生成真實坐標的三維模型。

（二）數(shù)據(jù)采集技術

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應用中，數(shù)據(jù)獲取主要有靜態(tài)、動態(tài)及三維重建三個途徑。根據(jù)農(nóng)作物的生長過程、病蟲害高發(fā)期、不同病蟲害圖片特征，分別采集圖片樣本，便于后期虛擬資源庫制作。例如茄子生長期綜合管理，在數(shù)據(jù)采集時就需要分為三個部分，即定植前管理（包含溫度、濕度、立枯病、萃倒病、蚜蟲）、結果前期管理（包含溫度、濕度、穩(wěn)株、搭建高產(chǎn)骨架、整枝、水費管理）、結果盛期管理（包含水肥供應、光照、褐紋病、綿疫病、白粉虱、黃萎病等），采集豐富的生長、病例特征資源，利用三維實時建模技術，進行資源庫的建立。

（三）立體顯示和傳感器技術

立體顯示主要是基于人的視覺系統(tǒng)，從側視網(wǎng)膜圖象差、運動視差、圖象大小差異、紋理梯度四個方面得到深度知覺的。目前立體顯示技術都是基于雙目視差來實現(xiàn)的。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的核心技術是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，其中傳感器的研發(fā)是核心。在眾多傳感器中，光纖傳感器、無線傳感器由于成本低、組網(wǎng)節(jié)點豐富且安全可靠，可以有效對土壤含水量、溫度、濕度、pH值、二氧化碳濃度等進行實時監(jiān)控。實時更新的數(shù)據(jù)能對虛擬現(xiàn)實模擬仿真提供精確的參考數(shù)據(jù)，把捕捉到的數(shù)據(jù)信息植入虛擬現(xiàn)實場景中，達到還原現(xiàn)實的效果。

（四）交互應用技術

當前主流的虛擬現(xiàn)實交互開發(fā)平臺主要有Unity 3D（效果優(yōu)勢、開發(fā)便捷性、硬件系統(tǒng)適應性，適合2～20人團隊），Unreal 4和CryEngine（大型游戲引擎，效果逼真，但開發(fā)周期長），Virtools、 EON、Quest3D（比較早期的引擎，硬件支持相對完善）。重要的技術指標為視覺、觸覺、頭部跟蹤、延遲跟蹤、GPU性能標準、真實感。

四、虛擬現(xiàn)實體驗條件建設的基本要求

（一）硬件條件建設

室內(nèi)虛擬體驗場地最低要求為80m2，室外場地根據(jù)實際需求情況而定。智能溫室大棚、高清攝像頭、智能傳感器、網(wǎng)絡及相關設備、高性能計算機、視覺現(xiàn)實設備（如3D展示系統(tǒng)、大型投影系統(tǒng)、頭戴式立體顯示器等）、聲音設備（如三維聲音系統(tǒng)以及非傳統(tǒng)意義的立體聲）、交互設備（如位置追蹤儀、數(shù)據(jù)手套、3D輸入設備、動作捕捉設備、眼動儀、力反饋設備以及其他交互設備）。

（二）軟件條件建設

項目開發(fā)團隊、管理團隊組建，智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、智能診斷系統(tǒng)、虛擬交互開發(fā)系統(tǒng)、引擎系統(tǒng)等，各自系統(tǒng)間要兼容。

五、結論

虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用是農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的高級階段，是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展創(chuàng)新模式和新的經(jīng)濟增長點，也是當前農(nóng)耕文化體驗、農(nóng)耕文化科普教育最好的途徑之一。虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用，不僅可以較好地節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全，還可以使農(nóng)業(yè)衍生產(chǎn)品得到較好的開發(fā)利用，為地方經(jīng)濟文化建設服務，如鄉(xiāng)村旅游、虛擬農(nóng)場體驗、農(nóng)業(yè)文化創(chuàng)意等，這些都是未來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展前景非常好的項目。雖然目前只是小范圍的實驗，要大范圍推廣還面臨許多現(xiàn)實問題需要解決，比如虛擬現(xiàn)實項目建設軟硬件投入資金較大，涉及許多學科的交叉融合，如農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感技術、農(nóng)作物生產(chǎn)模型等。

參考文獻：

[1]曹凡.國內(nèi)外VR技術研發(fā)現(xiàn)狀綜述[J].中國科技信息，2019（5）：39-40.

[2]李曉兵，唐平，吳健.智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵及其發(fā)展存在的問題[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（20）：276，280.

[3]Przemyslaw prusinkiewics，Martin de boer. Obituary aristid Lindenmayer（1925-1989）[J].International Journal of General Systems，1991，18（4）：289-290.

[4]溫維亮，郭新宇，趙春江，等.作物根系構型三維探測與重建方法研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2015，48（3）：436-448.

[5]王瑩，王金旺.VR/AR的核心技術突破[J].電子產(chǎn)品世界，2018，25（7）：12-15.

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