虛擬現(xiàn)實技術(shù)在果樹修剪培訓中的應用研究

劉浩 楊磊 董暢 朱垣锝 高特

摘? ?要：近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正穩(wěn)步發(fā)展，也正逐漸應用到人們生活的各個方面。我國作為農(nóng)業(yè)大國，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用也是必不可少的，如農(nóng)業(yè)教學、農(nóng)作物養(yǎng)殖、果樹修剪等?；诖?，文章提出了在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用過程中，應以使用者為主體，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)在使用中的技術(shù)特性與不同使用者自身的不同特性，逐步完善虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用對策，有助于對虛擬現(xiàn)實技術(shù)更加完善、合理的運用。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);果樹修剪;農(nóng)業(yè)

早在1863—1972年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）的萌芽階段就已經(jīng)研發(fā)了應用于飛行員練習等的多種模擬器與第一款交互式電子游戲Pong。而在1973—1989年，虛擬現(xiàn)實概念的產(chǎn)生和理論初步形成階段，VPL公司的Jaron Lanier在1984年首次提出“虛擬現(xiàn)實”的概念。顧名思義，“虛擬現(xiàn)實”就是虛擬和現(xiàn)實相互結(jié)合。從理論上來講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，具有沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性、自主性的特點。時至今日VR技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、教育、設計等諸多領域，而在農(nóng)業(yè)實驗方面的應用較少。根據(jù)目前VR技術(shù)的應用可以了解到，VR技術(shù)可以提供優(yōu)質(zhì)的虛擬環(huán)境，用于實驗學習等，使用者可以通過一系列的自然動作和對象發(fā)生相互作用，可以更有效、更節(jié)約地學習、實驗。本文就VR在農(nóng)業(yè)果樹修剪方面的應用進行研究與探討。

1? ? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用三維圖形技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成形象逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設備，或者利用鍵盤、鼠標等輸入設備便可進入虛擬空間，與其中的模型、場景進行實時交互，感知和操作虛擬對象，達到身臨其境的效果[1]。

2? ? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性

2.1? 沉浸性

沉浸性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的特性，可以讓使用者身臨其境，通過優(yōu)秀的感知系統(tǒng)讓使用者可以接近真實地感知到周圍虛擬世界的刺激，包括觸覺、味覺、聽覺、運動感知等，讓使用者產(chǎn)生思維共鳴，如同進入真實世界[2]。

2.2? 交互性

交互性是使用者在虛擬世界中對周圍環(huán)境和物體的可操作程度和得到反饋的自然程度。當使用者進行某種操作時，周圍環(huán)境和物體也應該反饋給使用者相應的情況。

2.3? 多感知性

人類擁有許多感知周圍環(huán)境的方法，如觸覺、嗅覺、聽覺等，而最理想的虛擬現(xiàn)實就是能在虛擬世界為使用者提供一切真實的感受，但是由于目前技術(shù)限制，虛擬現(xiàn)實的傳感功能還未完善。

2.4? 構(gòu)想性

“虛擬現(xiàn)實”，根據(jù)名稱得知這是一個想象的世界，可以幫助使用者拓展認知范圍，發(fā)散思維，創(chuàng)造新的概念和環(huán)境。

2.5? 自主性

在虛擬的世界中，使用者作為世界的主體可以盡情創(chuàng)造、改變周圍的環(huán)境，建造自己的私密空間。

3? ? VR技術(shù)在果樹修剪中的應用

3.1? 優(yōu)勢

3.1.1? 彌補了遠程教學條件的不足

早在幾年前，我國就開始致力于“虛擬果樹修剪培訓系統(tǒng)”的研究，該系統(tǒng)是一個果樹修剪仿真培訓系統(tǒng)，模擬果樹在生長過程中真實可能發(fā)生的多種情況。使用者扮演修剪者的角色，可以通過VR中的虛擬剪刀對其進行隨心所欲的修剪，系統(tǒng)后臺可以根據(jù)修剪枝條的不同，實時模擬出修剪所產(chǎn)生的結(jié)果，還可以演變該后果所帶來的一系列影響，如枝條生長方向的改變，枝量多少的改變，發(fā)芽、結(jié)果率、產(chǎn)量、果實質(zhì)量的好壞等。可以解決場地、時間、經(jīng)費等問題，并且獲得與真實操作一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內(nèi)容的理解。

徹底打破時間、空間的限制。通過VR技術(shù)可以將果樹生長周期縮短，忽略現(xiàn)實中果樹生長的時間限制，將果樹修剪的經(jīng)驗濃縮化地展現(xiàn)在使用者面前，更直觀、簡單易學。只要攜帶VR設備，便可隨時隨地地進行操作學習，不用再等待果樹成長，不用烈日之下在農(nóng)田干活，可以在舒適的環(huán)境下學習操作。使用者通過對虛擬系統(tǒng)的使用，快速地掌握果樹修剪的基礎方法。將該系統(tǒng)應用于果樹養(yǎng)殖培訓學習中可以大大提高學習效率，迅速掌握果樹修剪的基礎方法，加快農(nóng)業(yè)方面的人才的產(chǎn)生速度，間接推動我國農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展。

3.1.2? 避免了實際操作所面臨的危險和資源浪費

虛擬的世界中，果樹可以重復多次修剪，無限次地再生、重置。大大縮減了修剪過程中資金、能源的浪費。且虛擬世界中的一切都是虛擬的，不會產(chǎn)生任何危險，即使修剪失敗也可以重置果樹，現(xiàn)實結(jié)果不會受到影響。

3.2? 特點

3.2.1? 使用方便

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，手機也變成了必需品。手機的普及使得VR設備變得十分簡便，研究的“果樹修剪培訓系統(tǒng)”完全可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€手機軟件，這樣當使用者想要進行學習或者娛樂體驗時，僅需一個頭盔或者眼鏡外加一個手上操控器就可以隨時隨地進行VR體驗[3]。

3.2.2? 可交互

VR技術(shù)的可交互程度是非常高的，當進行“果樹修剪培訓系統(tǒng)”的學習體驗時，通過手上的操作器，可以實時模擬人手等多種工具進行對果樹或者周圍環(huán)境的更改。高度的交互性可以確保使用者的沉浸性體驗。

3.2.3? 可擴展

VR技術(shù)可應用的設備多種多樣，如手機、電腦、電視等，使得教學更加便利。例如，當一個學員在進行虛擬培訓的時候，老師可以將該學院的操作畫面?zhèn)鲗С鰜恚瑹o論是通過電視還是電腦，這個學員在使用時所產(chǎn)生的問題或優(yōu)點都可以實時傳遞給多位學員。

3.2.4? 體積小信息量大

當今手機作為VR技術(shù)的載體是十分火熱的現(xiàn)象，同時VR技術(shù)也擁有了手機的特性，輕便小巧，信息內(nèi)容也可以通過互聯(lián)網(wǎng)簡便、大量地獲取。

3.3? 存在的問題

3.3.1? 初步上機有難度、不適應

VR技術(shù)雖然已經(jīng)問世一段時間，但對于大眾來說還是較為新興的技術(shù)形式，并沒有完全普及，初步學習使用過程中難免會產(chǎn)生各種方面的問題。

虛擬與現(xiàn)實的操作缺乏有機結(jié)合，因為技術(shù)的限制，在整體都是虛擬物體的環(huán)境下，操作是沒有真實觸感的，而且真實物體可能會更加復雜多變。如此產(chǎn)生了在虛擬培訓中操作順暢，現(xiàn)實去修剪時卻無從下手的問題。而且因為VR技術(shù)的可重置功能，使用者習慣了可以重新開始，讓他們?nèi)ミM行違背現(xiàn)實的不可逆的操作時會產(chǎn)生擔心、害怕的心理。

3.3.2? 局限性可模擬結(jié)果數(shù)據(jù)較單一

大自然是千變?nèi)f化的，植物的生長也可能產(chǎn)生意料不到的情況，人類所知道的、了解的是趕不上大自然變化的，所以在進行實際的果樹修剪過程后所產(chǎn)生的結(jié)果，和模擬的結(jié)果是有所區(qū)別的。

3.4? 完善的方法

3.4.1? 提高操作能力

隨著科技的發(fā)展，VR技術(shù)的操作性等各方面肯定會越來越好，操作方法會越來越簡便。就目前技術(shù)水平而言，想要提高操作熟練度，需要專業(yè)人員對所有學生進行集中培訓，對VR技術(shù)儀器及相關操作方法進行講解，使學生都具備操作儀器的能力

3.4.2? 虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合

在進行虛擬培訓的同時，需要帶學生偶爾下鄉(xiāng)或者在一些市區(qū)的果園觀看專業(yè)修剪人員工作的真實過程，進行實踐修剪操作體驗，吸收工作人員的經(jīng)驗，進行專業(yè)的知識拓展。

3.4.3? 系統(tǒng)進一步完善

不斷地對程序系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，對教學培訓結(jié)果進行收集反饋，針對其中存在的問題進行解答。不斷地收集果樹生長等各種數(shù)據(jù)，完善系統(tǒng)，創(chuàng)造更真實、更有效的學習體驗。

4? ? 結(jié)語

果樹存在較長的生長周期，需要考慮季節(jié)影響，嚴重制約了果樹修剪學習的進度，間接影響了果業(yè)的發(fā)展。VR技術(shù)作為一種仿真模擬技術(shù)，可以彌補較長時間的學習空白期，且期間還可以將理論和實踐相結(jié)合，大大縮短了果樹修剪培訓的時間，節(jié)約了成本和時間，同時提高了學生獨立學習思考的能力，提高了學習的動力和學習質(zhì)量，為我國果業(yè)增加了人才儲備，促進果業(yè)的發(fā)展。目前，VR技術(shù)還不夠完善，但隨著探討和研究，前景是十分可觀的。

[參考文獻]

[1]王劍，周國民.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的果樹修剪培訓系統(tǒng)的研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學，2009（1）：213-216.

[2]鄭彥妍，周國民.虛擬現(xiàn)實與果樹修剪[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2004（8）：10-12.

[3]呂萌萌，陸聲鏈，郭新宇.果樹虛擬修剪研究進展[J].系統(tǒng)仿真學報，2015（3）：448-460.