嶗山綠茶加工的虛擬現(xiàn)實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)與探究

張文達(dá)，杜建偉

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266000）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、娛樂、影視、室內(nèi)設(shè)計(jì)以及房地產(chǎn)開發(fā)等領(lǐng)域［1］。隨著生活水平以及技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)步，各領(lǐng)域都對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了新的需要。著眼于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與果樹修剪技術(shù)相結(jié)合，用于推廣教學(xué)正確的修剪技術(shù)，改善果樹低產(chǎn)低質(zhì)、技術(shù)人員缺乏的現(xiàn)狀，幫助果農(nóng)熟練掌握正確先進(jìn)的果樹修剪技術(shù)［2］。除此之外，虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于虛擬育種、虛擬溫室、虛擬農(nóng)場、虛擬教學(xué)與農(nóng)業(yè)科技推廣等諸多方面［3］，暫未對(duì)綠茶加工進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的呈現(xiàn)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將綠茶加工較長的過程進(jìn)行凝練，幫助人們通過多維度的感官體驗(yàn)，學(xué)習(xí)掌握綠茶加工流程及技藝，使過程更加生動(dòng)形象，實(shí)現(xiàn)沉浸在其中的效果，滿足人們對(duì)于綠茶加工更加直觀的信息獲取，促進(jìn)技術(shù)推廣以及綠茶的提質(zhì)增效。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)的架構(gòu)

嶗山綠茶加工虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為三層，分別為數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層（圖1）。

圖1 嶗山綠茶加工虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1.1 數(shù)據(jù)層 包括加工工具、加工流程、加工技術(shù)要求、三維、空間、時(shí)間各類數(shù)據(jù)庫，是對(duì)嶗山綠茶加工所涉及的以及實(shí)現(xiàn)不同操作及其反應(yīng)結(jié)果可視化所需數(shù)據(jù)的匯集整理。

1.1.2 平臺(tái)層 通過平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過程的三維呈現(xiàn)，交互畫面實(shí)時(shí)渲染，數(shù)據(jù)的可視化，并根據(jù)用戶需求實(shí)時(shí)處理，完成三維畫面的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的提取與寫入。

1.1.3 應(yīng)用層 結(jié)合該系統(tǒng)的用戶需求，實(shí)現(xiàn)嶗山綠茶加工示教、技術(shù)推廣、用戶交互體驗(yàn)、時(shí)間空間定位以及加工信息查詢等服務(wù)功能。

1.2 開發(fā)技術(shù)

1.2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建虛擬世界的仿真系統(tǒng)。融合多源信息，生成模擬環(huán)境，使用戶能夠體驗(yàn)交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為［4］。將嶗山綠茶加工涉及的數(shù)據(jù)和場景，根據(jù)系統(tǒng)用戶需求進(jìn)行選擇，導(dǎo)入系統(tǒng)，通過電子設(shè)備輸出信息，轉(zhuǎn)化成人們能夠感受到的模擬場景，對(duì)用戶的操作實(shí)時(shí)反應(yīng)，可以很好地實(shí)現(xiàn)虛擬世界與嶗山綠茶加工現(xiàn)實(shí)場景的結(jié)合，具有較強(qiáng)的多感知性、存在感、交互性以及自主性［5］。

1.2.2 三維建模技術(shù) 通過三維建模技術(shù)對(duì)嶗山綠茶加工的工具、工場景進(jìn)行精準(zhǔn)描繪。三維建模是將嶗山綠茶加工與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交互呈現(xiàn)的基礎(chǔ)，要求對(duì)于物體的外觀形狀、體積、動(dòng)態(tài)分解以及數(shù)據(jù)信息的形象化模型建立，并對(duì)模型進(jìn)行顏色、紋理、質(zhì)感等方面進(jìn)一步渲染處理，實(shí)現(xiàn)物體的三維逼真再現(xiàn)，能夠給予用戶身臨其境、虛擬且真實(shí)的體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)的功能模塊

創(chuàng)建一個(gè)嶗山綠茶加工虛擬系統(tǒng)（圖2），主要涉及流程概覽、技術(shù)要求、制茶體驗(yàn)3 個(gè)模塊。包括對(duì)綠茶的加工流程進(jìn)行在線瀏覽，對(duì)技術(shù)要求進(jìn)行生動(dòng)展現(xiàn)，以及給予用戶參與制作的交互體驗(yàn)。

圖2 嶗山綠茶加工虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)界面

2.1 流程概覽模塊

綠茶加工，以茶鮮葉為原料，通過殺青、揉捻、干燥等技術(shù)環(huán)節(jié)逐漸形成綠茶［6］。用戶可通過此模塊對(duì)嶗山綠茶（鮮葉）攤放→殺青→揉捻→烘二青→提香的加工流程進(jìn)行學(xué)習(xí)觀賞。其加工生產(chǎn)是一個(gè)漫長的過程，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)其生產(chǎn)場景凝練提取，將跨時(shí)間維度的加工過程濃縮，進(jìn)行場景再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化的呈現(xiàn)與傳遞。在每一步流程中，用戶可以對(duì)畫面點(diǎn)擊觸碰，了解綠茶加工每一步流程中所涉及到的工具，有竹匾、殺青機(jī)、揉捻機(jī)、烘干機(jī)、干燥提香機(jī)等，點(diǎn)擊后畫面將對(duì)工具進(jìn)行三維立體凸顯，對(duì)其操作方式配以語音講解，用戶可以對(duì)三維立體畫面進(jìn)行左右上下多角度滑動(dòng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)工具的多維度觀察。讓用戶能夠生動(dòng)形象的對(duì)綠茶加工工具進(jìn)行認(rèn)知，進(jìn)一步對(duì)加工過程、加工技藝及操作手法有一個(gè)宏觀把握。

2.2 技術(shù)要求模塊

在此模塊中，將制茶工具、制茶時(shí)間、溫度、含水量、技術(shù)因素、操作方法等技術(shù)要求的數(shù)據(jù)集成匯總。用戶佩戴設(shè)備，可以在畫面中三維瀏覽操作，用戶隨意選擇操作加工步驟，可以看到相關(guān)數(shù)據(jù)以及葉片的顏色、外形等各方面隨操作進(jìn)行可視化呈現(xiàn)以及實(shí)時(shí)反應(yīng)與波動(dòng)。結(jié)合視覺、聽覺、嗅覺等感知，掌握嶗山綠茶加工技術(shù)要求（表1），并細(xì)致了解學(xué)習(xí)各個(gè)步驟內(nèi)部技術(shù)要求以及操作過程。

表1 嶗山綠茶加工技術(shù)要求

2.2.1 鮮葉的摘取 決定綠茶品質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，要提手采摘，而不能捋采或抓采。在加工過程中，鮮葉內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。鮮葉的色澤與葉型關(guān)系著葉片內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的含量，深綠的鮮葉含有較高的葉綠素和蛋白質(zhì)，葉型大的鮮葉含有較高的多酚類化合物，使綠茶的滋味過于濃烈，干茶的外形也比較粗大。系統(tǒng)將引導(dǎo)用戶選取深綠色的中小葉，提示用戶紫色的鮮葉不適宜選取，并在畫面一側(cè)出現(xiàn)浮窗提示所摘取鮮葉化學(xué)物質(zhì)等含量相關(guān)數(shù)據(jù)。虛擬鮮葉的摘取幫助用戶能夠更加直觀地發(fā)現(xiàn)不同葉片在色澤及葉型上的對(duì)比，所含化學(xué)物質(zhì)的不同，以及不同鮮葉加工之后在外形以及氣味上的不同。

2.2.2 鮮葉的攤放 初制綠茶必不可少的工序，將鮮葉攤放在干凈的竹匾上，為保證高品質(zhì)，要保持?jǐn)偡怒h(huán)境的干爽、通風(fēng)，攤放時(shí)長與天氣情況密切相關(guān)。系統(tǒng)將按照嫩葉老攤，老葉嫩攤的技術(shù)要求進(jìn)行加工操作，會(huì)通過浮窗顯示攤放時(shí)間與葉片含水量數(shù)據(jù)。

2.2.3 殺青 主要目的是為了破壞鮮葉中酶的活性，制止多酚類化合物的氧化，得到綠茶所具有的色、香、味及品質(zhì)，以便于揉捻造型。殺青受溫度、時(shí)間、投放量以及鮮葉質(zhì)量等因素影響。系統(tǒng)將引導(dǎo)用戶操作殺青機(jī)，控制殺青機(jī)溫度以及茶葉的投放，按照高溫殺青、先高后低，拋悶結(jié)合、多拋少悶，嫩葉老殺、老葉嫩殺進(jìn)行操作，系統(tǒng)將給用戶呈現(xiàn)在不同殺青溫度下葉片在外觀上的變化，引導(dǎo)用戶觀察殺青程度，并按殺青程度調(diào)整投葉量多少，完成適度殺青，殺青后的葉片靜置回潮，使葉片的水分均衡［7-9］。

2.2.4 揉捻 系統(tǒng)引導(dǎo)用戶進(jìn)行揉捻機(jī)的操作，將力度控制在輕壓→重壓→輕壓，按照先輕后重，逐步加壓，輕重交替，最后不加壓的加壓原則，通過浮窗顯示時(shí)間的變化，進(jìn)行時(shí)間加壓掌控。通過揉捻使茶條卷緊，縮小葉片的體積，使茶汁容易泡出，也要耐沖泡。

2.2.5 烘二青 系統(tǒng)引導(dǎo)用戶通過烘干機(jī)使用毛火，在烘干葉片的同時(shí)進(jìn)一步造型，觀察葉片的烘干程度，使葉片既能捏成團(tuán)，松手又可彈散為宜，在操作同時(shí)，系統(tǒng)通過浮窗顯示烘干機(jī)溫度、烘籠溫度、葉片含水量的變動(dòng)。

2.2.6 干燥提香 系統(tǒng)引導(dǎo)用戶操作干燥提香機(jī)的溫度控制，使用足火，將葉片進(jìn)行干燥提香，形成嶗山綠茶的色、香、味。

虛擬操作過程逼真地模擬綠茶的加工過程，對(duì)機(jī)器的操作、溫度控制、時(shí)間控制進(jìn)行情景再現(xiàn)，通過浮窗顯示時(shí)間、溫度、含水量等相關(guān)數(shù)據(jù)的變動(dòng)，將操作要點(diǎn)歸納突出，讓用戶學(xué)習(xí)掌握到每一步加工過程的技術(shù)要求，感受到由鮮葉變?yōu)椴枞~的過程中，在葉片外形、色澤、味道等各方面的變化，更加準(zhǔn)確可信地進(jìn)行技術(shù)示教與推廣。

2.3 制茶體驗(yàn)?zāi)K

用戶可以與系統(tǒng)進(jìn)行交互操作，模擬操作鮮葉采摘、殺青、回潮、揉捻、烘二青、提香等加工流程。系統(tǒng)根據(jù)用戶操作及時(shí)進(jìn)行結(jié)果反饋，使用戶更加直觀地近距離體驗(yàn)茶葉是如何從鮮葉制作為茶葉。在系統(tǒng)中可以從宏觀到微觀，通過各個(gè)角度進(jìn)行觀察，既可以從視覺上觀察殺青勻透，葉片顏色由鮮綠轉(zhuǎn)為暗綠色，殺青欠勻透，葉片會(huì)有紅梗紅葉；在揉捻過程中對(duì)于茶條的外形要求，要葉條，不要葉片；要圓條，不要扁條；要直條，不要彎條；要緊條，不要松條；要整條，不要碎條［10］；在烘干時(shí)烘葉過干葉片容易斷碎。通過觸覺感受不同揉捻方式對(duì)葉片造型的改變，也可以通過嗅覺感受茶香的變化，體會(huì)操作適度香草氣消失，茶香的形成，體會(huì)操作溫度過高葉片出現(xiàn)的煙焦氣味。使用戶猶如置身于制茶間一般，既可以有效縮短大眾與制茶之間的距離感，每個(gè)人都有機(jī)會(huì)體會(huì)到制茶的樂趣，又可以幫助相關(guān)從業(yè)人員體會(huì)不同操作的正確與否，減少不當(dāng)操作造成的資源浪費(fèi)，促進(jìn)操作技藝提高。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用與效益

3.1 應(yīng)用

應(yīng)用于嶗山綠茶加工的示范性、實(shí)驗(yàn)性教學(xué)實(shí)踐以及技術(shù)推廣，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維建模技術(shù)與嶗山綠茶加工知識(shí)融合集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化、信息化、趣味性的交互呈現(xiàn)［11］，模擬嶗山綠茶加工過程并對(duì)各影響因素的改變做出合乎實(shí)際情況的反應(yīng)，滿足用戶對(duì)于物體畫面放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、動(dòng)畫的操作需求，相關(guān)數(shù)據(jù)信息的查詢獲取，使得示教過程更加生動(dòng)直觀地顯示與處理，提升示教效果。

3.2 效益

3.2.1 嶗山綠茶加工三維數(shù)據(jù)庫的建立 在創(chuàng)建嶗山綠茶加工虛擬場景時(shí)，會(huì)依據(jù)加工技術(shù)建立三維模型，對(duì)加工過程進(jìn)行三維記錄。記載加工生產(chǎn)過程中的各步驟存在的影響因素，因果差異，信息數(shù)據(jù)等，對(duì)加工過程進(jìn)行系統(tǒng)化梳理，實(shí)時(shí)填充記錄信息，形成一個(gè)可視化的虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，提高綠茶加工的信息化程度，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化信息服務(wù)。信息準(zhǔn)確可實(shí)時(shí)調(diào)取將繼續(xù)推動(dòng)嶗山綠茶的品質(zhì)提升，提高生產(chǎn)效率，打造智慧農(nóng)業(yè)。

3.2.2 制茶工藝示教手段的創(chuàng)新 通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體驗(yàn)嶗山綠茶加工，突破了傳統(tǒng)通過視頻、文字記錄等單一方式，提供了一種新形式展示與教學(xué)嶗山綠茶的加工技術(shù)。以其自身技術(shù)特征，解決了時(shí)間、地點(diǎn)等因素的限制，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，給予用戶極強(qiáng)的交互體驗(yàn)與沉浸感［12］。用戶也可以根據(jù)自身所需，選擇相應(yīng)加工過程進(jìn)行觀賞學(xué)習(xí)。增強(qiáng)綠茶加工技術(shù)示教的趣味性與智能化，促進(jìn)茶文化的傳播、繼承與推廣。

3.2.3 嶗山綠茶及制茶工藝的促進(jìn)推廣 用戶的交互體驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)用戶對(duì)于嶗山綠茶加工生產(chǎn)過程的了解程度，進(jìn)而提升用戶對(duì)于嶗山綠茶品質(zhì)的信賴度。有利于加強(qiáng)嶗山綠茶的品牌建設(shè)，提升嶗山綠茶的知名度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與綠茶加工相結(jié)合，以現(xiàn)代化、智能化的形式對(duì)嶗山綠茶的加工技藝進(jìn)行傳播、推廣，幫助提高相關(guān)從業(yè)人員加工水平的提升，實(shí)現(xiàn)綠茶的提質(zhì)增效。吸引更多的用戶觀賞、學(xué)習(xí)綠茶加工技術(shù)，吸引更多新型職業(yè)農(nóng)民參與其中，促進(jìn)綠茶加工技術(shù)的創(chuàng)新與提升。

4 小結(jié)

對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與綠茶加工的結(jié)合提出了初步設(shè)想，在當(dāng)今打造智慧農(nóng)業(yè)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有很強(qiáng)的科技性，將其應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化、科技化、智慧化的主要途徑［13］。要積極發(fā)掘虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，汲取國內(nèi)外在各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國國情，加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與制茶的結(jié)合。以更好地推廣制茶工藝的創(chuàng)新與提升，推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)茶文化的傳播，提高生產(chǎn)率，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，服務(wù)“三農(nóng)”。