虛擬現(xiàn)實技術(shù)在蔬菜展示中的應(yīng)用

蘆天罡 張 華 張輝鑫 唐 朝 王 劍

（北京市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局信息中心，北京 100029）

作為2019年北京世界園藝博覽會重要組成部分的百蔬園，是一個集科學(xué)性、時尚性、觀賞性、體驗性、參與性于一體，并可長期持續(xù)運營的蔬菜專項展示園，更是未來市民的美菜園、農(nóng)民的新知園。在這樣的大背景下，結(jié)合北京打造世界水平都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，宣傳好北京農(nóng)業(yè)發(fā)展理念及北京蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科技含量，讓首都市民和郊區(qū)農(nóng)民了解蔬菜產(chǎn)業(yè)、關(guān)注蔬菜產(chǎn)業(yè)，讓蔬菜產(chǎn)業(yè)更好地服務(wù)首都、服務(wù)百姓是十分必要的。百蔬園配套支撐建設(shè)分3期完成，充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢，增強游客興趣和互動效果，突破傳統(tǒng)會展在時間和空間上的限制，實現(xiàn)多元化展示，提升科技感和交互性，從而達到更科技、更創(chuàng)新、更藝術(shù)、更生態(tài)、更有效的目的[1]。

1 百蔬園蔬菜展示中虛擬現(xiàn)實體驗系統(tǒng)的應(yīng)用

一期項目從突出“沉浸體驗、智能互動”的特征出發(fā)，設(shè)計開發(fā)百蔬園虛擬現(xiàn)實體驗系統(tǒng)，涵蓋了蔬菜的科技、歷史、文化、養(yǎng)生等全方位內(nèi)容，與HTC VIVE虛擬現(xiàn)實一體機等硬件設(shè)備對接，滿足世界園藝博覽會現(xiàn)場不同年齡層次、知識層次人士的創(chuàng)意式感官體驗和數(shù)字化社交需求。

系統(tǒng)開發(fā)基于VR技術(shù)+農(nóng)業(yè)的虛擬體驗系統(tǒng)模式，圍繞世界園藝博覽會主題，充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)了蔬菜的科技、歷史、文化、養(yǎng)生等內(nèi)容。按照蔬菜種類、地域、名特優(yōu)、膳食搭配、延伸的關(guān)聯(lián)性等進行了選題設(shè)計，確定了選題設(shè)計原則和選題設(shè)計依據(jù)，最終確定了選題內(nèi)容設(shè)計。

一期項目主要完成了以下工作內(nèi)容：建立蔬菜模型資源庫、建立VR體驗系統(tǒng)、建立3D立體UI系統(tǒng)、實現(xiàn)VR 3D場景與VR視頻融合、建立基于用戶體驗的VR眼鏡圖像識別交互操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)建設(shè)后，具有易用性、實時性、穩(wěn)定性和針對性等特點[2]。

系統(tǒng)在功能上相對獨立，在形式上無縫對接，充分保證了項目結(jié)構(gòu)的完整性和合理性。4類15項的功能架構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示。

2 百蔬園虛擬現(xiàn)實體驗區(qū)研發(fā)內(nèi)容

2.1 開發(fā)百蔬園虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)模型庫

利用 3DS Max、Java 3D、OpenGL等軟件完成幾何建模、運動建模、物理建模、行為建模以及聲音建模。分析上述模型等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用Access等工具設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)模型庫，用來存放并分類管理各個對象數(shù)據(jù)。

2.2 蔬菜虛擬現(xiàn)實體驗內(nèi)容籌備

結(jié)合蔬菜科技、歷史、文化、養(yǎng)生等方面的知識內(nèi)容，設(shè)計科技篇、歷史篇、文化篇、養(yǎng)生篇4個虛擬現(xiàn)實體驗單元。每個體驗單元設(shè)計若干虛擬體驗項目，由虛擬導(dǎo)游“菜寶”引領(lǐng)，暢游百蔬園?？萍计ㄖ苡瘟袊ㄊ澜绺鲊貎?yōu)新蔬菜品種）、智慧菜園（現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)）、神奇蔬菜墻（立體栽培科技）、蔬果之安（蔬果安全保障科技）、蔬鮮之道（現(xiàn)代化蔬菜儲藏保鮮技術(shù)、現(xiàn)代化物流）等虛擬體驗項目；歷史篇包括糧菜同源（蔬菜的起源與馴化）、農(nóng)圃分工（專營蔬菜的興起）、春華秋實（蔬菜大規(guī)模生產(chǎn)、多種種植制度的形成和發(fā)展以及現(xiàn)代設(shè)施規(guī)模生產(chǎn)的形成）、絲路饋贈（蔬菜的引種與國際化交流）等體驗項目；文化篇包括千年菜文化（千年蔬菜文化之旅）、菜鳥工作室（蔬菜畫、插花、工藝品虛擬設(shè)計體驗）；養(yǎng)生篇包括瘋狂沙拉城（營養(yǎng)搭配、創(chuàng)意沙拉）、種菜大贏家（陽臺種菜）、我是名大廚（名菜烹飪?nèi)の扼w驗）、尋找時令蔬菜（時令飲食養(yǎng)生）等。

2.3 百蔬園虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)平臺構(gòu)建

建設(shè)百蔬園虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，用于三維圖形驅(qū)動的建立和應(yīng)用功能的二次開發(fā)，同時連接虛擬現(xiàn)實外設(shè)，建立數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)平臺。該平臺是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個虛擬現(xiàn)實場景的開發(fā)、運算、生成，連接和協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的工作和運轉(zhuǎn)。利用該平臺，將開發(fā)的虛擬現(xiàn)實體驗內(nèi)容與VR頭戴顯示器、VR手機眼鏡、動感座椅、3D打印機等外設(shè)輸出設(shè)備進行接口對接以及安裝調(diào)試[3]。

3 現(xiàn)代蔬菜虛擬化展示提升

二期項目是在一期項目的基礎(chǔ)上經(jīng)過調(diào)研、論證和分析，進行全面的升級優(yōu)化。優(yōu)化歷史篇、文化篇，將養(yǎng)生篇規(guī)劃到文化篇，重點開發(fā)科技篇?？萍计?，將一期周游列國模塊、絲路饋贈模塊整合進入世界蔬菜譜模塊中，通過星空空間跳轉(zhuǎn)的方式，使用戶了解世界各大地區(qū)蔬菜情況，同時再現(xiàn)海路運輸、沙漠駝隊運輸?shù)那榫埃層脩舫浞殖两趫鼍爸?，以獲得更好的參觀體驗。將智慧菜園和神奇蔬菜墻模塊整合進入科技篇智慧農(nóng)業(yè)模塊：原有智慧菜園模塊更名為觀光溫室，對體驗內(nèi)容進行優(yōu)化；將蔬鮮之道場景整合進入加工車間模塊并且增添加工包裝場景；全新加入日光溫室、連棟溫室等智能溫室相關(guān)內(nèi)容，使用戶了解到從蔬菜種植采摘到加工運輸?shù)囊粭l龍流程，充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示關(guān)于蔬菜的科技新成果。使用戶能夠沉浸其中，感受農(nóng)業(yè)科技帶來的魅力（圖2）。

針對目前4類15項蔬菜虛擬現(xiàn)實體驗內(nèi)容，從真實度、準(zhǔn)確度、美觀度入手，進行3D模型優(yōu)化、3D虛擬場景優(yōu)化、對象3D動作的實現(xiàn)。從虛擬體驗的科學(xué)深度和廣度方面，豐富和充實現(xiàn)代蔬菜科技文化虛擬展示內(nèi)容；從交互體驗效果的人性化、智能化入手，結(jié)合體驗單元特點，設(shè)計實現(xiàn)劇情導(dǎo)引、空間導(dǎo)引、視覺導(dǎo)引等復(fù)合式交互體驗功能，實現(xiàn)與虛擬空間對象的智能互動，打造一流的沉浸式交互體驗效果。

虛擬現(xiàn)實與會展結(jié)合具有無可比擬的優(yōu)越性，集成3D、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，設(shè)計制作本虛擬現(xiàn)實體驗，使游客從逼真的虛擬世界中獲取真實世界難以得到的體驗和感受，滿足游客獲取信息的需求，滿足游客對會展體驗項目日益提升的要求。

4 虛擬世界園藝博覽會漫游及全息投影互動體驗系統(tǒng)建設(shè)

三期目標(biāo)是借助全息投影、虛擬現(xiàn)實手段，建立百蔬園全息投影互動體驗系統(tǒng)和虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統(tǒng)。

4.1 百蔬園全息投影互動體驗系統(tǒng)

打造百蔬園全息投影展示內(nèi)容和墻面投影互動體驗內(nèi)容，充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢，增強游客興趣和互動效果，實現(xiàn)多元化展示，提升科技感和交互性，從而達到更科技、更創(chuàng)新、更藝術(shù)、更生態(tài)、更有效的目的（圖3、4）。

4.2 虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統(tǒng)

借助虛擬現(xiàn)實手段，全景紀(jì)錄2019年北京世界園藝博覽會的精彩看點，建設(shè)虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統(tǒng)，打造永不落幕的百蔬園，形成珍貴的3D數(shù)字影像資料，突破傳統(tǒng)展會在時間和空間上的限制，使各地觀眾通過互聯(lián)網(wǎng)就可以實現(xiàn)在虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統(tǒng)中全面體驗百蔬園的展示場景和內(nèi)容，還能在展會結(jié)束以后一直提供逼真的虛擬世界園藝博覽會體驗內(nèi)容，滿足新媒體環(huán)境下公眾觀展需求多元化的需要（圖5）[4]。

實景數(shù)據(jù)依據(jù)時間軸和空間軸，利用3DMAX技術(shù)，規(guī)劃時間，定期、定時、定點采集數(shù)據(jù)，搭建現(xiàn)代設(shè)施園藝3D全息全時數(shù)據(jù)庫，為開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

漫游系統(tǒng)建設(shè)實現(xiàn)智能導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計與漫游體驗節(jié)點交互設(shè)計。用戶良好漫游體驗的前提是構(gòu)建智能人性化的漫游導(dǎo)覽系統(tǒng)（UI/UE）。設(shè)計的導(dǎo)覽系統(tǒng)不僅能夠反映場景體驗的路線、位置和內(nèi)容，也將更加直觀、易用、人性化。在常規(guī)導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計外，還將進行分眾導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計，包括多語種語音提示、殘障人士關(guān)愛提示等。

在世界園藝博覽會現(xiàn)場針對百蔬園成果開辟專門的游客體驗場所，通過墻體裝修和景觀陳設(shè)，結(jié)合現(xiàn)代聲光電技術(shù)，營造奇異夢幻的體驗空間，將4大類15個互動體驗項目有機地串聯(lián)起來，使游客置身于迪士尼似的虛實交織的場景當(dāng)中，獲得生動全新的體驗。

世界園藝博覽會不僅是新技術(shù)和新產(chǎn)品的展示會，更是中國面向世界重要的窗口，展示著中國的發(fā)展成就。虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身是數(shù)字科技發(fā)展的成果，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與世界園藝博覽會完美結(jié)合，為游客提供顛覆性的模擬真實體驗感受，打破會展局限性，提高世界園藝博覽會的國際影響力。同時，世界園藝博覽會也對數(shù)字創(chuàng)意領(lǐng)域帶來影響，推動了虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義[5]。