勞業(yè)炟，魏興隆，馮 敏

（山東第一醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，山東 泰安 271000）

農(nóng)業(yè)是人類社會一切活動的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)的發(fā)展意味著糧食產(chǎn)量的增加，人類社會也隨之興盛，糧食作為人類生活中最重要的生存資料為人類文明的確立提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)科技發(fā)展自古以來就被高度重視；建國初期，由于國內(nèi)外形勢嚴(yán)峻，我國內(nèi)部面臨嚴(yán)峻的糧食考驗(yàn)；邁入新時代后，習(xí)近平主席在東三省考察時強(qiáng)調(diào)“要把農(nóng)業(yè)科技發(fā)展放在更加突出的位置”。隨著我國科技實(shí)力的增強(qiáng)，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、智能化農(nóng)業(yè)的建設(shè)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中愈發(fā)重要，“科技+農(nóng)業(yè)”已經(jīng)成為了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢。

1 什么是虛擬技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），是20世紀(jì)末基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而被開發(fā)的一種新興實(shí)用技術(shù)。1984年，由VPL公司的Jaron Lanier首次提出，并在同時期傳入中國。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種高度集合化的技術(shù)囊括計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、3D建模技術(shù)等，該技術(shù)提供一種以電子計(jì)算機(jī)模擬生成的虛擬環(huán)境，并以一種高感知化的手段使用戶沉浸到該環(huán)境中。在社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步下，VR技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，更多的前沿產(chǎn)業(yè)選擇與VR技術(shù)結(jié)合，并將其作為自己未來主要的發(fā)展方向。

1.1 什么是虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)造出的一個本不存在的事物或環(huán)境。高性能電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)允許用戶對計(jì)算機(jī)的各種指令被正確的執(zhí)行，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的表現(xiàn)是使構(gòu)造出的事物或環(huán)境對應(yīng)用戶的指令做出各種變化。沉浸式設(shè)備的應(yīng)用使用戶可以擁有身臨其境的感覺。但這些事物和環(huán)境并不能脫離計(jì)算機(jī)的構(gòu)造獨(dú)立存在并被用戶感知，因此稱其為虛擬現(xiàn)實(shí)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成及其質(zhì)量指標(biāo)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由頭盔顯示器、多傳感器組、力反饋裝置等多種設(shè)備組成。并以環(huán)境沉浸感、人機(jī)交互能力、想象力等作為主要指標(biāo)衡量其完善程度。

（1）環(huán)境沉浸感（Environmental Immersion）：指用戶在虛擬環(huán)境中的體驗(yàn)所能達(dá)到的最高真實(shí)程度。在理想狀態(tài)下，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供的體驗(yàn)應(yīng)當(dāng)做到讓用戶難以分辨虛實(shí)，在某些特殊方面，虛擬環(huán)境有必要超越現(xiàn)實(shí)生活，以體現(xiàn)其先進(jìn)性，環(huán)境沉浸感是建立虛擬現(xiàn)實(shí)空間的根本。

（2）人機(jī)交互能力（Human-Computer Interaction）：主要指用戶對虛擬環(huán)境下的事物的操控能力及其得到的相應(yīng)反饋能力（自然程度、實(shí)時程度），人機(jī)交互能力是虛擬現(xiàn)實(shí)空間實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

（3）想象力（Vision）：虛擬世界中人與環(huán)境的交互本質(zhì)上是不可預(yù)測的。是在多維空間中，依靠用戶自我感知和認(rèn)知能力全方位獲取知識，發(fā)揮主觀能動性。想象力則是虛擬現(xiàn)實(shí)空間可以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，三個指標(biāo)相輔相成，缺一不可。也正是通過這三個指標(biāo)的有機(jī)結(jié)合，使得虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠提供一個足以以假亂真的富有創(chuàng)新的高級系統(tǒng)。

1.3 如何實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要通過：（1）環(huán)境建模技術(shù)；（2）立體顯示技術(shù)；（3）三維虛擬聲音的實(shí)現(xiàn)技術(shù)；（4）真實(shí)感圖形繪制技術(shù)；（5）自然交互與傳感技術(shù)；（6）實(shí)時碰撞檢測技術(shù)[1]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 環(huán)境建模技術(shù)（Environment Modeling Technology）

環(huán)境建模是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過對大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，盡可能逼真的還原目標(biāo)環(huán)境中的各種細(xì)節(jié)。該技術(shù)融合數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感與測量技術(shù)等多種學(xué)科，為人們在虛擬環(huán)境中帶來一種可交互的逼真體驗(yàn)。

1.3.2 立體顯示技術(shù)（Stereoscopic Display Technology）

該技術(shù)基于人眼成像規(guī)律，利用特定算法分別渲染雙眼所視的物體圖像，并使用特殊的方法對應(yīng)雙眼輸出圖像，達(dá)到立體顯示的效果。國際上通常使用互補(bǔ)色立體、主動式立體和被動立體這三種方法完成立體顯示。總的來說這種技術(shù)加強(qiáng)了三維場景的顯示效果，進(jìn)一步提升了三維產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)[2]。

1.3.3 三維虛擬聲音的實(shí)現(xiàn)技術(shù)（Technology of 3D virtual sound）

三維虛擬聲音與我們熟識的立體聲不同。立體聲在某種程度上還是基于一個平面調(diào)整聲道，而三維虛擬聲音來自四面八方。其核心是聲音定位技術(shù)，全向三維定位特性，以一個球拱包裹了聽者的雙耳，更符合人們?nèi)粘５穆犛X方式，極大地增強(qiáng)了人們在虛擬現(xiàn)實(shí)中的沉浸感。

1.3.4 真實(shí)感圖形繪制技術(shù)（Realistic graphics rendering technology）

真實(shí)感圖形繪制作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要組成部分，綜合運(yùn)用了多種學(xué)科知識，目的是在計(jì)算機(jī)圖形顯示設(shè)備上生成一種高真實(shí)感的彩色圖像。這種圖像的實(shí)質(zhì)是一種光柵圖形，也就是一種用多個像素拼合而成的圖形。因此生成一幅真實(shí)感圖形時，我們必須逐個像素地計(jì)算畫面上相應(yīng)景物表面區(qū)域的顏色[3]。

1.3.5 自然交互與傳感技術(shù)（Natural interaction and sensing technology）

自然交互與傳感技術(shù)的識別方式分為手勢識別和面部識別。具體來說手勢識別分為兩種，一種是基于數(shù)據(jù)手套的識別，另一種是基于機(jī)器視覺的手勢識別，對人臉信息的利用方式分為兩大類：基于特征的人臉檢測方法和基于圖像的人臉檢測方法[4]。該技術(shù)對多種傳感器反饋的信息匯總輸出，以此提供給了使用者一種對虛擬世界的改變能力，增強(qiáng)了其沉浸感。

1.3.6 實(shí)時碰撞檢測技術(shù)（Real time collision detection technology）

實(shí)時碰撞技術(shù)作為虛擬交互技術(shù)的關(guān)鍵問題，被相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜已芯慷嗄辏Ｓ玫臋z測算法是層次包圍盒法和空間分解法。但是這兩種方法還是無法很好地解決復(fù)雜物體間的及時碰撞問題。不過高性能可編程圖形硬件的出現(xiàn)可能會給這個問題帶來新的解決方式。通過實(shí)現(xiàn)實(shí)時碰撞技術(shù)，用戶的人機(jī)交互能力被進(jìn)一步提高，使用戶擁有更良好的體驗(yàn)。

2 虛擬技術(shù)在中國農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用

2.1 虛擬動植物

該技術(shù)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用電子計(jì)算機(jī)對客觀世界的動植物進(jìn)行模擬、展示，滿足科學(xué)研究的需求，通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出更加優(yōu)良的動植物，并轉(zhuǎn)移運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)世界中。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以將在現(xiàn)實(shí)世界中部分實(shí)驗(yàn)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬，從而大量減少了人力物力的損耗。

2.1.1 虛擬動物

卡爾·西蒙的《進(jìn)化虛擬生物》創(chuàng)建在虛擬三維世界中行動的虛擬生物[5]。

虛擬動物是20世紀(jì)末以信息技術(shù)和動物科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)綜合發(fā)展而來的一項(xiàng)新型研究。該研究旨在契合這兩項(xiàng)技術(shù)，助力動物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。比如利用現(xiàn)代信息技術(shù)將動物的各項(xiàng)體征數(shù)字化并上傳至動物信息研究平臺，平臺包括動物的種類、結(jié)構(gòu)、功能、形態(tài)、食性、種間關(guān)系等（如圖1）。并通過設(shè)置聲音和力反饋裝置，提供該物種的直觀信息，便于動物科學(xué)研究。

圖1 虛擬動物圖

20世紀(jì)九十年代中期，Christa Sommereer和Lauren Mignonneau完成了一種可基于計(jì)算機(jī)的可交互式生物研究系統(tǒng)“Avolve”。在實(shí)時交互式環(huán)境“Avolve”中，用戶可以在系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)建的虛擬環(huán)境下與其中的虛擬生物互動，而虛擬生物的形成受到自然法則以及人們主觀能動性的影響[6]。用戶可以在裝置內(nèi)創(chuàng)造屬于自己的虛擬動物（虛擬魚），可以實(shí)現(xiàn)與“虛擬魚”的交互并觀察其成長過程。一年之后，二人在“Avolve”的基礎(chǔ)上發(fā)展出全新的系統(tǒng)“Phototropy”，該系統(tǒng)提供了更完備的生物體系，同時擴(kuò)展了系統(tǒng)的可互動性。用戶可以在新系統(tǒng)上飼養(yǎng)在“Avolve”上的飼養(yǎng)的“虛擬魚”，甚至可以與這個虛擬環(huán)境中的虛擬昆蟲互動。1996年，他們開始研究虛擬生物的建構(gòu)模塊，觀察了簡單結(jié)構(gòu)是如何通過遺傳操作構(gòu)建出復(fù)雜度高協(xié)同性強(qiáng)的全新模塊，并基于自己的研究，創(chuàng)建了“GENMA-Genetic Manipulator”。在這個系統(tǒng)中，生物的設(shè)計(jì)和形狀可以被用戶操控和探索，在個人娛樂和科學(xué)研究上都起到了重要作用。

2.1.2 虛擬植物

虛擬植物與虛擬動物的概念大同小異。虛擬植物就是把植物個體和植物集群當(dāng)作研究對象，模擬不同植物的生長發(fā)育過程，并通過虛擬環(huán)境將其可視化再現(xiàn)。該技術(shù)支持對植物生長過程進(jìn)行建模，同時錄入其數(shù)字信息，并將其上傳至植物信息研究平臺。該平臺包括植物的種類、種植環(huán)境、生長特點(diǎn)、用途、危害等信息（如圖2），而且允許用戶對該平臺上錄入的植物進(jìn)行基本的感知與研究。

圖2 虛擬植物

2.1.3 虛擬農(nóng)產(chǎn)品

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用成果體現(xiàn)在通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為的模擬對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)量估算。在虛擬環(huán)境中，改變控制動植物的生長發(fā)育的因素，分析模擬農(nóng)產(chǎn)品的各營養(yǎng)成分并對比得出最優(yōu)解。并將其轉(zhuǎn)換到現(xiàn)實(shí)生活中，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在成本和時間上對農(nóng)業(yè)科學(xué)研究過程進(jìn)行優(yōu)化，極大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

綜合考慮植物生理結(jié)構(gòu)和形態(tài)特點(diǎn)，錄入其各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬化轉(zhuǎn)變，構(gòu)造出這種植物的虛擬版本，研究者可以基于這種虛擬植物開展研究。比如可以利用虛擬植物的葉片面積數(shù)據(jù)估算出植物每一葉片接收到的光輻射量，以此研究植物群體的光分布情況?；蛘咄ㄟ^優(yōu)化作物的株型，提高其截光能力與光合產(chǎn)量，為培育光合生產(chǎn)潛力更強(qiáng)的植物提供理論依據(jù)。新西蘭皇家研究所通過虛擬作物技術(shù)對新西蘭特有的獼猴桃品種進(jìn)行改良研究。小組開發(fā)了虛擬三維獼猴桃果樹的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，只需要在顯示器上就可以觀察獼猴桃果樹一生七個階段，一整年的生長周期被縮短到不足1分鐘的時間[7]，極大地提高了作物品種研究的效率。

2.1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國的運(yùn)用

2015年，江蘇省農(nóng)科院與中國農(nóng)科院作物所、中國水稻研究所等單位合作承擔(dān)國家科技支撐計(jì)劃“耐鹽水稻新品種選育及配套栽培技術(shù)研究”。為了深挖我國農(nóng)業(yè)潛力，進(jìn)一步解決我國甚至全世界的糧食問題，以袁隆平院士為核心的海水稻研發(fā)中心在青島市李滄區(qū)建立。該中心致力于選育適合在我國沿海鹽堿地生長的海水稻品種。截止到2020年，青島海水稻研究發(fā)展中心在全國的海水稻示范種植面積已經(jīng)到達(dá)10萬畝，并且已經(jīng)開始對在新疆、青海等地的10萬畝海水稻進(jìn)行測產(chǎn)。不妨大膽假設(shè)一下，當(dāng)團(tuán)隊(duì)引進(jìn)成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬世界中種植“海水稻”的場景。

能否培育出優(yōu)良的種子是水稻種植面臨的第一道難題，鹽堿地的特殊情況對水稻種子的培育提出新的要求。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研究者們可以通過錄入各項(xiàng)數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，在其中進(jìn)行各種雜交研究，甚至能夠進(jìn)行誘變育種的模擬，同時可以將這些研究成果保存在系統(tǒng)中，方便后續(xù)工作的對比與總結(jié)。工作者可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立培育海水稻的虛擬農(nóng)田區(qū)。在虛擬農(nóng)田區(qū)里觀察虛擬海水稻的催芽、播種、結(jié)實(shí)和收獲。衡量一種作物是否優(yōu)良，畝產(chǎn)、環(huán)境適應(yīng)能力是重要指標(biāo)。在虛擬環(huán)境中，我們可以設(shè)立多組進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，選出其中的最優(yōu)者在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行種植；也可以取樣不同時期的同種秧苗進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，以便觀察記錄該種海水稻在不同時期的生長特點(diǎn)。

病蟲害也是影響海水稻生長的重要因素之一。我們可以添加當(dāng)?shù)刂参镆赘胁『?，植食性昆蟲品種作為構(gòu)建虛擬農(nóng)場的前提，通過控制施肥、秸稈橫截面等變量，選出在這種環(huán)境下長勢最好的品種，以此培育出抗病蟲害的品種。

我國幅員遼闊，各類土地資源的空間分布并不平衡，土地生產(chǎn)力區(qū)域差異明顯，沿海地區(qū)的鹽堿地狀況都有極大的差異性。因此虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對種植環(huán)境的虛擬顯得尤為重要。研究員可以模擬出鹽堿地的溫度濕度、土體鹽分含量、酸堿度等在現(xiàn)實(shí)世界中影響水稻長勢的因素。針對各種土地資源特點(diǎn)情況研究不同的水稻種子，做到因地制宜，在最大程度上減小不良環(huán)境對水稻生長的影響。

衡量一種作物是否優(yōu)良，畝產(chǎn)、環(huán)境適應(yīng)能力是重要指標(biāo)，對海水稻研究進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的改造，可視、可操作的對苗床溫度濕度、插秧時間、施肥、澆水、病蟲防治等各種影響水稻生長的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測算，從研究進(jìn)程和研究手段上對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，助力我國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

3 結(jié)束語

虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)研究無疑將對農(nóng)業(yè)研究發(fā)展產(chǎn)生翻天覆地的變化，具有劃時代的意義。將復(fù)雜且研發(fā)時間漫長的生命科學(xué)研究放在時間可控的虛擬環(huán)境中進(jìn)行定量定性的分析，極大地縮短了研究周期，而且可以得到直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果。但生命現(xiàn)象的虛擬化困難而復(fù)雜，需要研究工作者對生命工程本身保持敬畏，未來還有很長的一段路要走。希望該技術(shù)能夠在農(nóng)業(yè)研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮其真正的作用。