王 超，劉 現(xiàn)，鄭海新，張海佳

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院培訓(xùn)中心/數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福建 福州 350003)

虛擬實驗室自1989年由美國弗吉尼亞大學(xué)教授提出后，經(jīng)歷了電子集成技術(shù)、基于WEB的互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展，以及虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用支持等技術(shù)變革，成為一種以網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、虛擬仿真技術(shù)為核心的開放式、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗系統(tǒng)，其主要目的是構(gòu)建一個電子化的綜合集成環(huán)境，用以提高科研活動中的信息采集效率[1]。如今，伴隨遠程教育的普及和數(shù)字化技術(shù)的不斷完善，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的仿真模擬實驗室教學(xué)系統(tǒng)，正廣泛應(yīng)用于人們的工作、學(xué)習(xí)中。而隨著VR——虛擬現(xiàn)實技術(shù)日新月異的發(fā)展，過去基于WEB的平面2D培訓(xùn)軟件，也朝著3D可視化應(yīng)用的革新方向不斷邁進。在研究國內(nèi)外農(nóng)業(yè)虛擬實驗室應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文分析了VR技術(shù)應(yīng)用于虛擬實驗室的優(yōu)、劣勢，旨在展望VR虛擬實驗室在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用趨勢，為助力我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展尋求創(chuàng)新方向。

1 農(nóng)業(yè)虛擬實驗室發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外農(nóng)業(yè)虛擬實驗室的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外農(nóng)業(yè)虛擬實驗室的建設(shè)目的主要是基于多媒體、虛擬現(xiàn)實、3D打印、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過交互式虛擬實驗、3D虛擬實驗和綜合設(shè)計實驗等實驗方式，實現(xiàn)軟件和實驗儀器共享、教學(xué)效果的改善和實驗、生產(chǎn)技術(shù)的增強。

1.1.1 實驗儀器共享 現(xiàn)實實驗室中普遍存在實驗儀器設(shè)備數(shù)量不足的情況，特別是部分大型儀器，主要是因為這類儀器購置和維護的成本高，且具有一定使用的安全隱患。因此，這些儀器設(shè)備在開放過程中往往無法滿足人均使用次數(shù)的需求[2]。虛擬實驗室作為一種不受時間、場地限制的實驗環(huán)境，具有高效的數(shù)據(jù)信息資源共享功能。一個好的虛擬實驗室平臺能夠提供設(shè)備資源檢索、實驗預(yù)約、經(jīng)驗交流和管理制度等服務(wù)項目，并且通過互聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)24小時的在線學(xué)習(xí)和虛擬實驗操作[3]。英國的Open University大學(xué)的開放實驗室目前提供了虛擬顯微鏡和全球現(xiàn)存的地質(zhì)切片標本的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了其遠程實驗室的虛擬儀器設(shè)備在線共享功能[4]。

1.1.2 優(yōu)化教學(xué)效果 美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和楊百翰大學(xué)都建有自己的化學(xué)虛擬實驗室，數(shù)字化的視窗操作界面提供了一目了然的實驗效果，三維建模的實驗場景提高了實驗的真實感[5]。耶魯大學(xué)則開發(fā)了虛擬實驗室在移動端上的應(yīng)用，讓教師和學(xué)生通過手持平板設(shè)備記錄和分析試驗數(shù)據(jù)[4]。虛擬的實驗流程允許使用者更自由地安排實驗項目，這種鼓勵探索的教學(xué)模式能很好地培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新思維。

1.1.3 提高實驗、生產(chǎn)技術(shù) 實驗、生產(chǎn)技術(shù)的增強多體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)的虛擬觀測、檢測方面：隨著人工智能的發(fā)展，圖像識別技術(shù)和自然語言解析被更多地應(yīng)用在氣象觀測和病蟲害檢測中；美國開發(fā)的CERES.SIM-COT作物模擬系統(tǒng)能夠為植株的生長發(fā)育建立全套模型，通過設(shè)定溫濕度和土壤類型等生長環(huán)境的數(shù)值，最終計算出作物從發(fā)芽到成熟的各階段所需的時間周期[6]；德國的Astragon Software公司開發(fā)了一種模擬作物生長環(huán)境變化的農(nóng)場仿真系統(tǒng)，根據(jù)虛擬環(huán)境中不同氣候變化下農(nóng)作物的收成，來判斷該作物的耐蟲、耐害能力[7]；作物病蟲害診斷系統(tǒng)作為日本千葉大學(xué)研發(fā)的一款模擬專家系統(tǒng)，目前已經(jīng)在生產(chǎn)應(yīng)用中推廣使用，該系統(tǒng)可對17種草莓病害和15種梨樹病害進行智能診斷并給出相應(yīng)的防治辦法，在一定程度上能夠有效且便捷地解決種植戶在作物養(yǎng)護上遇到病蟲害的問題[8]。

1.2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)虛擬實驗室的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的農(nóng)業(yè)虛擬實驗室在建設(shè)上延續(xù)了國外虛擬農(nóng)業(yè)的研究方向，主要運用在實踐教學(xué)、觀測虛擬生物生長和農(nóng)機自動化應(yīng)用等方面。

1.2.1 教學(xué)實踐 隨著國內(nèi)教學(xué)水平的不斷提高，高校和科研院所越來越重視學(xué)生的實驗動手能力、操作能力和科研能力的培養(yǎng)。然而，在一般的實驗情況下，學(xué)生是嚴格按照教師編寫的實驗內(nèi)容、步驟、測試數(shù)據(jù)等，在特定的設(shè)備上進行實際操作、記錄實驗數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)據(jù)分析提交實驗報告。程序化的教學(xué)模式限制了學(xué)生獨立思考、自主設(shè)計能力的培養(yǎng)，當工作中遇到過去學(xué)習(xí)中未處理過的問題時，容易不知如何設(shè)計測試方案或選用相應(yīng)的儀器設(shè)備[9]。而虛擬實驗室的出現(xiàn)，對解決這一教學(xué)問題，培養(yǎng)可以獨立解決實際問題的復(fù)合型人才提供了方向。基于此，北京大學(xué)于2014年組建了“北京大學(xué)地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，以優(yōu)化教學(xué)資源，推進實驗儀器設(shè)備共享為原則，為地質(zhì)勘探和空間科學(xué)等地球?qū)W科提供綜合性虛擬仿真實驗教學(xué)項目，取得了良好的效果。

1.2.2 虛擬農(nóng)業(yè)實驗 國內(nèi)虛擬農(nóng)業(yè)實驗在運用上取得突破的主要包括虛擬植物、虛擬動物和虛擬儀器。(1)虛擬植物是一種利用計算機的高速運算能力，在幾秒鐘內(nèi)模擬植株生長情況，并以可視化的方式回饋給實驗人員的農(nóng)業(yè)虛擬實驗技術(shù)。在這種實驗環(huán)境下，不必進行田間實際種植，只需要在系統(tǒng)輸入設(shè)定好的生長環(huán)境數(shù)值，甚至可以選擇不同的施肥效果和修剪情況來生成不同的株型和品種，這種對農(nóng)作物虛擬建模的技術(shù)在精細農(nóng)作方面提供了可靠的數(shù)值依據(jù)[10-13]。(2)虛擬動物主要是對動物生態(tài)結(jié)構(gòu)進行3D模型構(gòu)建，通過精細化動物器官、組織和系統(tǒng)來研究生物機體的結(jié)構(gòu)，對物種生存和遺傳選育方面具有重大意義[14-16]。(3)農(nóng)業(yè)虛擬儀器是一種能在農(nóng)機自動化生產(chǎn)上有效縮短農(nóng)作物品種試驗周期的輔助工具，如農(nóng)產(chǎn)品分選系統(tǒng)、自動化灌溉和自動化秧苗分析系統(tǒng)等，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域有很高的實用性[17-19]。

2 基于VR的虛擬實驗室優(yōu)勢分析

最初，虛擬實驗室是實驗室教學(xué)的一種輔助工具，以現(xiàn)實教學(xué)中的課程為建?；A(chǔ)，依托多媒體技術(shù)和計算機仿真技術(shù)等，構(gòu)建出一種可以在計算機上運行的實驗軟件[20]。早期的虛擬實驗室軟件受到計算機技術(shù)的限制，只能做到數(shù)字化實驗室培訓(xùn)的效果，這些軟件大多使用鍵盤鼠標作為輸入設(shè)備，讓使用者在電腦上完成簡單的平面培訓(xùn)課程。近兩年來，伴隨著VR技術(shù)的爆炸性發(fā)展及其在醫(yī)學(xué)、娛樂、軍事和教育等各領(lǐng)域的出色應(yīng)用，虛擬實驗室技術(shù)也同樣被注入了全新的活力。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)作為一門基于計算機仿真技術(shù)的新興學(xué)科，曾被列為21世紀工程學(xué)面臨的14項重大議題之一，它綜合了計算機圖形學(xué)、人工智能、人體工程學(xué)和人類神經(jīng)學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)原理，利用支持3D成像的顯示硬件設(shè)備和能反饋體感操控的動態(tài)抓捕傳感器，配合各類虛擬圖像引擎和建模軟件，構(gòu)建出一種可供使用者實時交互的多感知虛擬3D空間。目前，這類基于VR技術(shù)的現(xiàn)代化虛擬實驗室在教育、醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域都有出色的表現(xiàn)，而在農(nóng)業(yè)虛擬實驗室中應(yīng)用VR技術(shù)，可以創(chuàng)造出逼真的“虛擬農(nóng)耕世界”，為農(nóng)業(yè)創(chuàng)新研究提供一個高科技的虛擬現(xiàn)實平臺，其主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 增強實驗?zāi)M性

在VR技術(shù)被成熟應(yīng)用之前，虛擬實驗室大多是利用計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行分析和共享，使用者界面通常只有簡單的圖表演示或文字說明，雖然能夠高效的完成數(shù)據(jù)處理，但很難做到操作實驗的真實感，在教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用效果并不理想。借助VR的高交互性、高自主性和沉浸式體驗，能更好地提高虛擬實驗室軟件在圖形成像上的用戶體驗，配合3D建模技術(shù)提供的高仿真儀器和實驗室環(huán)境可以逼真還原實際的實驗流程。使用穿戴式設(shè)備進行的輸入操作、模擬抓取和移動物品等動作，也比使用鍵盤鼠標更貼近真實的實驗行為。這種高度開放的虛擬環(huán)境使實驗流程更加靈活，實驗人員在高仿真的實驗環(huán)境中積累了足夠的操作經(jīng)驗，再返回真實的實驗室使用儀器，可以在很大程度上減少實驗過程的人為誤操作，從而規(guī)避部分實驗風(fēng)險。

2.2 節(jié)約經(jīng)費開支

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)支持下的虛擬實驗室可以在最優(yōu)化實驗儀器使用壽命的同時，節(jié)約高昂的儀器維護費用，減少了實驗器材損耗。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)普遍受到教學(xué)場地、實驗儀器和實驗耗材等因素的影響，既難調(diào)動學(xué)生的實驗積極性，也很難有效培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作水平，特別是遇到實驗一時無法達到預(yù)期效果而實驗經(jīng)費又比較昂貴的情況，大部分都無法進行多次嘗試。VR背景下的虛擬實驗室通過虛擬實驗操作流程，為學(xué)員提供逼真的實驗環(huán)境，在運作中不存在實際的器、耗材損耗，有效節(jié)約了實驗成本。

2.3 突破時空限制

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)研究受自然環(huán)境、作物生長周期和田間管理水平的影響，時間長、效率低。基于VR的農(nóng)業(yè)虛擬實驗室是一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗系統(tǒng)，其通過利用圖形、語音、視頻、動畫等現(xiàn)代計算機系統(tǒng)輔助性技術(shù)，把農(nóng)業(yè)實驗從田間搬到實驗室，通過模擬自然環(huán)境、調(diào)節(jié)植物生長管理要素完成各種預(yù)定的實驗項目，通過創(chuàng)建立體三維結(jié)構(gòu)從不同的視角觀察、了解植物生長特點，尋找創(chuàng)新研究的突破點，而不受時空的限制。

3 VR技術(shù)的應(yīng)用瓶頸

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在2016年紅極一時，Oculus、HTC和索尼等廠商紛紛推出自己的VR應(yīng)用設(shè)備，讓該技術(shù)從科幻電影的大熒幕一夜之間走入普通老百姓的家中。目前的主流應(yīng)用主要以VR游戲為主，特別是索尼的PS VR借助其PS4游戲主機的銷量，在市場上取得了不小的份額[21]。

但在熱火朝天的體驗了一把VR技術(shù)帶來的新鮮感之后，該行業(yè)面臨的問題也逐漸暴露在人們的視線中，包括價格昂貴和使用設(shè)備的體感不一。廉價的頭戴設(shè)備并不能提供良好的VR體驗，但高端產(chǎn)品價格一直居高不下，以HTC為例，其VR套餐產(chǎn)品都是在1萬元人民幣以上。在設(shè)備方面，目前的VR產(chǎn)品均采用頭戴式設(shè)備來提供視覺體驗，盡管高分辨率和刷新率可以帶來極佳的浸入式體驗，但其封閉式的頭戴式顯示器設(shè)計讓部分使用者產(chǎn)生眩暈的問題依然有待解決，這種使用設(shè)備的行業(yè)標準仍有待規(guī)范，而多領(lǐng)域應(yīng)用和多場景的兼容性技術(shù)也需要得到進一步突破。

4 VR虛擬實驗室在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用趨勢

4.1 推進數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展

將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化管理，是數(shù)字農(nóng)業(yè)的工作重點之一，圍繞計算機技術(shù)發(fā)展出的新興科技與農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科的合理結(jié)合，能有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)資源的利用率。如利用虛擬實驗室對各種農(nóng)作物播種深度、施肥和灌溉用量以及噴灑農(nóng)藥類型、部位和用量進行模擬研究，探尋最科學(xué)的田間管理模式，既能降低經(jīng)營成本，減少化學(xué)藥品對農(nóng)田的污染，又可突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實驗時空限制，在一定程度上可縮短農(nóng)業(yè)項目研究時間，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，具有很好的應(yīng)用前景。

4.2 優(yōu)化農(nóng)業(yè)推廣方式

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)村城鎮(zhèn)化步伐加快，農(nóng)業(yè)人口不斷向城市轉(zhuǎn)移，留守鄉(xiāng)村的老人和兒童無法完成繁重的農(nóng)田勞作。土地流轉(zhuǎn)、新型農(nóng)場主誕生已成為農(nóng)村生產(chǎn)經(jīng)營的主要模式。新型農(nóng)場主需要盡快熟悉各種農(nóng)作物生長規(guī)律，改變粗泛傳統(tǒng)的農(nóng)耕模式，應(yīng)用精準、生態(tài)、高效、規(guī)?；a(chǎn)經(jīng)營手段，提高單位面積產(chǎn)量和品質(zhì)。通過虛擬實驗室建立起來的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，可以讓學(xué)習(xí)者在最短的時間里全面感知和了解各種農(nóng)作物生長規(guī)律、田間管理要素以及農(nóng)機具的使用方法，并在實踐中加以應(yīng)用，提升農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營的效益。虛擬仿真技術(shù)還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)新技術(shù)的推廣，讓初學(xué)者了解新技術(shù)要點的同時，親自觸摸、操作加深理解，更有助于農(nóng)業(yè)新技術(shù)的傳播。

4.3 助推美麗鄉(xiāng)村建設(shè)

美麗鄉(xiāng)村建設(shè)是各級政府幫助農(nóng)民脫貧致富，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，提升農(nóng)民生活品質(zhì)，加快城鄉(xiāng)一體化進程的重大舉措。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以結(jié)合鄉(xiāng)村區(qū)位優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)特點、人文資源及經(jīng)濟發(fā)展水平制定不同類型規(guī)劃模型，展現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村遠景。這種現(xiàn)代化的視聽體驗讓使用者在高仿真的環(huán)境中，操縱虛擬的物體，不僅可以讓農(nóng)戶直觀感受鄉(xiāng)村改造后的自然環(huán)境和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，化被動為主動，積極配合政府實施鄉(xiāng)村規(guī)劃。也可以讓當?shù)卣崆案惺芨脑靺^(qū)的布局細節(jié)，有效避免了改造盲區(qū)，節(jié)約投資成本。

虛擬美麗鄉(xiāng)村模型同時還可以成為農(nóng)業(yè)科普基地和農(nóng)家樂產(chǎn)品推介手段，將模型在各級政府舉辦的農(nóng)博會上展示，通過現(xiàn)場操作演示感光體驗，可激發(fā)受眾深入體驗休閑娛樂的愿望。如2018年廣西農(nóng)業(yè)規(guī)劃辦為了進一步推進廣西農(nóng)業(yè)旅游的信息化建設(shè)，攜手廣州世峰數(shù)字科技有限公司開展了一項以VR全景為主題的手機APP休閑農(nóng)業(yè)項目。該項目力求讓使用者足不出戶，只需下載并使用該APP軟件，就可以通過VR全景漫游的模式，身臨其境的體驗廣西當?shù)鼐哂刑厣男蓍e農(nóng)業(yè)景區(qū)和農(nóng)家樂旅游景點[22]。這類虛擬美麗鄉(xiāng)村模型能夠起到推介當?shù)靥厣r(nóng)產(chǎn)品的廣告效應(yīng)，為逐步打造特色農(nóng)產(chǎn)品品牌，助推鄉(xiāng)村休閑旅游農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

距離2016年的“VR元年”已經(jīng)過去2年，VR技術(shù)從一個需要借其他平臺使用的配件產(chǎn)物，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€成熟獨立的產(chǎn)品。盡管該技術(shù)目前仍存在技術(shù)上的瓶頸，但是對以教學(xué)為目的的虛擬實驗室來說，使用者在絕大部分情況下并不會頻繁地接收到高速變換的視覺感觀，在一定程度上降低了人體因為硬件產(chǎn)品性能不足導(dǎo)致的觀看畫面低幀數(shù)而產(chǎn)生眩暈感。因此就目前VR技術(shù)在硬件方面所能達到的雙通道高分辨率的播放效果，已經(jīng)能基本滿足實驗培訓(xùn)中的人體視覺體驗，并在很大程度上消除使用者對頭戴設(shè)備和模擬環(huán)境的不適。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開始應(yīng)用VR技術(shù)之前，農(nóng)業(yè)實驗普遍受到實驗場地不足和實驗周期漫長等客觀因素的影響。農(nóng)業(yè)虛擬實驗室的建設(shè)讓傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)快速跟上科技發(fā)展的步伐，不僅能高效地完成各類實驗?zāi)Ｐ偷挠^測，加快科研工作的進展速度，也能讓農(nóng)業(yè)教學(xué)和培訓(xùn)脫離書本文字和簡單演示的模式，更好地激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。隨著農(nóng)業(yè)虛擬實驗室在實驗成效和技術(shù)展示上的成功，VR技術(shù)能夠帶動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)在創(chuàng)新形式上的前進步伐，更好地促進了我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)快速健康的發(fā)展。