VR技術在農業虛擬實驗室建設中的應用優劣勢與趨勢

王 超，劉 現，鄭海新，張海佳

(福建省農業科學院培訓中心/數字農業研究所，福建 福州 350003)

虛擬實驗室自1989年由美國弗吉尼亞大學教授提出后，經歷了電子集成技術、基于WEB的互聯網平臺發展，以及虛擬現實的應用支持等技術變革，成為一種以網絡應用、虛擬仿真技術為核心的開放式、網絡化的虛擬實驗系統，其主要目的是構建一個電子化的綜合集成環境，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字化技術的不斷完善，以計算機技術為基礎的仿真模擬實驗室教學系統，正廣泛應用于人們的工作、學習中。而隨著VR——虛擬現實技術日新月異的發展，過去基于WEB的平面2D培訓軟件，也朝著3D可視化應用的革新方向不斷邁進。在研究國內外農業虛擬實驗室應用現狀的基礎上，本文分析了VR技術應用于虛擬實驗室的優、劣勢，旨在展望VR虛擬實驗室在農業中的應用趨勢，為助力我國現代農業發展尋求創新方向。

1 農業虛擬實驗室發展現狀

1.1 國外農業虛擬實驗室的應用現狀

國外農業虛擬實驗室的建設目的主要是基于多媒體、虛擬現實、3D打印、計算機網絡等技術，通過交互式虛擬實驗、3D虛擬實驗和綜合設計實驗等實驗方式，實現軟件和實驗儀器共享、教學效果的改善和實驗、生產技術的增強。

1.1.1 實驗儀器共享 現實實驗室中普遍存在實驗儀器設備數量不足的情況，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，這些儀器設備在開放過程中往往無法滿足人均使用次數的需求[2]。虛擬實驗室作為一種不受時間、場地限制的實驗環境，具有高效的數據信息資源共享功能。一個好的虛擬實驗室平臺能夠提供設備資源檢索、實驗預約、經驗交流和管理制度等服務項目，并且通過互聯網和云平臺技術，能夠實現24小時的在線學習和虛擬實驗操作[3]。英國的Open University大學的開放實驗室目前提供了虛擬顯微鏡和全球現存的地質切片標本的數據，實現了其遠程實驗室的虛擬儀器設備在線共享功能[4]。

1.1.2 優化教學效果 美國的卡內基梅隆大學和楊百翰大學都建有自己的化學虛擬實驗室，數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]。耶魯大學則開發了虛擬實驗室在移動端上的應用，讓教師和學生通過手持平板設備記錄和分析試驗數據[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模式能很好地培養學員的創新思維。

1.1.3 提高實驗、生產技術 實驗、生產技術的增強多體現在農業的虛擬觀測、檢測方面：隨著人工智能的發展，圖像識別技術和自然語言解析被更多地應用在氣象觀測和病蟲害檢測中；美國開發的CERES.SIM-COT作物模擬系統能夠為植株的生長發育建立全套模型，通過設定溫濕度和土壤類型等生長環境的數值，最終計算出作物從發芽到成熟的各階段所需的時間周期[6]；德國的Astragon Software公司開發了一種模擬作物生長環境變化的農場仿真系統，根據虛擬環境中不同氣候變化下農作物的收成，來判斷該作物的耐蟲、耐害能力[7]；作物病蟲害診斷系統作為日本千葉大學研發的一款模擬專家系統，目前已經在生產應用中推廣使用，該系統可對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護上遇到病蟲害的問題[8]。

1.2 國內農業虛擬實驗室的應用現狀

我國的農業虛擬實驗室在建設上延續了國外虛擬農業的研究方向，主要運用在實踐教學、觀測虛擬生物生長和農機自動化應用等方面。

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

1.2.2 虛擬農業實驗 國內虛擬農業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業虛擬實驗技術。在這種實驗環境下，不必進行田間實際種植，只需要在系統輸入設定好的生長環境數值，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，這種對農作物虛擬建模的技術在精細農作方面提供了可靠的數值依據[10-13]。(2)虛擬動物主要是對動物生態結構進行3D模型構建，通過精細化動物器官、組織和系統來研究生物機體的結構，對物種生存和遺傳選育方面具有重大意義[14-16]。(3)農業虛擬儀器是一種能在農機自動化生產上有效縮短農作物品種試驗周期的輔助工具，如農產品分選系統、自動化灌溉和自動化秧苗分析系統等，在農業工程領域有很高的實用性[17-19]。

2 基于VR的虛擬實驗室優勢分析

最初，虛擬實驗室是實驗室教學的一種輔助工具，以現實教學中的課程為建模基礎，依托多媒體技術和計算機仿真技術等，構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的限制，只能做到數字化實驗室培訓的效果，這些軟件大多使用鍵盤鼠標作為輸入設備，讓使用者在電腦上完成簡單的平面培訓課程。近兩年來，伴隨著VR技術的爆炸性發展及其在醫學、娛樂、軍事和教育等各領域的出色應用，虛擬實驗室技術也同樣被注入了全新的活力。

虛擬現實技術(VR)作為一門基于計算機仿真技術的新興學科，曾被列為21世紀工程學面臨的14項重大議題之一，它綜合了計算機圖形學、人工智能、人體工程學和人類神經學等學科的基礎原理，利用支持3D成像的顯示硬件設備和能反饋體感操控的動態抓捕傳感器，配合各類虛擬圖像引擎和建模軟件，構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技術的現代化虛擬實驗室在教育、醫學和工業領域都有出色的表現，而在農業虛擬實驗室中應用VR技術，可以創造出逼真的“虛擬農耕世界”，為農業創新研究提供一個高科技的虛擬現實平臺，其主要的優勢體現在以下幾個方面：

2.1 增強實驗模擬性

在VR技術被成熟應用之前，虛擬實驗室大多是利用計算機和互聯網技術對實驗數據進行分析和共享，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據處理，但很難做到操作實驗的真實感，在教學培訓中的應用效果并不理想。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建模技術提供的高仿真儀器和實驗室環境可以逼真還原實際的實驗流程。使用穿戴式設備進行的輸入操作、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境使實驗流程更加靈活，實驗人員在高仿真的實驗環境中積累了足夠的操作經驗，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，從而規避部分實驗風險。

2.2 節約經費開支

虛擬現實技術(VR)支持下的虛擬實驗室可以在最優化實驗儀器使用壽命的同時，節約高昂的儀器維護費用，減少了實驗器材損耗。傳統的實驗教學普遍受到教學場地、實驗儀器和實驗耗材等因素的影響，既難調動學生的實驗積極性，也很難有效培養學生的實驗操作水平，特別是遇到實驗一時無法達到預期效果而實驗經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，為學員提供逼真的實驗環境，在運作中不存在實際的器、耗材損耗，有效節約了實驗成本。

2.3 突破時空限制

傳統農業研究受自然環境、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的農業虛擬實驗室是一種基于網絡技術、虛擬仿真技術構建的開放式網絡化虛擬實驗系統，其通過利用圖形、語音、視頻、動畫等現代計算機系統輔助性技術，把農業實驗從田間搬到實驗室，通過模擬自然環境、調節植物生長管理要素完成各種預定的實驗項目，通過創建立體三維結構從不同的視角觀察、了解植物生長特點，尋找創新研究的突破點，而不受時空的限制。

3 VR技術的應用瓶頸

虛擬現實技術在2016年紅極一時，Oculus、HTC和索尼等廠商紛紛推出自己的VR應用設備，讓該技術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技術帶來的新鮮感之后，該行業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備的體感不一。廉價的頭戴設備并不能提供良好的VR體驗，但高端產品價格一直居高不下，以HTC為例，其VR套餐產品都是在1萬元人民幣以上。在設備方面，目前的VR產品均采用頭戴式設備來提供視覺體驗，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計讓部分使用者產生眩暈的問題依然有待解決，這種使用設備的行業標準仍有待規范，而多領域應用和多場景的兼容性技術也需要得到進一步突破。

4 VR虛擬實驗室在農業中的應用趨勢

4.1 推進數字農業發展

將傳統農業信息化管理，是數字農業的工作重點之一，圍繞計算機技術發展出的新興科技與農業基礎學科的合理結合，能有效降低農業生產成本，提高農業資源的利用率。如利用虛擬實驗室對各種農作物播種深度、施肥和灌溉用量以及噴灑農藥類型、部位和用量進行模擬研究，探尋最科學的田間管理模式，既能降低經營成本，減少化學藥品對農田的污染，又可突破傳統農業實驗時空限制，在一定程度上可縮短農業項目研究時間，提高農作物產量和品質，具有很好的應用前景。

4.2 優化農業推廣方式

隨著農業產業結構調整，農村城鎮化步伐加快，農業人口不斷向城市轉移，留守鄉村的老人和兒童無法完成繁重的農田勞作。土地流轉、新型農場主誕生已成為農村生產經營的主要模式。新型農場主需要盡快熟悉各種農作物生長規律，改變粗泛傳統的農耕模式，應用精準、生態、高效、規模化生產經營手段，提高單位面積產量和品質。通過虛擬實驗室建立起來的農業專家系統，可以讓學習者在最短的時間里全面感知和了解各種農作物生長規律、田間管理要素以及農機具的使用方法，并在實踐中加以應用，提升農業規模化經營的效益。虛擬仿真技術還可應用于農業新技術的推廣，讓初學者了解新技術要點的同時，親自觸摸、操作加深理解，更有助于農業新技術的傳播。

4.3 助推美麗鄉村建設

美麗鄉村建設是各級政府幫助農民脫貧致富，促進農村經濟發展，提升農民生活品質，加快城鄉一體化進程的重大舉措。虛擬現實技術可以結合鄉村區位優勢、產業特點、人文資源及經濟發展水平制定不同類型規劃模型，展現美麗鄉村遠景。這種現代化的視聽體驗讓使用者在高仿真的環境中，操縱虛擬的物體，不僅可以讓農戶直觀感受鄉村改造后的自然環境和產業優勢，化被動為主動，積極配合政府實施鄉村規劃。也可以讓當地政府提前感受改造區的布局細節，有效避免了改造盲區，節約投資成本。

虛擬美麗鄉村模型同時還可以成為農業科普基地和農家樂產品推介手段，將模型在各級政府舉辦的農博會上展示，通過現場操作演示感光體驗，可激發受眾深入體驗休閑娛樂的愿望。如2018年廣西農業規劃辦為了進一步推進廣西農業旅游的信息化建設，攜手廣州世峰數字科技有限公司開展了一項以VR全景為主題的手機APP休閑農業項目。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地具有特色的休閑農業景區和農家樂旅游景點[22]。這類虛擬美麗鄉村模型能夠起到推介當地特色農產品的廣告效應，為逐步打造特色農產品品牌，助推鄉村休閑旅游農業發展奠定基礎。

5 結語

距離2016年的“VR元年”已經過去2年，VR技術從一個需要借其他平臺使用的配件產物，逐漸轉變為一個成熟獨立的產品。盡管該技術目前仍存在技術上的瓶頸，但是對以教學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品性能不足導致的觀看畫面低幀數而產生眩暈感。因此就目前VR技術在硬件方面所能達到的雙通道高分辨率的播放效果，已經能基本滿足實驗培訓中的人體視覺體驗，并在很大程度上消除使用者對頭戴設備和模擬環境的不適。

在農業領域開始應用VR技術之前，農業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。農業虛擬實驗室的建設讓傳統農業快速跟上科技發展的步伐，不僅能高效地完成各類實驗模型的觀測，加快科研工作的進展速度，也能讓農業教學和培訓脫離書本文字和簡單演示的模式，更好地激發學員的學習興趣。隨著農業虛擬實驗室在實驗成效和技術展示上的成功，VR技術能夠帶動農業產業在創新形式上的前進步伐，更好地促進了我國現代化農業快速健康的發展。