從“海水稻”看虛擬現實技術及其在中國農業發展中的運用

勞業炟，魏興隆，馮 敏

（山東第一醫科大學 醫學信息工程學院，山東 泰安 271000）

農業是人類社會一切活動的基礎。農業的發展意味著糧食產量的增加，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實基礎。作為傳統的農業大國，農業科技發展自古以來就被高度重視；建國初期，由于國內外形勢嚴峻，我國內部面臨嚴峻的糧食考驗；邁入新時代后，習近平主席在東三省考察時強調“要把農業科技發展放在更加突出的位置”。隨著我國科技實力的增強，現代化農業、智能化農業的建設在農業發展中愈發重要，“科技+農業”已經成為了我國農業發展的大趨勢。

1 什么是虛擬技術

虛擬現實技術（Virtual Reality），是20世紀末基于計算機技術的發展而被開發的一種新興實用技術。1984年，由VPL公司的Jaron Lanier首次提出，并在同時期傳入中國。虛擬現實技術作為一種高度集合化的技術囊括計算機技術、仿真技術、3D建模技術等，該技術提供一種以電子計算機模擬生成的虛擬環境，并以一種高感知化的手段使用戶沉浸到該環境中。在社會經濟的發展和計算機技術的不斷進步下，VR技術取得了巨大進步，更多的前沿產業選擇與VR技術結合，并將其作為自己未來主要的發展方向。

1.1 什么是虛擬現實

虛擬現實是通過計算機技術構造出的一個本不存在的事物或環境。高性能電子計算機的出現允許用戶對計算機的各種指令被正確的執行，在虛擬現實技術中的表現是使構造出的事物或環境對應用戶的指令做出各種變化。沉浸式設備的應用使用戶可以擁有身臨其境的感覺。但這些事物和環境并不能脫離計算機的構造獨立存在并被用戶感知，因此稱其為虛擬現實。

1.2 虛擬現實系統的組成及其質量指標

虛擬現實系統主要由頭盔顯示器、多傳感器組、力反饋裝置等多種設備組成。并以環境沉浸感、人機交互能力、想象力等作為主要指標衡量其完善程度。

（1）環境沉浸感（Environmental Immersion）：指用戶在虛擬環境中的體驗所能達到的最高真實程度。在理想狀態下，虛擬現實系統提供的體驗應當做到讓用戶難以分辨虛實，在某些特殊方面，虛擬環境有必要超越現實生活，以體現其先進性，環境沉浸感是建立虛擬現實空間的根本。

（2）人機交互能力（Human-Computer Interaction）：主要指用戶對虛擬環境下的事物的操控能力及其得到的相應反饋能力（自然程度、實時程度），人機交互能力是虛擬現實空間實現的關鍵。

（3）想象力（Vision）：虛擬世界中人與環境的交互本質上是不可預測的。是在多維空間中，依靠用戶自我感知和認知能力全方位獲取知識，發揮主觀能動性。想象力則是虛擬現實空間可以實現的基礎，三個指標相輔相成，缺一不可。也正是通過這三個指標的有機結合，使得虛擬現實系統能夠提供一個足以以假亂真的富有創新的高級系統。

1.3 如何實現虛擬現實系統

虛擬現實系統主要通過：（1）環境建模技術；（2）立體顯示技術；（3）三維虛擬聲音的實現技術；（4）真實感圖形繪制技術；（5）自然交互與傳感技術；（6）實時碰撞檢測技術[1]等技術實現。

1.3.1 環境建模技術（Environment Modeling Technology）

環境建模是利用虛擬現實技術，通過對大量基礎數據進行分析處理，盡可能逼真的還原目標環境中的各種細節。該技術融合數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感與測量技術等多種學科，為人們在虛擬環境中帶來一種可交互的逼真體驗。

1.3.2 立體顯示技術（Stereoscopic Display Technology）

該技術基于人眼成像規律，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雙眼輸出圖像，達到立體顯示的效果。國際上通常使用互補色立體、主動式立體和被動立體這三種方法完成立體顯示。總的來說這種技術加強了三維場景的顯示效果，進一步提升了三維產品的用戶體驗[2]。

1.3.3 三維虛擬聲音的實現技術（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，全向三維定位特性，以一個球拱包裹了聽者的雙耳，更符合人們日常的聽覺方式，極大地增強了人們在虛擬現實中的沉浸感。

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

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

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

自然交互與傳感技術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，一種是基于數據手套的識別，另一種是基于機器視覺的手勢識別，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，增強了其沉浸感。

1.3.6 實時碰撞檢測技術（Real time collision detection technology）

實時碰撞技術作為虛擬交互技術的關鍵問題，被相關領域專家研究多年，常用的檢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可能會給這個問題帶來新的解決方式。通過實現實時碰撞技術，用戶的人機交互能力被進一步提高，使用戶擁有更良好的體驗。

2 虛擬技術在中國農業發展中的作用

2.1 虛擬動植物

該技術基于虛擬現實技術，利用電子計算機對客觀世界的動植物進行模擬、展示，滿足科學研究的需求，通過計算機設計出更加優良的動植物，并轉移運用到現實世界中。該技術的優點在于可以將在現實世界中部分實驗在虛擬環境中進行模擬，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《進化虛擬生物》創建在虛擬三維世界中行動的虛擬生物[5]。

虛擬動物是20世紀末以信息技術和動物科學技術為基礎綜合發展而來的一項新型研究。該研究旨在契合這兩項技術，助力動物科學技術的發展。比如利用現代信息技術將動物的各項體征數字化并上傳至動物信息研究平臺，平臺包括動物的種類、結構、功能、形態、食性、種間關系等（如圖1）。并通過設置聲音和力反饋裝置，提供該物種的直觀信息，便于動物科學研究。

圖1 虛擬動物圖

20世紀九十年代中期，Christa Sommereer和Lauren Mignonneau完成了一種可基于計算機的可交互式生物研究系統“Avolve”。在實時交互式環境“Avolve”中，用戶可以在系統內部構建的虛擬環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]。用戶可以在裝置內創造屬于自己的虛擬動物（虛擬魚），可以實現與“虛擬魚”的交互并觀察其成長過程。一年之后，二人在“Avolve”的基礎上發展出全新的系統“Phototropy”，該系統提供了更完備的生物體系，同時擴展了系統的可互動性。用戶可以在新系統上飼養在“Avolve”上的飼養的“虛擬魚”，甚至可以與這個虛擬環境中的虛擬昆蟲互動。1996年，他們開始研究虛擬生物的建構模塊，觀察了簡單結構是如何通過遺傳操作構建出復雜度高協同性強的全新模塊，并基于自己的研究，創建了“GENMA-Genetic Manipulator”。在這個系統中，生物的設計和形狀可以被用戶操控和探索，在個人娛樂和科學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作研究對象，模擬不同植物的生長發育過程，并通過虛擬環境將其可視化再現。該技術支持對植物生長過程進行建模，同時錄入其數字信息，并將其上傳至植物信息研究平臺。該平臺包括植物的種類、種植環境、生長特點、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行基本的感知與研究。

圖2 虛擬植物

2.1.3 虛擬農產品

虛擬現實技術在農業上的應用成果體現在通過對農業生產行為的模擬對農產品進行產量估算。在虛擬環境中，改變控制動植物的生長發育的因素，分析模擬農產品的各營養成分并對比得出最優解。并將其轉換到現實生活中，提高農產品的產量和質量。在成本和時間上對農業科學研究過程進行優化，極大提高了實驗效率。

綜合考慮植物生理結構和形態特點，錄入其各項數據進行虛擬化轉變，構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據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。或者通過優化作物的株型，提高其截光能力與光合產量，為培育光合生產潛力更強的植物提供理論依據。新西蘭皇家研究所通過虛擬作物技術對新西蘭特有的獼猴桃品種進行改良研究。小組開發了虛擬三維獼猴桃果樹的虛擬現實系統，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 虛擬現實技術在中國的運用

2015年，江蘇省農科院與中國農科院作物所、中國水稻研究所等單位合作承擔國家科技支撐計劃“耐鹽水稻新品種選育及配套栽培技術研究”。為了深挖我國農業潛力，進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中心在青島市李滄區建立。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，青島海水稻研究發展中心在全國的海水稻示范種植面積已經到達10萬畝，并且已經開始對在新疆、青海等地的10萬畝海水稻進行測產。不妨大膽假設一下，當團隊引進成熟的虛擬現實技術，在虛擬世界中種植“海水稻”的場景。

能否培育出優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。通過應用虛擬現實技術，研究者們可以通過錄入各項數據構建虛擬環境，在其中進行各種雜交研究，甚至能夠進行誘變育種的模擬，同時可以將這些研究成果保存在系統中，方便后續工作的對比與總結。工作者可以利用虛擬現實技術建立培育海水稻的虛擬農田區。在虛擬農田區里觀察虛擬海水稻的催芽、播種、結實和收獲。衡量一種作物是否優良，畝產、環境適應能力是重要指標。在虛擬環境中，我們可以設立多組進行橫向對比，選出其中的最優者在現實中進行種植；也可以取樣不同時期的同種秧苗進行縱向對比，以便觀察記錄該種海水稻在不同時期的生長特點。

病蟲害也是影響海水稻生長的重要因素之一。我們可以添加當地植物易感病害，植食性昆蟲品種作為構建虛擬農場的前提，通過控制施肥、秸稈橫截面等變量，選出在這種環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，土地生產力區域差異明顯，沿海地區的鹽堿地狀況都有極大的差異性。因此虛擬現實系統對種植環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、酸堿度等在現實世界中影響水稻長勢的因素。針對各種土地資源特點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境對水稻生長的影響。

衡量一種作物是否優良，畝產、環境適應能力是重要指標，對海水稻研究進行虛擬現實技術的改造，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行統計測算，從研究進程和研究手段上對實驗進行優化，助力我國農業科學技術的發展。

3 結束語

虛擬農業技術研究無疑將對農業研究發展產生翻天覆地的變化，具有劃時代的意義。將復雜且研發時間漫長的生命科學研究放在時間可控的虛擬環境中進行定量定性的分析，極大地縮短了研究周期，而且可以得到直接的實驗數據及結果。但生命現象的虛擬化困難而復雜，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。希望該技術能夠在農業研發領域發揮其真正的作用。