基于Web的4D虚拟农业发展综述

崔晓阳

摘 要：该文对Internet环境下4D虚拟农业的发展概况、相关概念进行了阐述，并对虚拟现实技术进行了综述。

关键词：4D；虚拟现实；虚拟农业

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）08-124-03

4D Virtual Agriculture Developing Status Based on Web

Cui Xiaoyang

（Institues of Agriculture Information，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

Abstract：The article makes a statement to related concepts， development status of virtual agriculture based on internet environment，and also summarizes the technology of virtual reality.

Key words：4D；Virtual reality；Virtual agriculture

1 虛拟农业发展概况

基于Web的4D虚拟农业是农业科研的一个重要方向，4D中的前3个“D”指的是空间三维，第4个“D”指的是Time，虚拟农业的目的是要做到对真实场景的完全重建。4D虚拟技术源于1965年美国科学家Sutherland首次提出的“虚拟现实”概念，其后发展缓慢，一直到视窗操作系统出现。

目前的农业虚拟场景已然栩栩如生，看到模型的人恍如看到照片一样（图1、图2）。农业所涉及到的各个对象都是可以建模的，各个对象在不同的时间点也是可以建模的，各个对象之间的相互关系和影响也是可以通过程序和算法来控制的。在图2（b）的4D玉米地中，由于虚拟引擎采取了随机建模的方法，对组成玉米的各个部分在限制范围内随机建模，无缝组合，形成了各种不同形态的玉米，农夫在玉米地中行走，触碰到的玉米叶子会发生抖动等真实感很强的变化，若强力触碰还会发生倾斜、倒伏等，地面会产生扬尘，泥泞的地方会留下走过的足迹。随着时间的推移，玉米地中的玉米模型形态会如现实中的玉米一样发生变化，经历分蘖期、返青期、拔节期、乳熟期、蜡熟期、完熟期、枯萎期等阶段，相应的形态、颜色等都会发生变化。

图1 虚拟农业场景局部（部分收割后的的麦田）

2.6 模型外形与内部，以及环境因子互相作用影响关联 目前主要偏重于外观形态的建模，内部模型、内部机理以及与周围环境因子相互作用的定性、定量关系可以局部或单株深入进行研究，但不是主要方向。

2.7 画法建模 靠复杂的算法画出一个模型来，是众多研究人员的研究方向和成果，但4D引擎的开发不完全是这样的，更多的是靠前一层软件的支撑，做出一个模型，前一层软件则外部接口明确，技术细节封装，然后贴图渲染着色打光，形成种类丰富即取即用的模型库。

3 4D虚拟引擎

目前国内外市场上的虚拟4D引擎多达上百种，上图市场容量为市场总容量的一部分，为所有这些引擎的虚拟现实应用之和，其中orge是免费的，但使用有更严格的限制（图5）。

图5 目前主要4D虚拟引擎的市场占有率

4D引擎包含以下系统：渲染引擎、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络引擎以及场景管理引擎等。

建模技术确实是逐步发展起来的，在Opengl和DirectX这2个API基础上发展到3DMAX、MAYA、Softimage、AutoCAD等到现在的4D虚拟引擎（见图6）。这是因为如果直接采用底层的建模技术（比如Vc6.0+Opengl或者现在的.net+Opengl），跳过中间的2层，建模将十分困难，所建模型也很失真。目前针对虚拟农业的4D引擎很少，有的引擎也不好用，建立的模型真实感不够强。出于农业科研的考虑，自主知识产权开发一个引擎也是可以考虑的一个立项依据，但开发引擎投入巨大，周期长，难度高，并且需要强力的市场经济驱动力，需要综合考虑这些因素。如果引进，需要考虑实际需求，引擎的购买和授权使用价格十分昂贵，便宜的不好用而又限制太多。各个引擎的功能各有侧重。