从“海水稻”看虚拟现实技术及其在中国农业发展中的运用

劳业炟，魏兴隆，冯 敏

（山东第一医科大学 医学信息工程学院，山东 泰安 271000）

农业是人类社会一切活动的基础。农业的发展意味着粮食产量的增加，人类社会也随之兴盛，粮食作为人类生活中最重要的生存资料为人类文明的确立提供了坚实基础。作为传统的农业大国，农业科技发展自古以来就被高度重视；建国初期，由于国内外形势严峻，我国内部面临严峻的粮食考验；迈入新时代后，习近平主席在东三省考察时强调“要把农业科技发展放在更加突出的位置”。随着我国科技实力的增强，现代化农业、智能化农业的建设在农业发展中愈发重要，“科技+农业”已经成为了我国农业发展的大趋势。

1 什么是虚拟技术

虚拟现实技术（Virtual Reality），是20世纪末基于计算机技术的发展而被开发的一种新兴实用技术。1984年，由VPL公司的Jaron Lanier首次提出，并在同时期传入中国。虚拟现实技术作为一种高度集合化的技术囊括计算机技术、仿真技术、3D建模技术等，该技术提供一种以电子计算机模拟生成的虚拟环境，并以一种高感知化的手段使用户沉浸到该环境中。在社会经济的发展和计算机技术的不断进步下，VR技术取得了巨大进步，更多的前沿产业选择与VR技术结合，并将其作为自己未来主要的发展方向。

1.1 什么是虚拟现实

虚拟现实是通过计算机技术构造出的一个本不存在的事物或环境。高性能电子计算机的出现允许用户对计算机的各种指令被正确的执行，在虚拟现实技术中的表现是使构造出的事物或环境对应用户的指令做出各种变化。沉浸式设备的应用使用户可以拥有身临其境的感觉。但这些事物和环境并不能脱离计算机的构造独立存在并被用户感知，因此称其为虚拟现实。

1.2 虚拟现实系统的组成及其质量指标

虚拟现实系统主要由头盔显示器、多传感器组、力反馈装置等多种设备组成。并以环境沉浸感、人机交互能力、想象力等作为主要指标衡量其完善程度。

（1）环境沉浸感（Environmental Immersion）：指用户在虚拟环境中的体验所能达到的最高真实程度。在理想状态下，虚拟现实系统提供的体验应当做到让用户难以分辨虚实，在某些特殊方面，虚拟环境有必要超越现实生活，以体现其先进性，环境沉浸感是建立虚拟现实空间的根本。

（2）人机交互能力（Human-Computer Interaction）：主要指用户对虚拟环境下的事物的操控能力及其得到的相应反馈能力（自然程度、实时程度），人机交互能力是虚拟现实空间实现的关键。

（3）想象力（Vision）：虚拟世界中人与环境的交互本质上是不可预测的。是在多维空间中，依靠用户自我感知和认知能力全方位获取知识，发挥主观能动性。想象力则是虚拟现实空间可以实现的基础，三个指标相辅相成，缺一不可。也正是通过这三个指标的有机结合，使得虚拟现实系统能够提供一个足以以假乱真的富有创新的高级系统。

1.3 如何实现虚拟现实系统

虚拟现实系统主要通过：（1）环境建模技术；（2）立体显示技术；（3）三维虚拟声音的实现技术；（4）真实感图形绘制技术；（5）自然交互与传感技术；（6）实时碰撞检测技术[1]等技术实现。

1.3.1 环境建模技术（Environment Modeling Technology）

环境建模是利用虚拟现实技术，通过对大量基础数据进行分析处理，尽可能逼真的还原目标环境中的各种细节。该技术融合数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感与测量技术等多种学科，为人们在虚拟环境中带来一种可交互的逼真体验。

1.3.2 立体显示技术（Stereoscopic Display Technology）

该技术基于人眼成像规律，利用特定算法分别渲染双眼所视的物体图像，并使用特殊的方法对应双眼输出图像，达到立体显示的效果。国际上通常使用互补色立体、主动式立体和被动立体这三种方法完成立体显示。总的来说这种技术加强了三维场景的显示效果，进一步提升了三维产品的用户体验[2]。

1.3.3 三维虚拟声音的实现技术（Technology of 3D virtual sound）

三维虚拟声音与我们熟识的立体声不同。立体声在某种程度上还是基于一个平面调整声道，而三维虚拟声音来自四面八方。其核心是声音定位技术，全向三维定位特性，以一个球拱包裹了听者的双耳，更符合人们日常的听觉方式，极大地增强了人们在虚拟现实中的沉浸感。

1.3.4 真实感图形绘制技术（Realistic graphics rendering technology）

真实感图形绘制作为计算机图形学的重要组成部分，综合运用了多种学科知识，目的是在计算机图形显示设备上生成一种高真实感的彩色图像。这种图像的实质是一种光栅图形，也就是一种用多个像素拼合而成的图形。因此生成一幅真实感图形时，我们必须逐个像素地计算画面上相应景物表面区域的颜色[3]。

1.3.5 自然交互与传感技术（Natural interaction and sensing technology）

自然交互与传感技术的识别方式分为手势识别和面部识别。具体来说手势识别分为两种，一种是基于数据手套的识别，另一种是基于机器视觉的手势识别，对人脸信息的利用方式分为两大类：基于特征的人脸检测方法和基于图像的人脸检测方法[4]。该技术对多种传感器反馈的信息汇总输出，以此提供给了使用者一种对虚拟世界的改变能力，增强了其沉浸感。

1.3.6 实时碰撞检测技术（Real time collision detection technology）

实时碰撞技术作为虚拟交互技术的关键问题，被相关领域专家研究多年，常用的检测算法是层次包围盒法和空间分解法。但是这两种方法还是无法很好地解决复杂物体间的及时碰撞问题。不过高性能可编程图形硬件的出现可能会给这个问题带来新的解决方式。通过实现实时碰撞技术，用户的人机交互能力被进一步提高，使用户拥有更良好的体验。

2 虚拟技术在中国农业发展中的作用

2.1 虚拟动植物

该技术基于虚拟现实技术，利用电子计算机对客观世界的动植物进行模拟、展示，满足科学研究的需求，通过计算机设计出更加优良的动植物，并转移运用到现实世界中。该技术的优点在于可以将在现实世界中部分实验在虚拟环境中进行模拟，从而大量减少了人力物力的损耗。

2.1.1 虚拟动物

卡尔·西蒙的《进化虚拟生物》创建在虚拟三维世界中行动的虚拟生物[5]。

虚拟动物是20世纪末以信息技术和动物科学技术为基础综合发展而来的一项新型研究。该研究旨在契合这两项技术，助力动物科学技术的发展。比如利用现代信息技术将动物的各项体征数字化并上传至动物信息研究平台，平台包括动物的种类、结构、功能、形态、食性、种间关系等（如图1）。并通过设置声音和力反馈装置，提供该物种的直观信息，便于动物科学研究。

图1 虚拟动物图

20世纪九十年代中期，Christa Sommereer和Lauren Mignonneau完成了一种可基于计算机的可交互式生物研究系统“Avolve”。在实时交互式环境“Avolve”中，用户可以在系统内部构建的虚拟环境下与其中的虚拟生物互动，而虚拟生物的形成受到自然法则以及人们主观能动性的影响[6]。用户可以在装置内创造属于自己的虚拟动物（虚拟鱼），可以实现与“虚拟鱼”的交互并观察其成长过程。一年之后，二人在“Avolve”的基础上发展出全新的系统“Phototropy”，该系统提供了更完备的生物体系，同时扩展了系统的可互动性。用户可以在新系统上饲养在“Avolve”上的饲养的“虚拟鱼”，甚至可以与这个虚拟环境中的虚拟昆虫互动。1996年，他们开始研究虚拟生物的建构模块，观察了简单结构是如何通过遗传操作构建出复杂度高协同性强的全新模块，并基于自己的研究，创建了“GENMA-Genetic Manipulator”。在这个系统中，生物的设计和形状可以被用户操控和探索，在个人娱乐和科学研究上都起到了重要作用。

2.1.2 虚拟植物

虚拟植物与虚拟动物的概念大同小异。虚拟植物就是把植物个体和植物集群当作研究对象，模拟不同植物的生长发育过程，并通过虚拟环境将其可视化再现。该技术支持对植物生长过程进行建模，同时录入其数字信息，并将其上传至植物信息研究平台。该平台包括植物的种类、种植环境、生长特点、用途、危害等信息（如图2），而且允许用户对该平台上录入的植物进行基本的感知与研究。

图2 虚拟植物

2.1.3 虚拟农产品

虚拟现实技术在农业上的应用成果体现在通过对农业生产行为的模拟对农产品进行产量估算。在虚拟环境中，改变控制动植物的生长发育的因素，分析模拟农产品的各营养成分并对比得出最优解。并将其转换到现实生活中，提高农产品的产量和质量。在成本和时间上对农业科学研究过程进行优化，极大提高了实验效率。

综合考虑植物生理结构和形态特点，录入其各项数据进行虚拟化转变，构造出这种植物的虚拟版本，研究者可以基于这种虚拟植物开展研究。比如可以利用虚拟植物的叶片面积数据估算出植物每一叶片接收到的光辐射量，以此研究植物群体的光分布情况。或者通过优化作物的株型，提高其截光能力与光合产量，为培育光合生产潜力更强的植物提供理论依据。新西兰皇家研究所通过虚拟作物技术对新西兰特有的猕猴桃品种进行改良研究。小组开发了虚拟三维猕猴桃果树的虚拟现实系统，只需要在显示器上就可以观察猕猴桃果树一生七个阶段，一整年的生长周期被缩短到不足1分钟的时间[7]，极大地提高了作物品种研究的效率。

2.1.4 虚拟现实技术在中国的运用

2015年，江苏省农科院与中国农科院作物所、中国水稻研究所等单位合作承担国家科技支撑计划“耐盐水稻新品种选育及配套栽培技术研究”。为了深挖我国农业潜力，进一步解决我国甚至全世界的粮食问题，以袁隆平院士为核心的海水稻研发中心在青岛市李沧区建立。该中心致力于选育适合在我国沿海盐碱地生长的海水稻品种。截止到2020年，青岛海水稻研究发展中心在全国的海水稻示范种植面积已经到达10万亩，并且已经开始对在新疆、青海等地的10万亩海水稻进行测产。不妨大胆假设一下，当团队引进成熟的虚拟现实技术，在虚拟世界中种植“海水稻”的场景。

能否培育出优良的种子是水稻种植面临的第一道难题，盐碱地的特殊情况对水稻种子的培育提出新的要求。通过应用虚拟现实技术，研究者们可以通过录入各项数据构建虚拟环境，在其中进行各种杂交研究，甚至能够进行诱变育种的模拟，同时可以将这些研究成果保存在系统中，方便后续工作的对比与总结。工作者可以利用虚拟现实技术建立培育海水稻的虚拟农田区。在虚拟农田区里观察虚拟海水稻的催芽、播种、结实和收获。衡量一种作物是否优良，亩产、环境适应能力是重要指标。在虚拟环境中，我们可以设立多组进行横向对比，选出其中的最优者在现实中进行种植；也可以取样不同时期的同种秧苗进行纵向对比，以便观察记录该种海水稻在不同时期的生长特点。

病虫害也是影响海水稻生长的重要因素之一。我们可以添加当地植物易感病害，植食性昆虫品种作为构建虚拟农场的前提，通过控制施肥、秸秆横截面等变量，选出在这种环境下长势最好的品种，以此培育出抗病虫害的品种。

我国幅员辽阔，各类土地资源的空间分布并不平衡，土地生产力区域差异明显，沿海地区的盐碱地状况都有极大的差异性。因此虚拟现实系统对种植环境的虚拟显得尤为重要。研究员可以模拟出盐碱地的温度湿度、土体盐分含量、酸碱度等在现实世界中影响水稻长势的因素。针对各种土地资源特点情况研究不同的水稻种子，做到因地制宜，在最大程度上减小不良环境对水稻生长的影响。

衡量一种作物是否优良，亩产、环境适应能力是重要指标，对海水稻研究进行虚拟现实技术的改造，可视、可操作的对苗床温度湿度、插秧时间、施肥、浇水、病虫防治等各种影响水稻生长的因素进行统计测算，从研究进程和研究手段上对实验进行优化，助力我国农业科学技术的发展。

3 结束语

虚拟农业技术研究无疑将对农业研究发展产生翻天覆地的变化，具有划时代的意义。将复杂且研发时间漫长的生命科学研究放在时间可控的虚拟环境中进行定量定性的分析，极大地缩短了研究周期，而且可以得到直接的实验数据及结果。但生命现象的虚拟化困难而复杂，需要研究工作者对生命工程本身保持敬畏，未来还有很长的一段路要走。希望该技术能够在农业研发领域发挥其真正的作用。