虚拟现实技术在蔬菜展示中的应用

芦天罡 张 华 张辉鑫 唐 朝 王 剑

（北京市农业农村局信息中心，北京 100029）

作为2019年北京世界园艺博览会重要组成部分的百蔬园，是一个集科学性、时尚性、观赏性、体验性、参与性于一体，并可长期持续运营的蔬菜专项展示园，更是未来市民的美菜园、农民的新知园。在这样的大背景下，结合北京打造世界水平都市型现代农业的远景规划，宣传好北京农业发展理念及北京蔬菜产业发展的科技含量，让首都市民和郊区农民了解蔬菜产业、关注蔬菜产业，让蔬菜产业更好地服务首都、服务百姓是十分必要的。百蔬园配套支撑建设分3期完成，充分发挥数字技术的优势，增强游客兴趣和互动效果，突破传统会展在时间和空间上的限制，实现多元化展示，提升科技感和交互性，从而达到更科技、更创新、更艺术、更生态、更有效的目的[1]。

1 百蔬园蔬菜展示中虚拟现实体验系统的应用

一期项目从突出“沉浸体验、智能互动”的特征出发，设计开发百蔬园虚拟现实体验系统，涵盖了蔬菜的科技、历史、文化、养生等全方位内容，与HTC VIVE虚拟现实一体机等硬件设备对接，满足世界园艺博览会现场不同年龄层次、知识层次人士的创意式感官体验和数字化社交需求。

系统开发基于VR技术+农业的虚拟体验系统模式，围绕世界园艺博览会主题，充分利用虚拟现实技术展现了蔬菜的科技、历史、文化、养生等内容。按照蔬菜种类、地域、名特优、膳食搭配、延伸的关联性等进行了选题设计，确定了选题设计原则和选题设计依据，最终确定了选题内容设计。

一期项目主要完成了以下工作内容：建立蔬菜模型资源库、建立VR体验系统、建立3D立体UI系统、实现VR 3D场景与VR视频融合、建立基于用户体验的VR眼镜图像识别交互操作系统等。系统建设后，具有易用性、实时性、稳定性和针对性等特点[2]。

系统在功能上相对独立，在形式上无缝对接，充分保证了项目结构的完整性和合理性。4类15项的功能架构系统如图1所示。

2 百蔬园虚拟现实体验区研发内容

2.1 开发百蔬园虚拟现实系统模型库

利用 3DS Max、Java 3D、OpenGL等软件完成几何建模、运动建模、物理建模、行为建模以及声音建模。分析上述模型等数据结构，利用Access等工具设计开发系统模型库，用来存放并分类管理各个对象数据。

2.2 蔬菜虚拟现实体验内容筹备

结合蔬菜科技、历史、文化、养生等方面的知识内容，设计科技篇、历史篇、文化篇、养生篇4个虚拟现实体验单元。每个体验单元设计若干虚拟体验项目，由虚拟导游“菜宝”引领，畅游百蔬园。科技篇包括周游列国（世界各国名特优新蔬菜品种）、智慧菜园（现代化设施农业技术）、神奇蔬菜墙（立体栽培科技）、蔬果之安（蔬果安全保障科技）、蔬鲜之道（现代化蔬菜储藏保鲜技术、现代化物流）等虚拟体验项目；历史篇包括粮菜同源（蔬菜的起源与驯化）、农圃分工（专营蔬菜的兴起）、春华秋实（蔬菜大规模生产、多种种植制度的形成和发展以及现代设施规模生产的形成）、丝路馈赠（蔬菜的引种与国际化交流）等体验项目；文化篇包括千年菜文化（千年蔬菜文化之旅）、菜鸟工作室（蔬菜画、插花、工艺品虚拟设计体验）；养生篇包括疯狂沙拉城（营养搭配、创意沙拉）、种菜大赢家（阳台种菜）、我是名大厨（名菜烹饪趣味体验）、寻找时令蔬菜（时令饮食养生）等。

2.3 百蔬园虚拟现实基础平台构建

建设百蔬园虚拟现实开发平台，用于三维图形驱动的建立和应用功能的二次开发，同时连接虚拟现实外设，建立数学模型和应用数据库的基础平台。该平台是整个虚拟现实系统的核心，负责整个虚拟现实场景的开发、运算、生成，连接和协调各子系统的工作和运转。利用该平台，将开发的虚拟现实体验内容与VR头戴显示器、VR手机眼镜、动感座椅、3D打印机等外设输出设备进行接口对接以及安装调试[3]。

3 现代蔬菜虚拟化展示提升

二期项目是在一期项目的基础上经过调研、论证和分析，进行全面的升级优化。优化历史篇、文化篇，将养生篇规划到文化篇，重点开发科技篇。科技篇中，将一期周游列国模块、丝路馈赠模块整合进入世界蔬菜谱模块中，通过星空空间跳转的方式，使用户了解世界各大地区蔬菜情况，同时再现海路运输、沙漠驼队运输的情景，让用户充分沉浸在场景中，以获得更好的参观体验。将智慧菜园和神奇蔬菜墙模块整合进入科技篇智慧农业模块：原有智慧菜园模块更名为观光温室，对体验内容进行优化；将蔬鲜之道场景整合进入加工车间模块并且增添加工包装场景；全新加入日光温室、连栋温室等智能温室相关内容，使用户了解到从蔬菜种植采摘到加工运输的一条龙流程，充分利用虚拟现实技术展示关于蔬菜的科技新成果。使用户能够沉浸其中，感受农业科技带来的魅力（图2）。

针对目前4类15项蔬菜虚拟现实体验内容，从真实度、准确度、美观度入手，进行3D模型优化、3D虚拟场景优化、对象3D动作的实现。从虚拟体验的科学深度和广度方面，丰富和充实现代蔬菜科技文化虚拟展示内容；从交互体验效果的人性化、智能化入手，结合体验单元特点，设计实现剧情导引、空间导引、视觉导引等复合式交互体验功能，实现与虚拟空间对象的智能互动，打造一流的沉浸式交互体验效果。

虚拟现实与会展结合具有无可比拟的优越性，集成3D、虚拟现实等技术，设计制作本虚拟现实体验，使游客从逼真的虚拟世界中获取真实世界难以得到的体验和感受，满足游客获取信息的需求，满足游客对会展体验项目日益提升的要求。

4 虚拟世界园艺博览会漫游及全息投影互动体验系统建设

三期目标是借助全息投影、虚拟现实手段，建立百蔬园全息投影互动体验系统和虚拟世界园艺博览会漫游体验系统。

4.1 百蔬园全息投影互动体验系统

打造百蔬园全息投影展示内容和墙面投影互动体验内容，充分发挥数字技术的优势，增强游客兴趣和互动效果，实现多元化展示，提升科技感和交互性，从而达到更科技、更创新、更艺术、更生态、更有效的目的（图3、4）。

4.2 虚拟世界园艺博览会漫游体验系统

借助虚拟现实手段，全景纪录2019年北京世界园艺博览会的精彩看点，建设虚拟世界园艺博览会漫游体验系统，打造永不落幕的百蔬园，形成珍贵的3D数字影像资料，突破传统展会在时间和空间上的限制，使各地观众通过互联网就可以实现在虚拟世界园艺博览会漫游体验系统中全面体验百蔬园的展示场景和内容，还能在展会结束以后一直提供逼真的虚拟世界园艺博览会体验内容，满足新媒体环境下公众观展需求多元化的需要（图5）[4]。

实景数据依据时间轴和空间轴，利用3DMAX技术，规划时间，定期、定时、定点采集数据，搭建现代设施园艺3D全息全时数据库，为开发虚拟漫游系统奠定数据基础。

漫游系统建设实现智能导览系统设计与漫游体验节点交互设计。用户良好漫游体验的前提是构建智能人性化的漫游导览系统（UI/UE）。设计的导览系统不仅能够反映场景体验的路线、位置和内容，也将更加直观、易用、人性化。在常规导览系统设计外，还将进行分众导览系统设计，包括多语种语音提示、残障人士关爱提示等。

在世界园艺博览会现场针对百蔬园成果开辟专门的游客体验场所，通过墙体装修和景观陈设，结合现代声光电技术，营造奇异梦幻的体验空间，将4大类15个互动体验项目有机地串联起来，使游客置身于迪士尼似的虚实交织的场景当中，获得生动全新的体验。

世界园艺博览会不仅是新技术和新产品的展示会，更是中国面向世界重要的窗口，展示着中国的发展成就。虚拟现实技术本身是数字科技发展的成果，将虚拟现实技术与世界园艺博览会完美结合，为游客提供颠覆性的模拟真实体验感受，打破会展局限性，提高世界园艺博览会的国际影响力。同时，世界园艺博览会也对数字创意领域带来影响，推动了虚拟现实产业发展，具有重要的现实意义[5]。