VR虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用課件

1、計算機在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用周美蘭湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院第1頁，共43頁。第七章 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第一節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬農(nóng)業(yè)第二節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第三節(jié) 虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢8/4/20222湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第2頁，共43頁。虛擬農(nóng)業(yè)信息資料查閱8/4/20223湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第3頁，共43頁。第一節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬農(nóng)業(yè)一、 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的由來與概念與概念(一)虛擬現(xiàn)實(二)虛擬現(xiàn)實的基本特征1、是多感知性 2、是沉浸感 3、是實時交互性4、是自主性 二、 虛擬農(nóng)業(yè)8/4/20224湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第4頁，共43頁。一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2、的由來與概念1965年,Suther land首次提出了具有交互圖形顯示，反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想;1966年,美國正式開始了頭盔式顯示器的研制工作; 1970年,出現(xiàn)第一個功能較齊全的頭盔式顯示器系統(tǒng); 20世紀(jì)80年代初,Jaron Lanier提出了虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR),美國宇航局及國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究,并取得了顯著成果，引起了對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用,展示了虛擬農(nóng)業(yè)巨大的應(yīng)用潛能。8/4/20225湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第5頁，共43頁。 （一）虛擬現(xiàn)實（Virtual Reali

3、ty） 是指利用計算機技術(shù)生成一個逼真的、具有視覺、聽覺、觸覺等效果的可交互的、動態(tài)的世界,人們可以對該虛擬世界中的虛擬實體進(jìn)行操縱和考察；它是信息科學(xué)領(lǐng)域一類新興的工程技術(shù),是在計算機圖形學(xué)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及面向?qū)ο蠹夹g(shù)和智能決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。虛擬現(xiàn)實作為當(dāng)今計算機最熱門的技術(shù)之一,極大地突破了事物表達(dá)的傳統(tǒng)方法的局限,使過去認(rèn)為只擅長處理字化單維信息的計算機發(fā)展為能處理適合人的特性的多維信息,使人們可以將想象的環(huán)境虛擬實現(xiàn),并可以在其中以最自然的動作與這種虛擬現(xiàn)實進(jìn)行交流。8/4/20226湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周

4、美蘭第6頁，共43頁。（二）虛擬現(xiàn)實的基本特征1、多感知性 除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知外 , 虛擬現(xiàn)實技術(shù)還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知 , 甚至味覺感知、嗅覺感知等 。 2、沉浸感 人在虛擬環(huán)境中,可以獲得有如身在真實世界中的逼真感覺。3、實時交互性 人在虛擬環(huán)境中不只是被動地感受 , 還可以采取現(xiàn)實生活中習(xí)以為常的方式來操縱模擬場景中的物體 。4、自主性 自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度 , 例如 , 當(dāng)受到力的推動時 , 物體會沿力的方向運動。8/4/20227湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第7頁，共43頁。二、虛擬農(nóng)業(yè)從廣義來說,虛擬農(nóng)業(yè)主要包括:虛擬植物:用以培育

5、水稻、玉米、小麥、大豆、棉花等主要農(nóng)作物的新品種;虛擬動物:用以培育豬、牛、羊、雞、魚等主要畜產(chǎn)品和水產(chǎn)品的新品種;利用VR技術(shù),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施的利用效率;利用VR技術(shù),提高農(nóng)業(yè)資源綜合利用效率;利用VR技術(shù),對農(nóng)產(chǎn)品市場進(jìn)行模擬;利用VR技術(shù),對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理進(jìn)行模擬;科學(xué)可視化技術(shù)在農(nóng)業(yè)技術(shù)教育、培訓(xùn)、科研中的應(yīng)用等等。8/4/20228湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第8頁，共43頁。第二節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用1、虛擬植物2、虛擬動物3、虛擬立體農(nóng)業(yè)4、虛擬節(jié)水5、虛擬實驗6、虛擬農(nóng)場7、 虛擬果樹修剪8 、虛擬農(nóng)業(yè)布局9 、虛擬農(nóng)業(yè)區(qū)劃10、虛擬城市農(nóng)業(yè)11、虛擬農(nóng)機12、虛擬

6、溫室8/4/20229湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第9頁，共43頁。1、虛擬植物(Virtual Plants) 是指利用VR技術(shù)模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育過程。利用虛擬植物技術(shù)，可以在電腦屏幕上設(shè)計農(nóng)作物,然后再進(jìn)行實際培育或用基因工程技術(shù)繁殖出真實的農(nóng)作物,使農(nóng)作物新品種具有虛擬植物的理想性狀。新西蘭Hort研究所利用虛擬作物技術(shù)對幾維果(獼猴桃)品種進(jìn)行改良研究。研究小組開發(fā)了虛擬幾維果樹的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),使人們可以在計算機顯示器上觀看幾維果樹發(fā)芽、生長、抽枝、展葉、開花、結(jié)果和果實成長,一整年的生長周期被縮至不到1分鐘的時間。8/4/202210湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第10頁，共4

7、3頁。中國虛擬植物標(biāo)本館（簡稱CVH） 8/4/202211湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第11頁，共43頁。 中國數(shù)字植物標(biāo)本館 / 8/4/202212湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第12頁，共43頁。中國數(shù)字植物標(biāo)本館網(wǎng)絡(luò)雜志8/4/202213湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第13頁，共43頁。8/4/202214湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第14頁，共43頁。8/4/202215湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第15頁，共43頁。虛擬植物的優(yōu)勢虛擬植物比傳統(tǒng)植物生長模擬模型具有很大的優(yōu)勢例如：植物群體對光的截獲很難進(jìn)行精確定量化研究,而利用虛擬植物,能判別光線被葉片截獲, 穿過葉間空隙到達(dá)冠層更深處,從而

8、容易地計算出植物群體空間中任意位置點的光通量的精確值。利用虛擬植物模擬農(nóng)藥從噴霧器中噴出后的空間運行軌跡,直觀地觀察農(nóng)藥在植物群體中的空間分布與害蟲的位置關(guān)系,從而可確定農(nóng)藥的最佳噴施方法。利用虛擬植物技術(shù),則可以非常直觀地對農(nóng)田、森林等復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)難以觀察到的規(guī)律。利用虛擬植物, 尋找一種既能對付蟲害又不污染環(huán)境的方法。利用虛擬植物對找最佳栽培方式。8/4/202216湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第16頁，共43頁。2、虛擬動物利用計算機可視化地模擬動物在各種營養(yǎng)物脅迫條件下的生長過程 用戶操作計算機不但可以了解動物生長全過程中鮮、干各種物質(zhì)的積累形狀 , 而且還可以從不同視角

9、了解動物的逼真形態(tài)。在計算機支持下 ,一次模擬實驗只需幾分鐘即可得到實驗結(jié)果 , 大大加快了實驗的速度 , 減少了實驗的投入 , 而且可以完成在自然條件下難以得到的實驗結(jié)果。8/4/202217湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第17頁，共43頁。3、 虛擬立體農(nóng)業(yè)主要是通過對光資源利用的模擬( 進(jìn)而 , 可模擬地下部對水、肥等的吸收利用狀況等) , 實現(xiàn)對立體農(nóng)業(yè) ( 間作、套種、混種等) 的優(yōu)化管理。8/4/202218湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第18頁，共43頁。4、 虛擬節(jié)水模擬不同作物、不同株型、不同節(jié)水型灌溉方式、不同的栽培管理措施 , 模擬自然降水過程對水分的吸收利用狀況 , 來實現(xiàn)水分

10、最大的利用。8/4/202219湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第19頁，共43頁。5 、虛擬實驗應(yīng)用計算機建立反映客觀規(guī)律的虛擬模型 應(yīng)用虛擬模型進(jìn)行實驗 , 可以部分地替代在現(xiàn)實世界中難以進(jìn)行的實驗 , 或者是費時、費力和費錢的實驗。8/4/202220湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第20頁，共43頁。6、 虛擬農(nóng)場 在教學(xué)、科普教育和農(nóng)業(yè)科技推廣領(lǐng)域 , 可利用虛擬植物模型建立虛擬農(nóng)場讓學(xué)員在計算機上種植虛擬作物進(jìn)行虛擬農(nóng)田管理直觀地觀察作物生長過程及最終結(jié)果8/4/202221湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第21頁，共43頁。8 、虛擬農(nóng)業(yè)布局 利用虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行模擬 , 可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)布局規(guī)劃設(shè)計

11、效果的形象化 ; 在觀光農(nóng)業(yè)中 , 可以模擬采摘、銷售、觀賞、垂釣、游樂等活動 , 為旅客設(shè)計合理路線 , 讓旅游者最大限度地參與、親自體驗。8/4/202222湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第22頁，共43頁。9 、虛擬農(nóng)業(yè)區(qū)劃模擬糧食生產(chǎn)與多種經(jīng)濟(jì)作物合理搭配種植 ; 模擬農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式。8/4/202223湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第23頁，共43頁。10 、虛擬城市農(nóng)業(yè)城市農(nóng)業(yè)是充分合理地利用城市空間和優(yōu)越條件來發(fā)展農(nóng)業(yè)的一種探索。利用虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)可以模擬環(huán)境、生態(tài)、科技、生產(chǎn)、觀賞為一體的城市農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展模式 , 便于決策、實施。8/4/202224湖南農(nóng)

12、業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第24頁，共43頁。11、 虛擬農(nóng)機可以虛擬農(nóng)機設(shè)計、農(nóng)機制造和農(nóng)機測試。例如 ,采用虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù) , 對試驗對象的各個指標(biāo)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量、實時處理和實時分析 ；有利于提高測試水平 , 得出比較精確的結(jié)論 , 為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供更可靠的依據(jù)。8/4/202225湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第25頁，共43頁。12、 虛擬溫室虛擬溫室是將數(shù)據(jù)、材料、模型、物理屬性和高級算法整合成的一個研究平臺 , 研究溫室對外界環(huán)境的反應(yīng) , 將物理學(xué)( 如溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱和力學(xué)屬性)和環(huán)境學(xué)( 氣候變化和植物生理信息) 結(jié)合起來 , 進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報溫室對外界各種變化( 氣候條件、植物

13、生長和人工干擾。8/4/202226湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第26頁，共43頁。第三節(jié) 虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢一、虛擬植物生長建模與可視化研究二、虛擬植物模型的分類三、目前研究存在的問題四、植物模型的可視化8/4/202227湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第27頁，共43頁。虛擬植物生長虛擬植物生長是對植物在三維空間中的結(jié)構(gòu)發(fā)育與生長過程的計算機仿真。 虛擬植物生長是計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的一個方面, 也是作物栽培、作物生理生態(tài)、作物育種研究的一個新方向。 虛擬植物生長的計算機建模與可視化仿真研究在農(nóng)林業(yè)、景觀設(shè)計或園林設(shè)計、虛擬實現(xiàn)、計算機動畫、計算機教學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

14、 以計算機為手段對作物生長進(jìn)行建模與仿真, 將為探索植物生長過程的規(guī)律, 改善人類生存環(huán)境帶來新的契機 。8/4/202228湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第28頁，共43頁。一、虛擬植物生長建模與可視化研究計算機模擬植物生長過程涉及多學(xué)科, 如生物學(xué)、植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、信息科學(xué)及應(yīng)用數(shù)學(xué)等。deWit 對作物群體的光合作用進(jìn)行了模擬研究, 許多國家的研究人員在作物生長的計算機模擬領(lǐng)域做了大量的工作,建立了一些作物生長的計算機模擬模型, 并得到了廣泛的應(yīng)用。目前, 國際上比較領(lǐng)先的系統(tǒng)性研究機構(gòu)包括: 法國以deReffye為首開發(fā)的AMAP 植物生長軟件系統(tǒng); 加拿大以 P ru s ink ie

15、w icz 為領(lǐng)導(dǎo)的虛擬植物實驗室; 德國哥廷根大學(xué) Ku r th 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組; 澳大利亞 CPA I研究中心; 美國、新西蘭等國家的研究機構(gòu)；我國主要工作包括農(nóng)作物方面與計算機圖形學(xué)方面。8/4/202229湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第29頁，共43頁。1、L系統(tǒng)模型1968年,生物學(xué)家Aristid Lindenmayer從生物形態(tài)學(xué)的角度出發(fā),提出了一種用以構(gòu)造生物組織生長形態(tài)的并行語法,簡稱為L系統(tǒng),此方法的創(chuàng)造性在于形式化地描述了植物或其他生物的結(jié)構(gòu)特征和生長過程。A.R.Smith和Prusinkiew icz等人將L系統(tǒng)與計算機圖形學(xué)結(jié)合起來,在計算機上產(chǎn)生了大量栩栩如生的

16、植物形態(tài)。8/4/202230湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第30頁，共43頁。L系統(tǒng)產(chǎn)生的植物圖像 為了確定某一L系統(tǒng),需要包括:公理或初始字符串;烏龜運動的角度;一個或多個產(chǎn)生式規(guī)則,以描述字符串替換操作。L系統(tǒng)的高度抽象性使其應(yīng)用多有不便。在形式語言表示與植物生長的數(shù)理生態(tài)參數(shù)之間沒有直觀的關(guān)系。8/4/202231湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第31頁，共43頁。2AMAP系統(tǒng)模型法國CIRAD的植物建模機構(gòu)開發(fā)了一種不同于L系統(tǒng)的植物生長模擬方法, 綜合了植物學(xué)家Halle等人提出的植物構(gòu)筑學(xué)方面的定性知識, 對植物芽的功能作用, 如生長、死亡、分枝等過程進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)描述。依據(jù)這個方法建立

17、的植物生長軟件的名稱為AMAP 。8/4/202232湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第32頁，共43頁。參考軸技術(shù)圖 參考軸的有限狀態(tài)自動機表示De Reffye等人提出“參考軸技術(shù)”,定量地模擬植物構(gòu)建的動態(tài)發(fā)展。下圖為參考軸的有限狀態(tài)自動機表示。參考軸是一個理論上的植物軸, 它包括植物從種子到開花可能經(jīng)歷的所有不同階段, 每一個階段對應(yīng)一個給定的生理年齡。8/4/202233湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第33頁，共43頁。3虛擬植物模型 用AMA系統(tǒng)模擬的不同生長階段雪松圖像該模型是由澳大利亞CPAI研究中心在L系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合外部環(huán)境模型 (光照、病蟲害等)以及由三維數(shù)字化儀獲取的三維植物的

18、測量數(shù)據(jù)獲得的。該模型包含新的植物器官產(chǎn)生規(guī)則以及已有器官的大小幾何形狀變化規(guī)則。虛擬植物模型通過分析測量數(shù)據(jù)獲得的植物形態(tài)發(fā)育規(guī)則來描述植物的生長過程。 8/4/202234湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第34頁，共43頁。4分形(Fractals)模型 分形方法是根據(jù)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu),利用描述自相似性的數(shù)學(xué)工具來表現(xiàn)植物生長的拓?fù)湟约靶螒B(tài)結(jié)構(gòu),主要包括疊代函數(shù)系統(tǒng)、分枝矩陣、粒子系統(tǒng)、正規(guī)文法方法、A系統(tǒng)以及Opp enheimer提出的特定的分形方法等。圖 由虛擬植物模型產(chǎn)生的三維虛擬豆類植物8/4/202235湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第35頁，共43頁。二、虛擬植物模型的分類8/4/202

19、236湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第36頁，共43頁。3植物模型的可視化虛擬植物最終是以計算機軟件的形式實現(xiàn)和投入的，如下圖：8/4/202237湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第37頁，共43頁。植物生長軟件分類植物生長軟件可分為“模擬”和“分析”兩大功能。軟件的基本結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地分為兩大模塊: “模擬”部分是一個獨立的模塊, 它根據(jù)設(shè)定的模型參數(shù)和環(huán)境條件, 計算出植物的動態(tài)生長過程;“分析”功能是以“模擬”為基礎(chǔ), 輔之以特定的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法, 處理實驗測量數(shù)據(jù), 從中提取有用的信息, 發(fā)現(xiàn)規(guī)律, 比如估計模型的隱含參數(shù)等。植物生長模擬程序通常又稱為“生長機”(growth engine)。8/4/

20、202238湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第38頁，共43頁。四、目前研究存在的問題1、以植物為對象的建模方法遠(yuǎn)未完善, 形態(tài)發(fā)育模擬模型與生態(tài)生理模擬模型的集中研究工作還很少。2、單純的分形方法在實現(xiàn)各種作物構(gòu)造模型方面能力有限, 且缺少與生態(tài)生理模型的接口方式。3、若將L 系統(tǒng)實施分為設(shè)計 (信息壓縮)與計算 (信息膨脹) 兩個階段, 目前仍然缺少L系統(tǒng)的設(shè)計方法8/4/202239湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 周美蘭第39頁，共43頁。四、目前研究存在的問題4、如何直接、合理地引入植物學(xué)知識將是研究植物形態(tài)發(fā)生模型的關(guān)鍵另一個主要問題是模型用于實際的有效性與可靠程度。5、由于模型是對真實系統(tǒng)的簡化與概要描述, 存在這種簡化與概要描述是否與真實系統(tǒng)的變化反應(yīng)一致, 模型的誤差及其與事實是否相符等問題, 因此在模型運用之前就必須對模型進(jìn)行檢驗。6、有些機理過程 (如光合作用、干物質(zhì)分配等)并非是可直接測量的,這都給模型校核帶來困難。7、目前驗證模型的方法很多, 但仍缺少對植物生長機模型在校驗與驗證方面的系統(tǒng)性研究工作。8、植物生長模型的應(yīng)用受到諸多因素的影響, 而目前的模擬模型還未能考慮全部的限制因子。8/4/202240湖南