基于Web的4D虛擬農業發展綜述

崔曉陽

摘 要：該文對Internet環境下4D虛擬農業的發展概況、相關概念進行了闡述，并對虛擬現實技術進行了綜述。

關鍵詞：4D；虛擬現實；虛擬農業

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 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 虛擬農業發展概況

基于Web的4D虛擬農業是農業科研的一個重要方向，4D中的前3個“D”指的是空間三維，第4個“D”指的是Time，虛擬農業的目的是要做到對真實場景的完全重建。4D虛擬技術源于1965年美國科學家Sutherland首次提出的“虛擬現實”概念，其后發展緩慢，一直到視窗操作系統出現。

目前的農業虛擬場景已然栩栩如生，看到模型的人恍如看到照片一樣（圖1、圖2）。農業所涉及到的各個對象都是可以建模的，各個對象在不同的時間點也是可以建模的，各個對象之間的相互關系和影響也是可以通過程序和算法來控制的。在圖2（b）的4D玉米地中，由于虛擬引擎采取了隨機建模的方法，對組成玉米的各個部分在限制范圍內隨機建模，無縫組合，形成了各種不同形態的玉米，農夫在玉米地中行走，觸碰到的玉米葉子會發生抖動等真實感很強的變化，若強力觸碰還會發生傾斜、倒伏等，地面會產生揚塵，泥濘的地方會留下走過的足跡。隨著時間的推移，玉米地中的玉米模型形態會如現實中的玉米一樣發生變化，經歷分蘗期、返青期、拔節期、乳熟期、蠟熟期、完熟期、枯萎期等階段，相應的形態、顏色等都會發生變化。

圖1 虛擬農業場景局部（部分收割后的的麥田）

2.6 模型外形與內部，以及環境因子互相作用影響關聯 目前主要偏重于外觀形態的建模，內部模型、內部機理以及與周圍環境因子相互作用的定性、定量關系可以局部或單株深入進行研究，但不是主要方向。

2.7 畫法建模 靠復雜的算法畫出一個模型來，是眾多研究人員的研究方向和成果，但4D引擎的開發不完全是這樣的，更多的是靠前一層軟件的支撐，做出一個模型，前一層軟件則外部接口明確，技術細節封裝，然后貼圖渲染著色打光，形成種類豐富即取即用的模型庫。

3 4D虛擬引擎

目前國內外市場上的虛擬4D引擎多達上百種，上圖市場容量為市場總容量的一部分，為所有這些引擎的虛擬現實應用之和，其中orge是免費的，但使用有更嚴格的限制（圖5）。

圖5 目前主要4D虛擬引擎的市場占有率

4D引擎包含以下系統：渲染引擎、物理引擎、碰撞檢測系統、音效、腳本引擎、電腦動畫、人工智能、網絡引擎以及場景管理引擎等。

建模技術確實是逐步發展起來的，在Opengl和DirectX這2個API基礎上發展到3DMAX、MAYA、Softimage、AutoCAD等到現在的4D虛擬引擎（見圖6）。這是因為如果直接采用底層的建模技術（比如Vc6.0+Opengl或者現在的.net+Opengl），跳過中間的2層，建模將十分困難，所建模型也很失真。目前針對虛擬農業的4D引擎很少，有的引擎也不好用，建立的模型真實感不夠強。出于農業科研的考慮，自主知識產權開發一個引擎也是可以考慮的一個立項依據，但開發引擎投入巨大，周期長，難度高，并且需要強力的市場經濟驅動力，需要綜合考慮這些因素。如果引進，需要考慮實際需求，引擎的購買和授權使用價格十分昂貴，便宜的不好用而又限制太多。各個引擎的功能各有側重。