虛擬現實技術在蔬菜展示中的應用

蘆天罡 張 華 張輝鑫 唐 朝 王 劍

（北京市農業農村局信息中心，北京 100029）

作為2019年北京世界園藝博覽會重要組成部分的百蔬園，是一個集科學性、時尚性、觀賞性、體驗性、參與性于一體，并可長期持續運營的蔬菜專項展示園，更是未來市民的美菜園、農民的新知園。在這樣的大背景下，結合北京打造世界水平都市型現代農業的遠景規劃，宣傳好北京農業發展理念及北京蔬菜產業發展的科技含量，讓首都市民和郊區農民了解蔬菜產業、關注蔬菜產業，讓蔬菜產業更好地服務首都、服務百姓是十分必要的。百蔬園配套支撐建設分3期完成，充分發揮數字技術的優勢，增強游客興趣和互動效果，突破傳統會展在時間和空間上的限制，實現多元化展示，提升科技感和交互性，從而達到更科技、更創新、更藝術、更生態、更有效的目的[1]。

1 百蔬園蔬菜展示中虛擬現實體驗系統的應用

一期項目從突出“沉浸體驗、智能互動”的特征出發，設計開發百蔬園虛擬現實體驗系統，涵蓋了蔬菜的科技、歷史、文化、養生等全方位內容，與HTC VIVE虛擬現實一體機等硬件設備對接，滿足世界園藝博覽會現場不同年齡層次、知識層次人士的創意式感官體驗和數字化社交需求。

系統開發基于VR技術+農業的虛擬體驗系統模式，圍繞世界園藝博覽會主題，充分利用虛擬現實技術展現了蔬菜的科技、歷史、文化、養生等內容。按照蔬菜種類、地域、名特優、膳食搭配、延伸的關聯性等進行了選題設計，確定了選題設計原則和選題設計依據，最終確定了選題內容設計。

一期項目主要完成了以下工作內容：建立蔬菜模型資源庫、建立VR體驗系統、建立3D立體UI系統、實現VR 3D場景與VR視頻融合、建立基于用戶體驗的VR眼鏡圖像識別交互操作系統等。系統建設后，具有易用性、實時性、穩定性和針對性等特點[2]。

系統在功能上相對獨立，在形式上無縫對接，充分保證了項目結構的完整性和合理性。4類15項的功能架構系統如圖1所示。

2 百蔬園虛擬現實體驗區研發內容

2.1 開發百蔬園虛擬現實系統模型庫

利用 3DS Max、Java 3D、OpenGL等軟件完成幾何建模、運動建模、物理建模、行為建模以及聲音建模。分析上述模型等數據結構，利用Access等工具設計開發系統模型庫，用來存放并分類管理各個對象數據。

2.2 蔬菜虛擬現實體驗內容籌備

結合蔬菜科技、歷史、文化、養生等方面的知識內容，設計科技篇、歷史篇、文化篇、養生篇4個虛擬現實體驗單元。每個體驗單元設計若干虛擬體驗項目，由虛擬導游“菜寶”引領，暢游百蔬園。科技篇包括周游列國（世界各國名特優新蔬菜品種）、智慧菜園（現代化設施農業技術）、神奇蔬菜墻（立體栽培科技）、蔬果之安（蔬果安全保障科技）、蔬鮮之道（現代化蔬菜儲藏保鮮技術、現代化物流）等虛擬體驗項目；歷史篇包括糧菜同源（蔬菜的起源與馴化）、農圃分工（專營蔬菜的興起）、春華秋實（蔬菜大規模生產、多種種植制度的形成和發展以及現代設施規模生產的形成）、絲路饋贈（蔬菜的引種與國際化交流）等體驗項目；文化篇包括千年菜文化（千年蔬菜文化之旅）、菜鳥工作室（蔬菜畫、插花、工藝品虛擬設計體驗）；養生篇包括瘋狂沙拉城（營養搭配、創意沙拉）、種菜大贏家（陽臺種菜）、我是名大廚（名菜烹飪趣味體驗）、尋找時令蔬菜（時令飲食養生）等。

2.3 百蔬園虛擬現實基礎平臺構建

建設百蔬園虛擬現實開發平臺，用于三維圖形驅動的建立和應用功能的二次開發，同時連接虛擬現實外設，建立數學模型和應用數據庫的基礎平臺。該平臺是整個虛擬現實系統的核心，負責整個虛擬現實場景的開發、運算、生成，連接和協調各子系統的工作和運轉。利用該平臺，將開發的虛擬現實體驗內容與VR頭戴顯示器、VR手機眼鏡、動感座椅、3D打印機等外設輸出設備進行接口對接以及安裝調試[3]。

3 現代蔬菜虛擬化展示提升

二期項目是在一期項目的基礎上經過調研、論證和分析，進行全面的升級優化。優化歷史篇、文化篇，將養生篇規劃到文化篇，重點開發科技篇?？萍计?，將一期周游列國模塊、絲路饋贈模塊整合進入世界蔬菜譜模塊中，通過星空空間跳轉的方式，使用戶了解世界各大地區蔬菜情況，同時再現海路運輸、沙漠駝隊運輸的情景，讓用戶充分沉浸在場景中，以獲得更好的參觀體驗。將智慧菜園和神奇蔬菜墻模塊整合進入科技篇智慧農業模塊：原有智慧菜園模塊更名為觀光溫室，對體驗內容進行優化；將蔬鮮之道場景整合進入加工車間模塊并且增添加工包裝場景；全新加入日光溫室、連棟溫室等智能溫室相關內容，使用戶了解到從蔬菜種植采摘到加工運輸的一條龍流程，充分利用虛擬現實技術展示關于蔬菜的科技新成果。使用戶能夠沉浸其中，感受農業科技帶來的魅力（圖2）。

針對目前4類15項蔬菜虛擬現實體驗內容，從真實度、準確度、美觀度入手，進行3D模型優化、3D虛擬場景優化、對象3D動作的實現。從虛擬體驗的科學深度和廣度方面，豐富和充實現代蔬菜科技文化虛擬展示內容；從交互體驗效果的人性化、智能化入手，結合體驗單元特點，設計實現劇情導引、空間導引、視覺導引等復合式交互體驗功能，實現與虛擬空間對象的智能互動，打造一流的沉浸式交互體驗效果。

虛擬現實與會展結合具有無可比擬的優越性，集成3D、虛擬現實等技術，設計制作本虛擬現實體驗，使游客從逼真的虛擬世界中獲取真實世界難以得到的體驗和感受，滿足游客獲取信息的需求，滿足游客對會展體驗項目日益提升的要求。

4 虛擬世界園藝博覽會漫游及全息投影互動體驗系統建設

三期目標是借助全息投影、虛擬現實手段，建立百蔬園全息投影互動體驗系統和虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統。

4.1 百蔬園全息投影互動體驗系統

打造百蔬園全息投影展示內容和墻面投影互動體驗內容，充分發揮數字技術的優勢，增強游客興趣和互動效果，實現多元化展示，提升科技感和交互性，從而達到更科技、更創新、更藝術、更生態、更有效的目的（圖3、4）。

4.2 虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統

借助虛擬現實手段，全景紀錄2019年北京世界園藝博覽會的精彩看點，建設虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統，打造永不落幕的百蔬園，形成珍貴的3D數字影像資料，突破傳統展會在時間和空間上的限制，使各地觀眾通過互聯網就可以實現在虛擬世界園藝博覽會漫游體驗系統中全面體驗百蔬園的展示場景和內容，還能在展會結束以后一直提供逼真的虛擬世界園藝博覽會體驗內容，滿足新媒體環境下公眾觀展需求多元化的需要（圖5）[4]。

實景數據依據時間軸和空間軸，利用3DMAX技術，規劃時間，定期、定時、定點采集數據，搭建現代設施園藝3D全息全時數據庫，為開發虛擬漫游系統奠定數據基礎。

漫游系統建設實現智能導覽系統設計與漫游體驗節點交互設計。用戶良好漫游體驗的前提是構建智能人性化的漫游導覽系統（UI/UE）。設計的導覽系統不僅能夠反映場景體驗的路線、位置和內容，也將更加直觀、易用、人性化。在常規導覽系統設計外，還將進行分眾導覽系統設計，包括多語種語音提示、殘障人士關愛提示等。

在世界園藝博覽會現場針對百蔬園成果開辟專門的游客體驗場所，通過墻體裝修和景觀陳設，結合現代聲光電技術，營造奇異夢幻的體驗空間，將4大類15個互動體驗項目有機地串聯起來，使游客置身于迪士尼似的虛實交織的場景當中，獲得生動全新的體驗。

世界園藝博覽會不僅是新技術和新產品的展示會，更是中國面向世界重要的窗口，展示著中國的發展成就。虛擬現實技術本身是數字科技發展的成果，將虛擬現實技術與世界園藝博覽會完美結合，為游客提供顛覆性的模擬真實體驗感受，打破會展局限性，提高世界園藝博覽會的國際影響力。同時，世界園藝博覽會也對數字創意領域帶來影響，推動了虛擬現實產業發展，具有重要的現實意義[5]。