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摘 要：该文对Internet环境下4D虚拟农业的发展概况、相关概念进行了阐述，并对虚拟现实技术进行了综述。
关键词：4D；虚拟现实；虚拟农业
中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 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 虚拟农业发展概况
基于Web的4D虚拟农业是农业科研的一个重要方向，4D中的前3个“D”指的是空间三维，第4个“D”指的是Time，虚拟农业的目的是要做到对真实场景的完全重建。4D虚拟技术源于1965年美国科学家Sutherland首次提出的“虚拟现实”概念，其后发展缓慢，一直到视窗操作系统出现。
目前的农业虚拟场景已然栩栩如生，看到模型的人恍如看到照片一样（图1、图2）。农业所涉及到的各个对象都是可以建模的，各个对象在不同的时间点也是可以建模的，各个对象之间的相互关系和影响也是可以通过程序和算法来控制的。在图2（b）的4D玉米地中，由于虚拟引擎采取了随机建模的方法，对组成玉米的各个部分在限制范围内随机建模，无缝组合，形成了各种不同形态的玉米，农夫在玉米地中行走，触碰到的玉米叶子会发生抖动等真实感很强的变化，若强力触碰还会发生倾斜、倒伏等，地面会产生扬尘，泥泞的地方会留下走过的足迹。随着时间的推移，玉米地中的玉米模型形态会如现实中的玉米一样发生变化，经历分蘖期、返青期、拔节期、乳熟期、蜡熟期、完熟期、枯萎期等阶段，相应的形态、颜色等都会发生变化。
图1 虚拟农业场景局部（部分收割后的的麦田）
图2 单株玉米幼年模型和玉米成片模型
2 虚拟农业的相关概念
2.1 实景贴图 模型看着像照片，其实模型表面贴图确实是照片，是用高分辨率影像设备拍摄的，次序是：建好模型→实景原型拍照→模型贴图。这里需要理解的是，照片贴图是二维平面图，但在建模环境中进行贴图时，二维贴图会根据三维模型的表面形状而附着在模型上，产生逼真的3D效果，这种效果是4D虚拟引擎的渲染引擎实现的（图3、图4）。
图3 从2个不同角度观察到的同一片小麦成片模型（完熟期）
图4 从2个不同角度观察到的同一棵树的模型
2.2 对象、属性、方法、事件 在大规模农业建模中，涉及到很多农业事物，包括：场景、农田、树木、花、草、作物、牲畜、农机、沟渠等，单个事物就是一个对象，具有相应的属性、方法和事件。在建模环境中，模型由巨量的点、线、面组成，而这些点、线、面在空间是有相对应坐标数值的，该模型是可操控的，模型中相应信息的显示、计算是没有问题的。
2.3 被动模型与主动模型 被动模型是应用模型库所提供的对象生成的，只能部分反映或不反映现实真实情况，而主动模型则是根据实地勘测真实场景应需制作的。在农业科研中，需要的是主动模型，真实再现实地情况，模型能够真实反映现实，对推理、决策等具有更好的支持作用。
2.4 Web交互中的实时性 在B/S结构中，网络直接传输大量图像信息的做法已经被摒弃，这样做会导致不连贯、严重的滞后、卡屏等情况。现在的网络交互采用了B/C/S的方式，客户端需要事先下载庞大的应用软件，进行安装，软件会应需随时发布更新补丁，网络交互的仅仅是相应图像、模型的文本编号信息，模型的运行都在本地进行。
2.5 航拍即时建模 要使用到航拍飞机、3D数字化仪、3D数码相机、3D摄像机等硬件设备。3D数字化仪发展很快，电子产品更新换代很快，2012年实地对麦穗建模进行了测试，当时的产品还是不错的，所建模型比较清楚，麦芒也清晰可见，噪声小。多台3D数码相机配以专用的镜头多角度同时拍摄，然后由相应软件依据多角度拍摄的照片进行建模。这项技术很实用，如上海浦东的城市建模只用一个月左右就完成了，质量很高；张家界旅游景区建模也较精致，山、水、花、草都很逼真，可以应用在虚拟农业领域，先进行大范围虚拟建模，需要突出的模型在相关软件中进行精修，然后赋以属性、方法、事件即可。费用2012年是2万元/km2，价格视建模对象的复杂程度而定。 2.6 模型外形与内部，以及环境因子互相作用影响关联 目前主要偏重于外观形态的建模，内部模型、内部机理以及与周围环境因子相互作用的定性、定量关系可以局部或单株深入进行研究，但不是主要方向。
2.7 画法建模 靠复杂的算法画出一个模型来，是众多研究人员的研究方向和成果，但4D引擎的开发不完全是这样的，更多的是靠前一层软件的支撑，做出一个模型，前一层软件则外部接口明确，技术细节封装，然后贴图渲染着色打光，形成种类丰富即取即用的模型库。
3 4D虚拟引擎
目前国内外市场上的虚拟4D引擎多达上百种，上图市场容量为市场总容量的一部分，为所有这些引擎的虚拟现实应用之和，其中orge是免费的，但使用有更严格的限制（图5）。
图5 目前主要4D虚拟引擎的市场占有率
4D引擎包含以下系统：渲染引擎、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络引擎以及场景管理引擎等。
建模技术确实是逐步发展起来的，在Opengl和DirectX这2个API基础上发展到3DMAX、MAYA、Softimage、AutoCAD等到现在的4D虚拟引擎（见图6）。这是因为如果直接采用底层的建模技术（比如Vc6.0+Opengl或者现在的.net+Opengl），跳过中间的2层，建模将十分困难，所建模型也很失真。目前针对虚拟农业的4D引擎很少，有的引擎也不好用，建立的模型真实感不够强。出于农业科研的考虑，自主知识产权开发一个引擎也是可以考虑的一个立项依据，但开发引擎投入巨大，周期长，难度高，并且需要强力的市场经济驱动力，需要综合考虑这些因素。如果引进，需要考虑实际需求，引擎的购买和授权使用价格十分昂贵，便宜的不好用而又限制太多。各个引擎的功能各有侧重。
图6 虚拟现实技术发展轨迹
以unreal为例，授权使用费用高达240万元以上，如果开发的系统用于商业，那么还要收取利润所得的30%，而国内的涂鸦引擎授权使用费用也高达40万元。
4 结语
（1）虚拟现实技术软硬件发展是有迹可寻的，遵循一定的客观规律，跳跃式发展基本是不现实的（除非有时可以资金换技术），发展层次关系非常清楚，最终能够在虚拟农业领域应用自如，还是需要底下一层层技术体系支撑起来的。
（2）软件、硬件更新换代很快，基本5a一代，没有自主知识产权，非常被动，尤其是硬件，有的软件还可以升级。
（3）选择合适的4D引擎很难，由于引擎侧重点不同，需要综合考虑各种因素，并不是随便一个4D引擎拿来就可以进行虚拟农业工作的，不合适的引擎只会费时费力，导致所建模型失真。
（责编：张宏民）
关键词：4D；虚拟现实；虚拟农业
中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 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 虚拟农业发展概况
基于Web的4D虚拟农业是农业科研的一个重要方向，4D中的前3个“D”指的是空间三维，第4个“D”指的是Time，虚拟农业的目的是要做到对真实场景的完全重建。4D虚拟技术源于1965年美国科学家Sutherland首次提出的“虚拟现实”概念，其后发展缓慢，一直到视窗操作系统出现。
目前的农业虚拟场景已然栩栩如生，看到模型的人恍如看到照片一样（图1、图2）。农业所涉及到的各个对象都是可以建模的，各个对象在不同的时间点也是可以建模的，各个对象之间的相互关系和影响也是可以通过程序和算法来控制的。在图2（b）的4D玉米地中，由于虚拟引擎采取了随机建模的方法，对组成玉米的各个部分在限制范围内随机建模，无缝组合，形成了各种不同形态的玉米，农夫在玉米地中行走，触碰到的玉米叶子会发生抖动等真实感很强的变化，若强力触碰还会发生倾斜、倒伏等，地面会产生扬尘，泥泞的地方会留下走过的足迹。随着时间的推移，玉米地中的玉米模型形态会如现实中的玉米一样发生变化，经历分蘖期、返青期、拔节期、乳熟期、蜡熟期、完熟期、枯萎期等阶段，相应的形态、颜色等都会发生变化。
图1 虚拟农业场景局部（部分收割后的的麦田）
图2 单株玉米幼年模型和玉米成片模型
2 虚拟农业的相关概念
2.1 实景贴图 模型看着像照片，其实模型表面贴图确实是照片，是用高分辨率影像设备拍摄的，次序是：建好模型→实景原型拍照→模型贴图。这里需要理解的是，照片贴图是二维平面图，但在建模环境中进行贴图时，二维贴图会根据三维模型的表面形状而附着在模型上，产生逼真的3D效果，这种效果是4D虚拟引擎的渲染引擎实现的（图3、图4）。
图3 从2个不同角度观察到的同一片小麦成片模型（完熟期）
图4 从2个不同角度观察到的同一棵树的模型
2.2 对象、属性、方法、事件 在大规模农业建模中，涉及到很多农业事物，包括：场景、农田、树木、花、草、作物、牲畜、农机、沟渠等，单个事物就是一个对象，具有相应的属性、方法和事件。在建模环境中，模型由巨量的点、线、面组成，而这些点、线、面在空间是有相对应坐标数值的，该模型是可操控的，模型中相应信息的显示、计算是没有问题的。
2.3 被动模型与主动模型 被动模型是应用模型库所提供的对象生成的，只能部分反映或不反映现实真实情况，而主动模型则是根据实地勘测真实场景应需制作的。在农业科研中，需要的是主动模型，真实再现实地情况，模型能够真实反映现实，对推理、决策等具有更好的支持作用。
2.4 Web交互中的实时性 在B/S结构中，网络直接传输大量图像信息的做法已经被摒弃，这样做会导致不连贯、严重的滞后、卡屏等情况。现在的网络交互采用了B/C/S的方式，客户端需要事先下载庞大的应用软件，进行安装，软件会应需随时发布更新补丁，网络交互的仅仅是相应图像、模型的文本编号信息，模型的运行都在本地进行。
2.5 航拍即时建模 要使用到航拍飞机、3D数字化仪、3D数码相机、3D摄像机等硬件设备。3D数字化仪发展很快，电子产品更新换代很快，2012年实地对麦穗建模进行了测试，当时的产品还是不错的，所建模型比较清楚，麦芒也清晰可见，噪声小。多台3D数码相机配以专用的镜头多角度同时拍摄，然后由相应软件依据多角度拍摄的照片进行建模。这项技术很实用，如上海浦东的城市建模只用一个月左右就完成了，质量很高；张家界旅游景区建模也较精致，山、水、花、草都很逼真，可以应用在虚拟农业领域，先进行大范围虚拟建模，需要突出的模型在相关软件中进行精修，然后赋以属性、方法、事件即可。费用2012年是2万元/km2，价格视建模对象的复杂程度而定。 2.6 模型外形与内部，以及环境因子互相作用影响关联 目前主要偏重于外观形态的建模，内部模型、内部机理以及与周围环境因子相互作用的定性、定量关系可以局部或单株深入进行研究，但不是主要方向。
2.7 画法建模 靠复杂的算法画出一个模型来，是众多研究人员的研究方向和成果，但4D引擎的开发不完全是这样的，更多的是靠前一层软件的支撑，做出一个模型，前一层软件则外部接口明确，技术细节封装，然后贴图渲染着色打光，形成种类丰富即取即用的模型库。
3 4D虚拟引擎
目前国内外市场上的虚拟4D引擎多达上百种，上图市场容量为市场总容量的一部分，为所有这些引擎的虚拟现实应用之和，其中orge是免费的，但使用有更严格的限制（图5）。
图5 目前主要4D虚拟引擎的市场占有率
4D引擎包含以下系统：渲染引擎、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络引擎以及场景管理引擎等。
建模技术确实是逐步发展起来的，在Opengl和DirectX这2个API基础上发展到3DMAX、MAYA、Softimage、AutoCAD等到现在的4D虚拟引擎（见图6）。这是因为如果直接采用底层的建模技术（比如Vc6.0+Opengl或者现在的.net+Opengl），跳过中间的2层，建模将十分困难，所建模型也很失真。目前针对虚拟农业的4D引擎很少，有的引擎也不好用，建立的模型真实感不够强。出于农业科研的考虑，自主知识产权开发一个引擎也是可以考虑的一个立项依据，但开发引擎投入巨大，周期长，难度高，并且需要强力的市场经济驱动力，需要综合考虑这些因素。如果引进，需要考虑实际需求，引擎的购买和授权使用价格十分昂贵，便宜的不好用而又限制太多。各个引擎的功能各有侧重。
图6 虚拟现实技术发展轨迹
以unreal为例，授权使用费用高达240万元以上，如果开发的系统用于商业，那么还要收取利润所得的30%，而国内的涂鸦引擎授权使用费用也高达40万元。
4 结语
（1）虚拟现实技术软硬件发展是有迹可寻的，遵循一定的客观规律，跳跃式发展基本是不现实的（除非有时可以资金换技术），发展层次关系非常清楚，最终能够在虚拟农业领域应用自如，还是需要底下一层层技术体系支撑起来的。
（2）软件、硬件更新换代很快，基本5a一代，没有自主知识产权，非常被动，尤其是硬件，有的软件还可以升级。
（3）选择合适的4D引擎很难，由于引擎侧重点不同，需要综合考虑各种因素，并不是随便一个4D引擎拿来就可以进行虚拟农业工作的，不合适的引擎只会费时费力，导致所建模型失真。
（责编：张宏民）