vr虚拟现实-虚拟现实技术在农业上的应用

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1、计算机在农业上的应用,周美兰 湖南农业大学农学院,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,2,第七章 虚拟现实技术在农业上的应用,第一节 虚拟现实技术与虚拟农业 第二节 虚拟现实技术在农业上的应用 第三节 虚拟植物生长的研究现状与发展趋势,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,3,虚拟农业信息资料查阅,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,4,第一节 虚拟现实技术与虚拟农业,一、 虚拟现实技术的由来与概念与概念 (一)虚拟现实 (二)虚拟现实的基本特征 1、是多感知性 2、是沉浸感 3、是实时交互性 4、是自主性 二、 虚拟农业,2019/1/15,湖南农业大学农学

2、院 周美兰,5,一、虚拟现实技术的由来与概念,1965年,Suther land首次提出了具有交互图形显示，反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想; 1966年,美国正式开始了头盔式显示器的研制工作; 1970年,出现第一个功能较齐全的头盔式显示器系统; 20世纪80年代初,Jaron Lanier提出了虚拟现实(Virtual Reality,VR),美国宇航局及国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了显著成果，引起了对虚拟现实技术的广泛关注。 虚拟现实技术在农业领域中的应用,展示了虚拟农业巨大的应用潜能。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,6,（一）虚拟现实（

3、Virtual Reality）,是指利用计算机技术生成一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互的、动态的世界,人们可以对该虚拟世界中的虚拟实体进行操纵和考察；它是信息科学领域一类新兴的工程技术,是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、传感技术、多媒体技术和网络通信技术及面向对象技术和智能决策支持系统的基础上,发展起来的一门交叉学科。 虚拟现实作为当今计算机最热门的技术之一,极大地突破了事物表达的传统方法的局限,使过去认为只擅长处理字化单维信息的计算机发展为能处理适合人的特性的多维信息,使人们可以将想象的环境虚拟实现,并可以在其中以最自然的动作与这种虚拟现实进行交流。,2019/

4、1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,7,（二）虚拟现实的基本特征,1、多感知性 除了一般计算机技术所具有的视觉感知外 , 虚拟现实技术还有听觉感知、力觉感知、触觉感知 , 甚至味觉感知、嗅觉感知等 。 2、沉浸感 人在虚拟环境中,可以获得有如身在真实世界中的逼真感觉。 3、实时交互性 人在虚拟环境中不只是被动地感受 , 还可以采取现实生活中习以为常的方式来操纵模拟场景中的物体 。 4、自主性 自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度 , 例如 , 当受到力的推动时 , 物体会沿力的方向运动。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,8,二、虚拟农业,从广义来说,虚拟农业主要包括

5、: 虚拟植物:用以培育水稻、玉米、小麦、大豆、棉花等主要农作物的新品种; 虚拟动物:用以培育猪、牛、羊、鸡、鱼等主要畜产品和水产品的新品种; 利用VR技术,提高农业生产设备、设施的利用效率; 利用VR技术,提高农业资源综合利用效率; 利用VR技术,对农产品市场进行模拟; 利用VR技术,对农业生产管理进行模拟; 科学可视化技术在农业技术教育、培训、科研中的应用等等。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,9,第二节 虚拟现实技术在农业上的应用,1、虚拟植物 2、虚拟动物 3、虚拟立体农业 4、虚拟节水 5、虚拟实验 6、虚拟农场,7、 虚拟果树修剪 8 、虚拟农业布局 9 、虚拟农业区

6、划 10、虚拟城市农业 11、虚拟农机 12、虚拟温室,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,10,1、虚拟植物(Virtual Plants),是指利用VR技术模拟植物在三维空间中的生长发育过程。 利用虚拟植物技术，可以在电脑屏幕上设计农作物,然后再进行实际培育或用基因工程技术繁殖出真实的农作物,使农作物新品种具有虚拟植物的理想性状。 新西兰Hort研究所利用虚拟作物技术对几维果(猕猴桃)品种进行改良研究。 研究小组开发了虚拟几维果树的虚拟现实系统,使人们可以在计算机显示器上观看几维果树发芽、生长、抽枝、展叶、开花、结果和果实成长,一整年的生长周期被缩至不到1分钟的时间。,2019

7、/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,11,中国虚拟植物标本馆（简称CVH）,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,12,中国数字植物标本馆 http:/ 周美兰,13,中国数字植物标本馆网络杂志,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,14,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,15,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,16,虚拟植物的优势,虚拟植物比传统植物生长模拟模型具有很大的优势 例如：植物群体对光的截获很难进行精确定量化研究,而利用虚拟植物,能判别光线被叶片截获, 穿过叶间空隙到达冠层更深处,从而容易地计算出植物群体空间中任意位置点的光通量的

8、精确值。 利用虚拟植物模拟农药从喷雾器中喷出后的空间运行轨迹,直观地观察农药在植物群体中的空间分布与害虫的位置关系,从而可确定农药的最佳喷施方法。 利用虚拟植物技术,则可以非常直观地对农田、森林等复杂的生态系统进行研究,发现难以观察到的规律。 利用虚拟植物, 寻找一种既能对付虫害又不污染环境的方法。 利用虚拟植物对找最佳栽培方式。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,17,2、虚拟动物,利用计算机可视化地模拟动物在各种营养物胁迫条件下的生长过程 用户操作计算机不但可以了解动物生长全过程中鲜、干各种物质的积累形状 , 而且还可以从不同视角了解动物的逼真形态。 在计算机支持下 ,一次模

9、拟实验只需几分钟即可得到实验结果 , 大大加快了实验的速度 , 减少了实验的投入 , 而且可以完成在自然条件下难以得到的实验结果。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,18,3、 虚拟立体农业,主要是通过对光资源利用的模拟( 进而 , 可模拟地下部对水、肥等的吸收利用状况等) , 实现对立体农业 ( 间作、套种、混种等) 的优化管理。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,19,4、 虚拟节水,模拟不同作物、不同株型、不同节水型灌溉方式、不同的栽培管理措施 , 模拟自然降水过程对水分的吸收利用状况 , 来实现水分最大的利用。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰

10、,20,5 、虚拟实验,应用计算机建立反映客观规律的虚拟模型 应用虚拟模型进行实验 , 可以部分地替代在现实世界中难以进行的实验 , 或者是费时、费力和费钱的实验。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,21,6、 虚拟农场,在教学、科普教育和农业科技推广领域 , 可利用虚拟植物模型建立虚拟农场 让学员在计算机上种植虚拟作物 进行虚拟农田管理 直观地观察作物生长过程及最终结果,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,22,8 、虚拟农业布局,利用虚拟农业技术进行模拟 , 可以实现农业布局规划设计效果的形象化 ; 在观光农业中 , 可以模拟采摘、销售、观赏、垂钓、游乐等活动 ,

11、 为旅客设计合理路线 , 让旅游者最大限度地参与、亲自体验。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,23,9 、虚拟农业区划,模拟粮食生产与多种经济作物合理搭配种植 ; 模拟农、林、牧、副、渔业相结合的农业可持续发展模式。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,24,10 、虚拟城市农业,城市农业是充分合理地利用城市空间和优越条件来发展农业的一种探索。 利用虚拟农业技术可以模拟环境、生态、科技、生产、观赏为一体的城市农业综合发 展模式 , 便于决策、实施。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,25,11、 虚拟农机,可以虚拟农机设计、农机制造和农机测试。例如 ,

12、采用虚拟农业技术 , 对试验对象的各个指标同时进行数据的测量、实时处理和实时分析 ； 有利于提高测试水平 , 得出比较精确的结论 , 为系统的优化设计提供更可靠的依据。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,26,12、 虚拟温室,虚拟温室是将数据、材料、模型、物理属性和高级算法整合成的一个研究平台 , 研究温室对外界环境的反应 , 将物理学( 如温室围护结构的传热和力学属性)和环境学( 气候变化和植物生理信息) 结合起来 , 进行预测和预报温室对外界各种变化( 气候条件、植物生长和人工干扰。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,27,第三节 虚拟植物生长的研究现状 与发

13、展趋势,一、虚拟植物生长建模与可视化研究 二、虚拟植物模型的分类 三、目前研究存在的问题 四、植物模型的可视化,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,28,虚拟植物生长,虚拟植物生长是对植物在三维空间中的结构发育与生长过程的计算机仿真。 虚拟植物生长是计算机技术在农业中应用的一个方面, 也是作物栽培、作物生理生态、作物育种研究的一个新方向。 虚拟植物生长的计算机建模与可视化仿真研究在农林业、景观设计或园林设计、虚拟实现、计算机动画、计算机教学等领域都有着广泛的应用前景。 以计算机为手段对作物生长进行建模与仿真, 将为探索植物生长过程的规律, 改善人类生存环境带来新的契机 。,2019

14、/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,29,一、虚拟植物生长建模与可视化研究,计算机模拟植物生长过程涉及多学科, 如生物学、植物学、生态学、信息科学及应用数学等。 deWit 对作物群体的光合作用进行了模拟研究, 许多国家的研究人员在作物生长的计算机模拟领域做了大量的工作,建立了一些作物生长的计算机模拟模型, 并得到了广泛的应用。 目前, 国际上比较领先的系统性研究机构包括: 法国以deReffye为首开发的AMAP 植物生长软件系统; 加拿大以 P ru s ink iew icz 为领导的虚拟植物实验室; 德国哥廷根大学 Ku r th 领导的研究小组; 澳大利亚 CPA I研究中心;

15、美国、新西兰等国家的研究机构； 我国主要工作包括农作物方面与计算机图形学方面。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,30,1、L系统模型,1968年,生物学家Aristid Lindenmayer从生物形态学的角度出发,提出了一种用以构造生物组织生长形态的并行语法,简称为L系统, 此方法的创造性在于形式化地描述了植物或其他生物的结构特征和生长过程。 A.R.Smith和Prusinkiew icz等人将L系统与计算机图形学结合起来,在计算机上产生了大量栩栩如生的植物形态。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,31,L系统产生的植物图像,为了确定某一L系统,需要包括:公理

16、或初始字符串;乌龟运动的角度;一个或多个产生式规则,以描述字符串替换操作。 L系统的高度抽象性使其应用多有不便。在形式语言表示与植物生长的数理生态参数之间没有直观的关系。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,32,2 AMAP系统模型,法国CIRAD的植物建模机构开发了一种不同于L系统的植物生长模拟方法, 综合了植物学家Halle等人提出的植物构筑学方面的定性知识, 对植物芽的功能作用, 如生长、死亡、分枝等过程进行定量的数学描述。 依据这个方法建立的植物生长软件的名称为AMAP 。,2019/1/15,湖南农业大学农学院 周美兰,33,参考轴技术,图 参考轴的有限状态自动机表示,De Reffye等人提出“参考轴技术”,定量地模拟植物构建的动态发展。下图为参考轴的有限状态自动机表示。参考轴是一个理论上的植物轴, 它包括植物从种子到开花可能经历的所有不同阶段, 每一个阶段对应一个给定的生理年龄。,2019/1/15,湖南农业大学农学院