VR技术在农业虚拟实验室建设中的应用优劣势与趋势

王 超，刘 现，郑海新，张海佳

(福建省农业科学院培训中心/数字农业研究所，福建 福州 350003)

虚拟实验室自1989年由美国弗吉尼亚大学教授提出后，经历了电子集成技术、基于WEB的互联网平台发展，以及虚拟现实的应用支持等技术变革，成为一种以网络应用、虚拟仿真技术为核心的开放式、网络化的虚拟实验系统，其主要目的是构建一个电子化的综合集成环境，用以提高科研活动中的信息采集效率[1]。如今，伴随远程教育的普及和数字化技术的不断完善，以计算机技术为基础的仿真模拟实验室教学系统，正广泛应用于人们的工作、学习中。而随着VR——虚拟现实技术日新月异的发展，过去基于WEB的平面2D培训软件，也朝着3D可视化应用的革新方向不断迈进。在研究国内外农业虚拟实验室应用现状的基础上，本文分析了VR技术应用于虚拟实验室的优、劣势，旨在展望VR虚拟实验室在农业中的应用趋势，为助力我国现代农业发展寻求创新方向。

1 农业虚拟实验室发展现状

1.1 国外农业虚拟实验室的应用现状

国外农业虚拟实验室的建设目的主要是基于多媒体、虚拟现实、3D打印、计算机网络等技术，通过交互式虚拟实验、3D虚拟实验和综合设计实验等实验方式，实现软件和实验仪器共享、教学效果的改善和实验、生产技术的增强。

1.1.1 实验仪器共享 现实实验室中普遍存在实验仪器设备数量不足的情况，特别是部分大型仪器，主要是因为这类仪器购置和维护的成本高，且具有一定使用的安全隐患。因此，这些仪器设备在开放过程中往往无法满足人均使用次数的需求[2]。虚拟实验室作为一种不受时间、场地限制的实验环境，具有高效的数据信息资源共享功能。一个好的虚拟实验室平台能够提供设备资源检索、实验预约、经验交流和管理制度等服务项目，并且通过互联网和云平台技术，能够实现24小时的在线学习和虚拟实验操作[3]。英国的Open University大学的开放实验室目前提供了虚拟显微镜和全球现存的地质切片标本的数据，实现了其远程实验室的虚拟仪器设备在线共享功能[4]。

1.1.2 优化教学效果 美国的卡内基梅隆大学和杨百翰大学都建有自己的化学虚拟实验室，数字化的视窗操作界面提供了一目了然的实验效果，三维建模的实验场景提高了实验的真实感[5]。耶鲁大学则开发了虚拟实验室在移动端上的应用，让教师和学生通过手持平板设备记录和分析试验数据[4]。虚拟的实验流程允许使用者更自由地安排实验项目，这种鼓励探索的教学模式能很好地培养学员的创新思维。

1.1.3 提高实验、生产技术 实验、生产技术的增强多体现在农业的虚拟观测、检测方面：随着人工智能的发展，图像识别技术和自然语言解析被更多地应用在气象观测和病虫害检测中；美国开发的CERES.SIM-COT作物模拟系统能够为植株的生长发育建立全套模型，通过设定温湿度和土壤类型等生长环境的数值，最终计算出作物从发芽到成熟的各阶段所需的时间周期[6]；德国的Astragon Software公司开发了一种模拟作物生长环境变化的农场仿真系统，根据虚拟环境中不同气候变化下农作物的收成，来判断该作物的耐虫、耐害能力[7]；作物病虫害诊断系统作为日本千叶大学研发的一款模拟专家系统，目前已经在生产应用中推广使用，该系统可对17种草莓病害和15种梨树病害进行智能诊断并给出相应的防治办法，在一定程度上能够有效且便捷地解决种植户在作物养护上遇到病虫害的问题[8]。

1.2 国内农业虚拟实验室的应用现状

我国的农业虚拟实验室在建设上延续了国外虚拟农业的研究方向，主要运用在实践教学、观测虚拟生物生长和农机自动化应用等方面。

1.2.1 教学实践 随着国内教学水平的不断提高，高校和科研院所越来越重视学生的实验动手能力、操作能力和科研能力的培养。然而，在一般的实验情况下，学生是严格按照教师编写的实验内容、步骤、测试数据等，在特定的设备上进行实际操作、记录实验数据，最后通过数据分析提交实验报告。程序化的教学模式限制了学生独立思考、自主设计能力的培养，当工作中遇到过去学习中未处理过的问题时，容易不知如何设计测试方案或选用相应的仪器设备[9]。而虚拟实验室的出现，对解决这一教学问题，培养可以独立解决实际问题的复合型人才提供了方向。基于此，北京大学于2014年组建了“北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心”，以优化教学资源，推进实验仪器设备共享为原则，为地质勘探和空间科学等地球学科提供综合性虚拟仿真实验教学项目，取得了良好的效果。

1.2.2 虚拟农业实验 国内虚拟农业实验在运用上取得突破的主要包括虚拟植物、虚拟动物和虚拟仪器。(1)虚拟植物是一种利用计算机的高速运算能力，在几秒钟内模拟植株生长情况，并以可视化的方式回馈给实验人员的农业虚拟实验技术。在这种实验环境下，不必进行田间实际种植，只需要在系统输入设定好的生长环境数值，甚至可以选择不同的施肥效果和修剪情况来生成不同的株型和品种，这种对农作物虚拟建模的技术在精细农作方面提供了可靠的数值依据[10-13]。(2)虚拟动物主要是对动物生态结构进行3D模型构建，通过精细化动物器官、组织和系统来研究生物机体的结构，对物种生存和遗传选育方面具有重大意义[14-16]。(3)农业虚拟仪器是一种能在农机自动化生产上有效缩短农作物品种试验周期的辅助工具，如农产品分选系统、自动化灌溉和自动化秧苗分析系统等，在农业工程领域有很高的实用性[17-19]。

2 基于VR的虚拟实验室优势分析

最初，虚拟实验室是实验室教学的一种辅助工具，以现实教学中的课程为建模基础，依托多媒体技术和计算机仿真技术等，构建出一种可以在计算机上运行的实验软件[20]。早期的虚拟实验室软件受到计算机技术的限制，只能做到数字化实验室培训的效果，这些软件大多使用键盘鼠标作为输入设备，让使用者在电脑上完成简单的平面培训课程。近两年来，伴随着VR技术的爆炸性发展及其在医学、娱乐、军事和教育等各领域的出色应用，虚拟实验室技术也同样被注入了全新的活力。

虚拟现实技术(VR)作为一门基于计算机仿真技术的新兴学科，曾被列为21世纪工程学面临的14项重大议题之一，它综合了计算机图形学、人工智能、人体工程学和人类神经学等学科的基础原理，利用支持3D成像的显示硬件设备和能反馈体感操控的动态抓捕传感器，配合各类虚拟图像引擎和建模软件，构建出一种可供使用者实时交互的多感知虚拟3D空间。目前，这类基于VR技术的现代化虚拟实验室在教育、医学和工业领域都有出色的表现，而在农业虚拟实验室中应用VR技术，可以创造出逼真的“虚拟农耕世界”，为农业创新研究提供一个高科技的虚拟现实平台，其主要的优势体现在以下几个方面：

2.1 增强实验模拟性

在VR技术被成熟应用之前，虚拟实验室大多是利用计算机和互联网技术对实验数据进行分析和共享，使用者界面通常只有简单的图表演示或文字说明，虽然能够高效的完成数据处理，但很难做到操作实验的真实感，在教学培训中的应用效果并不理想。借助VR的高交互性、高自主性和沉浸式体验，能更好地提高虚拟实验室软件在图形成像上的用户体验，配合3D建模技术提供的高仿真仪器和实验室环境可以逼真还原实际的实验流程。使用穿戴式设备进行的输入操作、模拟抓取和移动物品等动作，也比使用键盘鼠标更贴近真实的实验行为。这种高度开放的虚拟环境使实验流程更加灵活，实验人员在高仿真的实验环境中积累了足够的操作经验，再返回真实的实验室使用仪器，可以在很大程度上减少实验过程的人为误操作，从而规避部分实验风险。

2.2 节约经费开支

虚拟现实技术(VR)支持下的虚拟实验室可以在最优化实验仪器使用寿命的同时，节约高昂的仪器维护费用，减少了实验器材损耗。传统的实验教学普遍受到教学场地、实验仪器和实验耗材等因素的影响，既难调动学生的实验积极性，也很难有效培养学生的实验操作水平，特别是遇到实验一时无法达到预期效果而实验经费又比较昂贵的情况，大部分都无法进行多次尝试。VR背景下的虚拟实验室通过虚拟实验操作流程，为学员提供逼真的实验环境，在运作中不存在实际的器、耗材损耗，有效节约了实验成本。

2.3 突破时空限制

传统农业研究受自然环境、作物生长周期和田间管理水平的影响，时间长、效率低。基于VR的农业虚拟实验室是一种基于网络技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化虚拟实验系统，其通过利用图形、语音、视频、动画等现代计算机系统辅助性技术，把农业实验从田间搬到实验室，通过模拟自然环境、调节植物生长管理要素完成各种预定的实验项目，通过创建立体三维结构从不同的视角观察、了解植物生长特点，寻找创新研究的突破点，而不受时空的限制。

3 VR技术的应用瓶颈

虚拟现实技术在2016年红极一时，Oculus、HTC和索尼等厂商纷纷推出自己的VR应用设备，让该技术从科幻电影的大荧幕一夜之间走入普通老百姓的家中。目前的主流应用主要以VR游戏为主，特别是索尼的PS VR借助其PS4游戏主机的销量，在市场上取得了不小的份额[21]。

但在热火朝天的体验了一把VR技术带来的新鲜感之后，该行业面临的问题也逐渐暴露在人们的视线中，包括价格昂贵和使用设备的体感不一。廉价的头戴设备并不能提供良好的VR体验，但高端产品价格一直居高不下，以HTC为例，其VR套餐产品都是在1万元人民币以上。在设备方面，目前的VR产品均采用头戴式设备来提供视觉体验，尽管高分辨率和刷新率可以带来极佳的浸入式体验，但其封闭式的头戴式显示器设计让部分使用者产生眩晕的问题依然有待解决，这种使用设备的行业标准仍有待规范，而多领域应用和多场景的兼容性技术也需要得到进一步突破。

4 VR虚拟实验室在农业中的应用趋势

4.1 推进数字农业发展

将传统农业信息化管理，是数字农业的工作重点之一，围绕计算机技术发展出的新兴科技与农业基础学科的合理结合，能有效降低农业生产成本，提高农业资源的利用率。如利用虚拟实验室对各种农作物播种深度、施肥和灌溉用量以及喷洒农药类型、部位和用量进行模拟研究，探寻最科学的田间管理模式，既能降低经营成本，减少化学药品对农田的污染，又可突破传统农业实验时空限制，在一定程度上可缩短农业项目研究时间，提高农作物产量和品质，具有很好的应用前景。

4.2 优化农业推广方式

随着农业产业结构调整，农村城镇化步伐加快，农业人口不断向城市转移，留守乡村的老人和儿童无法完成繁重的农田劳作。土地流转、新型农场主诞生已成为农村生产经营的主要模式。新型农场主需要尽快熟悉各种农作物生长规律，改变粗泛传统的农耕模式，应用精准、生态、高效、规模化生产经营手段，提高单位面积产量和品质。通过虚拟实验室建立起来的农业专家系统，可以让学习者在最短的时间里全面感知和了解各种农作物生长规律、田间管理要素以及农机具的使用方法，并在实践中加以应用，提升农业规模化经营的效益。虚拟仿真技术还可应用于农业新技术的推广，让初学者了解新技术要点的同时，亲自触摸、操作加深理解，更有助于农业新技术的传播。

4.3 助推美丽乡村建设

美丽乡村建设是各级政府帮助农民脱贫致富，促进农村经济发展，提升农民生活品质，加快城乡一体化进程的重大举措。虚拟现实技术可以结合乡村区位优势、产业特点、人文资源及经济发展水平制定不同类型规划模型，展现美丽乡村远景。这种现代化的视听体验让使用者在高仿真的环境中，操纵虚拟的物体，不仅可以让农户直观感受乡村改造后的自然环境和产业优势，化被动为主动，积极配合政府实施乡村规划。也可以让当地政府提前感受改造区的布局细节，有效避免了改造盲区，节约投资成本。

虚拟美丽乡村模型同时还可以成为农业科普基地和农家乐产品推介手段，将模型在各级政府举办的农博会上展示，通过现场操作演示感光体验，可激发受众深入体验休闲娱乐的愿望。如2018年广西农业规划办为了进一步推进广西农业旅游的信息化建设，携手广州世峰数字科技有限公司开展了一项以VR全景为主题的手机APP休闲农业项目。该项目力求让使用者足不出户，只需下载并使用该APP软件，就可以通过VR全景漫游的模式，身临其境的体验广西当地具有特色的休闲农业景区和农家乐旅游景点[22]。这类虚拟美丽乡村模型能够起到推介当地特色农产品的广告效应，为逐步打造特色农产品品牌，助推乡村休闲旅游农业发展奠定基础。

5 结语

距离2016年的“VR元年”已经过去2年，VR技术从一个需要借其他平台使用的配件产物，逐渐转变为一个成熟独立的产品。尽管该技术目前仍存在技术上的瓶颈，但是对以教学为目的的虚拟实验室来说，使用者在绝大部分情况下并不会频繁地接收到高速变换的视觉感观，在一定程度上降低了人体因为硬件产品性能不足导致的观看画面低帧数而产生眩晕感。因此就目前VR技术在硬件方面所能达到的双通道高分辨率的播放效果，已经能基本满足实验培训中的人体视觉体验，并在很大程度上消除使用者对头戴设备和模拟环境的不适。

在农业领域开始应用VR技术之前，农业实验普遍受到实验场地不足和实验周期漫长等客观因素的影响。农业虚拟实验室的建设让传统农业快速跟上科技发展的步伐，不仅能高效地完成各类实验模型的观测，加快科研工作的进展速度，也能让农业教学和培训脱离书本文字和简单演示的模式，更好地激发学员的学习兴趣。随着农业虚拟实验室在实验成效和技术展示上的成功，VR技术能够带动农业产业在创新形式上的前进步伐，更好地促进了我国现代化农业快速健康的发展。