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农业信息技术第六章虚拟现实技术及在农业中的应用王玉洁第一节虚拟现实技术概念第二节虚拟现实系统第三节虚拟现实技术的相关软件第四节虚拟现实技术在农业中的应用第一节虚拟现实技术概念传统的信息处理环境一直是“人适应计算机”，而当今的目标或理念是“以人为本”，要逐步使“计算机适应人”，人们要求通过视觉、听觉、触觉、嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而取得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上，而是建立在一个多维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。一、虚拟现实虚拟现实技术(VirtualReality，简称VR)，又称虚拟实境或灵境技术。VR思想的起源可追溯到1965年IvanSutherland在IFIP会议上的《终极的显示》报告，而VirtualReality一词是80年代初美国VPL公司的创建人之一JaronLanier提出来的。此后，VR系统成功应用在若干领域，促使它在90年代快速兴起。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，在虚拟现实系统中集中体现了多个领域的最新成果。不仅包括图形学、图像处理、传感技术、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，并且与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。1、虚拟现实的定义对虚拟现实目前还没有一个固定的定义。Webster’sNewUniversalUnabridgedDictionary（1998）对Virtual（虚拟）的定义是“beinginessenceoreffect,butnotinfact.”（在本质上或效果上存在，但在事实上却不存在）。虚拟现实技术的定义可以归纳如下：虚拟现实技术VR是指利用计算机生成的一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、触摸等多种直观而又自然的实时感知。虚拟现实包括了人、机、环境等三个部分。（1）“环境”，就是由计算机生成的一个能给人提供视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉等感官刺激的逼真世界，可以是某一特定现实世界的真实实现，也可以是虚拟构想的世界。（2）“机”，是指计算机系统与三维交互设备，常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置，此外还有设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、各种传感器等。（3）“人”，是指参与者的头部转动、眼睛、手势或其它人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，对用户的手势、口头命令等输入做出实时响应，并分别反馈给用户，使用户有身临其境的感觉，成为该模拟环境中的参与者，还可以和在该环境中的其他参与者打交道。2、虚拟现实技术的基本特性美国科学家BurdeaG.和PhilippeCoiffet曾在1993年世界电子年会上发表的“VirtualRealitySystemandApplications”一文中，提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它明确地表示了虚拟现实技术具有的3个突出的特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）构想性（Imagination）也就是人们熟悉的“3I”特性。虚拟现实的本质是人与计算机之间或人与人借助计算机进行交流的一种方式，这种方式具有相当逼真的三维虚拟世界，即具有三维交互接口。（1）交互性（Interaction）是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。这种交互性的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套、力反馈装置等），使人类通过自然的方式，产生如同在真实世界中一样的感觉。例如用户转动头部时，虚拟环境中的景物就会随用户的视角的变动而变动，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，且有抓取东西的感觉，甚至还可以感觉到物体的重量，视场中被抓起的物体也应随着用户手的移动而移动。（2）沉浸性（Immersion）又称临场感或存在感，是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围，使用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。是虚拟现实技术最主要的技术特征。导致沉浸感的原因是用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假，如实现比现实更逼真的照明和音响效果；如天文学专业的学生可以在虚拟星系中邀游，英语专业的学生可以在虚拟剧院观看莎士比亚戏剧。用户觉得自己是虚拟环境中的一个部分，而不是旁观者，感到被虚拟景物所包围，可以在这一环境中自由走动，与物体相互作用，如同在现实世界中一样。（3）构想性（Imagination）是指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。构想性是指设计开发者的想象力。由于虚拟现实技术的应用领域很广。能解决在工程、医学、军事、娱乐等方面的问题，这些应用极大地依赖于人类的想象力，去模拟现实世界，甚至创造一个全新的虚拟世界。（4）多感知性(Multi-Sensory)是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。虚拟现实旨在提供多维感觉通道和类似现实的全面的信息，让参与者在虚拟环境中获得多种感知，从而达到身临其境的感受。虚拟现实技术的特点就在于计算机能通过图形构成三维空间，或者把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感受。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的是通过人工合成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术，过去一些难以解释并理解的复杂或抽象系统的概念，可以通过将系统的各子部件，以某种方式表示成具有确切含义的符号，使其形象化，易于被人们所理解接受。从本质上讲，虚拟现实技术是对现实世界的再现和梦境的实现；从技术角度讲，它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面向对象的综合技术开发。用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适于人类认知方式的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其用在需要对大量抽象数据进行处理方面；同时，它在许多不同领域的应用，带来了巨大的经济效益。3、虚拟现实系统的分类虚拟现实系统根据其原理和规模不同,可分为如下几类:桌面式VR系统，沉浸式VR系统，叠加式VR系统，分布式VR系统。（1）桌面式VR系统桌面式VR系统（DesktopVR）以微型计算机为核心，对硬件要求不高,使用者通过屏幕、键盘和鼠标便可与虚拟环境进行交互。该系统适用于一些实验过程简单、展示性强、交互性较少的实验演示。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器，来驾驭该虚拟环境和操纵虚拟场景中的各个物体。（2）沉浸式VR系统沉浸式VR系统（ImmersiveVR）利用头盔显示器、数据手套等各种设备把用户的视觉、听觉、和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参考者，并利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。它是一种沉浸度较高、较复杂的系统。使用者必须利用传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。（3）叠加式VR系统叠加式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，通过穿透型头戴式显示器将计算机虚拟图像叠加在现实世界之上，为操作员提供与他所看到的现实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增加操作员对真实环境的感受，因此又被称为补充显示系统。它是一种可供多人同时参与的大型VR系统。它可以利用网络，将不同用户联结起来，共享一个虚拟空间，使多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。（4）分布式VR系统分布式VR系统（DistributedVR，DVR）是指基于网络的虚拟环境。它在沉浸式VR系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。目前，其主要应用于虚拟医学会诊、远程虚拟会议、虚拟战争等领域。4、VR的关键技术（1）动态环境建模技术。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。。有效地获取模型数据。实物虚化的基本原理是采用摄像或扫描的手段而不是传统的建模手段来创建虚拟环境中的事件和对象。如果说传统的几何建模技术是一个虚物实化的过程，那么虚拟化现实就是将现实世界中的事件和对象转换成虚拟世界里的事件和对象，是一个实物虚化的过程。综合运用虚物实化和实物虚化，就可以使虚拟环境中既有计算机创造出来的虚拟实体，又有真实世界中的景物。（2）立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中，如何消除声音的方向与用户头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点。同时，虽然三维图形生成和立体图形生成技术已经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研究内容。（3）传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。（4）应用系统开发工具。虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。（5）系统集成技术。由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。5、虚拟现实技术的研究意义（1）人-机界面具有三维立体感，使得环境的效果更加逼真，画面更加友好。（2）继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。（3）突破环境限制。运用计算机技术人为的制造出虚拟的环境，不论是真实的，还是想象的。许多不存在的世界变得似乎不再遥远，可以为我们所掌握了，人类可以影响操纵的空间也似乎增大了许多。这种情况目前在三维游戏中比较常见。（4）节省研究经费。对于某种不可知的研究设计，运用虚拟技术模拟出该设计，在一种虚拟的环境下研究设计可行性，再付之于真实的行动，使得研究可能按照更加良性的的方向发展下去，研究本身也大大避免了浪费的可能性。比如汽车碰撞保护的研究，若是可以大量应用虚拟技术实现测试，一定比一辆一辆的撞毁汽车更加节省研究经费。（5）模拟高危险性工作，降低人身伤害的机会。二、虚拟现实技术的发展史VR技术的发展大致可分为三个阶段：20世纪50年代至70年代，是VR技术的准备阶段；80年代初至80年代中期，是VR技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段；80年代末至今，是VR技术迅猛发展的阶段。第一阶段，50～70年代，为虚拟现实的探索阶段。1965年由美国的MortonHeileg开发了一个称做Sensorama的摩托车仿真器，不仅具有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气味。1968年，美国计算机科学家IvanSuthe