Web4D虛擬農(nóng)業(yè)發(fā)展綜述

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1虛擬農(nóng)業(yè)的相關(guān)概念

1.1實(shí)景貼圖

模型看著像照片，其實(shí)模型表面貼圖確實(shí)是照片，是用高分辨率影像設(shè)備拍攝的，次序是：建好模型→實(shí)景原型拍照→模型貼圖。這里需要理解的是，照片貼圖是二維平面圖，但在建模環(huán)境中進(jìn)行貼圖時(shí)，二維貼圖會(huì)根據(jù)三維模型的表面形狀而附著在模型上，產(chǎn)生逼真的3D效果，這種效果是4D虛擬引擎的渲染引擎實(shí)現(xiàn)的。

1.2對(duì)象、屬性、方法、事件

在大規(guī)模農(nóng)業(yè)建模中，涉及到很多農(nóng)業(yè)事物，包括：場(chǎng)景、農(nóng)田、樹(shù)木、花、草、作物、牲畜、農(nóng)機(jī)、溝渠等，單個(gè)事物就是一個(gè)對(duì)象，具有相應(yīng)的屬性、方法和事件。在建模環(huán)境中，模型由巨量的點(diǎn)、線(xiàn)、面組成，而這些點(diǎn)、線(xiàn)、面在空間是有相對(duì)應(yīng)坐標(biāo)數(shù)值的，該模型是可操控的，模型中相應(yīng)信息的顯示、計(jì)算是沒(méi)有問(wèn)題的。

1.3被動(dòng)模型與主動(dòng)模型

被動(dòng)模型是應(yīng)用模型庫(kù)所提供的對(duì)象生成的，只能部分反映或不反映現(xiàn)實(shí)真實(shí)情況，而主動(dòng)模型則是根據(jù)實(shí)地勘測(cè)真實(shí)場(chǎng)景應(yīng)需制作的。在農(nóng)業(yè)科研中，需要的是主動(dòng)模型，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)地情況，模型能夠真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)，對(duì)推理、決策等具有更好的支持作用。

1.4Web交互中的實(shí)時(shí)性

在B/S結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)直接傳輸大量圖像信息的做法已經(jīng)被摒棄，這樣做會(huì)導(dǎo)致不連貫、嚴(yán)重的滯后、卡屏等情況?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)交互采用了B/C/S的方式，客戶(hù)端需要事先下載龐大的應(yīng)用軟件，進(jìn)行安裝，軟件會(huì)應(yīng)需隨時(shí)更新補(bǔ)丁，網(wǎng)絡(luò)交互的僅僅是相應(yīng)圖像、模型的文本編號(hào)信息，模型的運(yùn)行都在本地進(jìn)行。

1.5航拍即時(shí)建模

要使用到航拍飛機(jī)、3D數(shù)字化儀、3D數(shù)碼相機(jī)、3D攝像機(jī)等硬件設(shè)備。3D數(shù)字化儀發(fā)展很快，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，2012年實(shí)地對(duì)麥穗建模進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品還是不錯(cuò)的，所建模型比較清楚，麥芒也清晰可見(jiàn)，噪聲小。多臺(tái)3D數(shù)碼相機(jī)配以專(zhuān)用的鏡頭多角度同時(shí)拍攝，然后由相應(yīng)軟件依據(jù)多角度拍攝的照片進(jìn)行建模。這項(xiàng)技術(shù)很實(shí)用，如上海浦東的城市建模只用一個(gè)月左右就完成了，質(zhì)量很高；張家界旅游景區(qū)建模也較精致，山、水、花、草都很逼真，可以應(yīng)用在虛擬農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，先進(jìn)行大范圍虛擬建模，需要突出的模型在相關(guān)軟件中進(jìn)行精修，然后賦以屬性、方法、事件即可。費(fèi)用2012年是2萬(wàn)元/km2，價(jià)格視建模對(duì)象的復(fù)雜程度而定。

1.6模型外形與內(nèi)部，以及環(huán)境因子互相作用影響關(guān)聯(lián)

目前主要偏重于外觀(guān)形態(tài)的建模，內(nèi)部模型、內(nèi)部機(jī)理以及與周?chē)h(huán)境因子相互作用的定性、定量關(guān)系可以局部或單株深入進(jìn)行研究，但不是主要方向。

1.7畫(huà)法建模

靠復(fù)雜的算法畫(huà)出一個(gè)模型來(lái)，是眾多研究人員的研究方向和成果，但4D引擎的開(kāi)發(fā)不完全是這樣的，更多的是靠前一層軟件的支撐，做出一個(gè)模型，前一層軟件則外部接口明確，技術(shù)細(xì)節(jié)封裝，然后貼圖渲染著色打光，形成種類(lèi)豐富即取即用的模型庫(kù)。

24D虛擬引擎

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的虛擬4D引擎多達(dá)上百種，上圖市場(chǎng)容量為市場(chǎng)總?cè)萘康囊徊糠?，為所有這些引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用之和，其中orge是免費(fèi)的，但使用有更嚴(yán)格的限制。4D引擎包含以下系統(tǒng)：渲染引擎、物理引擎、碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、音效、腳本引擎、電腦動(dòng)畫(huà)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)引擎以及場(chǎng)景管理引擎等。建模技術(shù)確實(shí)是逐步發(fā)展起來(lái)的，在Opengl和DirectX這2個(gè)API基礎(chǔ)上發(fā)展到3DMAX、MAYA、Softimage、AutoCAD等到現(xiàn)在的4D虛擬引擎。這是因?yàn)槿绻苯硬捎玫讓拥慕＜夹g(shù)（比如Vc6.0+Opengl或者現(xiàn)在的.net+Opengl），跳過(guò)中間的2層，建模將十分困難，所建模型也很失真。目前針對(duì)虛擬農(nóng)業(yè)的4D引擎很少，有的引擎也不好用，建立的模型真實(shí)感不夠強(qiáng)。出于農(nóng)業(yè)科研的考慮，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開(kāi)發(fā)一個(gè)引擎也是可以考慮的一個(gè)立項(xiàng)依據(jù)，但開(kāi)發(fā)引擎投入巨大，周期長(zhǎng)，難度高，并且需要強(qiáng)力的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力，需要綜合考慮這些因素。如果引進(jìn)，需要考慮實(shí)際需求，引擎的購(gòu)買(mǎi)和授權(quán)使用價(jià)格十分昂貴，便宜的不好用而又限制太多。各個(gè)引擎的功能各有側(cè)重。以u(píng)nreal為例，授權(quán)使用費(fèi)用高達(dá)240萬(wàn)元以上，如果開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)用于商業(yè)，那么還要收取利潤(rùn)所得的30%，而國(guó)內(nèi)的涂鴉引擎授權(quán)使用費(fèi)用也高達(dá)40萬(wàn)元。

3結(jié)語(yǔ)

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟硬件發(fā)展是有跡可尋的，遵循一定的客觀(guān)規(guī)律，跳躍式發(fā)展基本是不現(xiàn)實(shí)的（除非有時(shí)可以資金換技術(shù)），發(fā)展層次關(guān)系非常清楚，最終能夠在虛擬農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用自如，還是需要底下一層層技術(shù)體系支撐起來(lái)的。

（2）軟件、硬件更新?lián)Q代很快，基本5a一代，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，非常被動(dòng)，尤其是硬件，有的軟件還可以升級(jí)。

（3）選擇合適的4D引擎很難，由于引擎?zhèn)戎攸c(diǎn)不同，需要綜合考慮各種因素，并不是隨便一個(gè)4D引擎拿來(lái)就可以進(jìn)行虛擬農(nóng)業(yè)工作的，不合適的引擎只會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致所建模型失真。

作者：崔曉陽(yáng) 單位：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所