VR虛擬現(xiàn)實-虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用.ppt

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計算機在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 周美蘭湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 2 第七章虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 第一節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬農(nóng)業(yè)第二節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第三節(jié)虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 3 虛擬農(nóng)業(yè)信息資料查閱 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 4 第一節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬農(nóng)業(yè) 一 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的由來與概念與概念 一 虛擬現(xiàn)實 二 虛擬現(xiàn)實的基本特征1 是多感知性2 是沉浸感3 是實時交互性4 是自主性二 虛擬農(nóng)業(yè) 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 5 一 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的由來與概念 1965年 Sutherland首次提出了具有交互圖形顯示 反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想 1966年 美國正式開始了頭盔式顯示器的研制工作 1970年 出現(xiàn)第一個功能較齊全的頭盔式顯示器系統(tǒng) 20世紀80年代初 JaronLanier提出了虛擬現(xiàn)實 VirtualReality VR 美國宇航局及國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究 并取得了顯著成果 引起了對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用 展示了虛擬農(nóng)業(yè)巨大的應(yīng)用潛能 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 6 一 虛擬現(xiàn)實 VirtualReality 是指利用計算機技術(shù)生成一個逼真的 具有視覺 聽覺 觸覺等效果的可交互的 動態(tài)的世界 人們可以對該虛擬世界中的虛擬實體進行操縱和考察 它是信息科學領(lǐng)域一類新興的工程技術(shù) 是在計算機圖形學 計算機仿真技術(shù) 人機接口技術(shù) 傳感技術(shù) 多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及面向?qū)ο蠹夹g(shù)和智能決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 發(fā)展起來的一門交叉學科 虛擬現(xiàn)實作為當今計算機最熱門的技術(shù)之一 極大地突破了事物表達的傳統(tǒng)方法的局限 使過去認為只擅長處理字化單維信息的計算機發(fā)展為能處理適合人的特性的多維信息 使人們可以將想象的環(huán)境虛擬實現(xiàn) 并可以在其中以最自然的動作與這種虛擬現(xiàn)實進行交流 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 7 二 虛擬現(xiàn)實的基本特征 1 多感知性除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知外 虛擬現(xiàn)實技術(shù)還有聽覺感知 力覺感知 觸覺感知 甚至味覺感知 嗅覺感知等 2 沉浸感人在虛擬環(huán)境中 可以獲得有如身在真實世界中的逼真感覺 3 實時交互性人在虛擬環(huán)境中不只是被動地感受 還可以采取現(xiàn)實生活中習以為常的方式來操縱模擬場景中的物體 4 自主性自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度 例如 當受到力的推動時 物體會沿力的方向運動 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 8 二 虛擬農(nóng)業(yè) 從廣義來說 虛擬農(nóng)業(yè)主要包括 虛擬植物 用以培育水稻 玉米 小麥 大豆 棉花等主要農(nóng)作物的新品種 虛擬動物 用以培育豬 牛 羊 雞 魚等主要畜產(chǎn)品和水產(chǎn)品的新品種 利用VR技術(shù) 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備 設(shè)施的利用效率 利用VR技術(shù) 提高農(nóng)業(yè)資源綜合利用效率 利用VR技術(shù) 對農(nóng)產(chǎn)品市場進行模擬 利用VR技術(shù) 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理進行模擬 科學可視化技術(shù)在農(nóng)業(yè)技術(shù)教育 培訓 科研中的應(yīng)用等等 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 9 第二節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 1 虛擬植物2 虛擬動物3 虛擬立體農(nóng)業(yè)4 虛擬節(jié)水5 虛擬實驗6 虛擬農(nóng)場 7 虛擬果樹修剪8 虛擬農(nóng)業(yè)布局9 虛擬農(nóng)業(yè)區(qū)劃10 虛擬城市農(nóng)業(yè)11 虛擬農(nóng)機12 虛擬溫室 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 10 1 虛擬植物 VirtualPlants 是指利用VR技術(shù)模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育過程 利用虛擬植物技術(shù) 可以在電腦屏幕上設(shè)計農(nóng)作物 然后再進行實際培育或用基因工程技術(shù)繁殖出真實的農(nóng)作物 使農(nóng)作物新品種具有虛擬植物的理想性狀 新西蘭Hort研究所利用虛擬作物技術(shù)對幾維果 獼猴桃 品種進行改良研究 研究小組開發(fā)了虛擬幾維果樹的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 使人們可以在計算機顯示器上觀看幾維果樹發(fā)芽 生長 抽枝 展葉 開花 結(jié)果和果實成長 一整年的生長周期被縮至不到1分鐘的時間 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 11 中國虛擬植物標本館 簡稱CVH 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 12 中國數(shù)字植物標本館 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 13 中國數(shù)字植物標本館網(wǎng)絡(luò)雜志 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 14 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 15 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 16 虛擬植物的優(yōu)勢 虛擬植物比傳統(tǒng)植物生長模擬模型具有很大的優(yōu)勢例如 植物群體對光的截獲很難進行精確定量化研究 而利用虛擬植物 能判別光線被葉片截獲 穿過葉間空隙到達冠層更深處 從而容易地計算出植物群體空間中任意位置點的光通量的精確值 利用虛擬植物模擬農(nóng)藥從噴霧器中噴出后的空間運行軌跡 直觀地觀察農(nóng)藥在植物群體中的空間分布與害蟲的位置關(guān)系 從而可確定農(nóng)藥的最佳噴施方法 利用虛擬植物技術(shù) 則可以非常直觀地對農(nóng)田 森林等復雜的生態(tài)系統(tǒng)進行研究 發(fā)現(xiàn)難以觀察到的規(guī)律 利用虛擬植物 尋找一種既能對付蟲害又不污染環(huán)境的方法 利用虛擬植物對找最佳栽培方式 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 17 2 虛擬動物 利用計算機可視化地模擬動物在各種營養(yǎng)物脅迫條件下的生長過程用戶操作計算機不但可以了解動物生長全過程中鮮 干各種物質(zhì)的積累形狀 而且還可以從不同視角了解動物的逼真形態(tài) 在計算機支持下 一次模擬實驗只需幾分鐘即可得到實驗結(jié)果 大大加快了實驗的速度 減少了實驗的投入 而且可以完成在自然條件下難以得到的實驗結(jié)果 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 18 3 虛擬立體農(nóng)業(yè) 主要是通過對光資源利用的模擬 進而 可模擬地下部對水 肥等的吸收利用狀況等 實現(xiàn)對立體農(nóng)業(yè) 間作 套種 混種等 的優(yōu)化管理 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 19 4 虛擬節(jié)水 模擬不同作物 不同株型 不同節(jié)水型灌溉方式 不同的栽培管理措施 模擬自然降水過程對水分的吸收利用狀況 來實現(xiàn)水分最大的利用 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 20 5 虛擬實驗 應(yīng)用計算機建立反映客觀規(guī)律的虛擬模型應(yīng)用虛擬模型進行實驗 可以部分地替代在現(xiàn)實世界中難以進行的實驗 或者是費時 費力和費錢的實驗 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 21 6 虛擬農(nóng)場 在教學 科普教育和農(nóng)業(yè)科技推廣領(lǐng)域 可利用虛擬植物模型建立虛擬農(nóng)場讓學員在計算機上種植虛擬作物進行虛擬農(nóng)田管理直觀地觀察作物生長過程及最終結(jié)果 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 22 8 虛擬農(nóng)業(yè)布局 利用虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)進行模擬 可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)布局規(guī)劃設(shè)計效果的形象化 在觀光農(nóng)業(yè)中 可以模擬采摘 銷售 觀賞 垂釣 游樂等活動 為旅客設(shè)計合理路線 讓旅游者最大限度地參與 親自體驗 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 23 9 虛擬農(nóng)業(yè)區(qū)劃 模擬糧食生產(chǎn)與多種經(jīng)濟作物合理搭配種植 模擬農(nóng) 林 牧 副 漁業(yè)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 24 10 虛擬城市農(nóng)業(yè) 城市農(nóng)業(yè)是充分合理地利用城市空間和優(yōu)越條件來發(fā)展農(nóng)業(yè)的一種探索 利用虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)可以模擬環(huán)境 生態(tài) 科技 生產(chǎn) 觀賞為一體的城市農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展模式 便于決策 實施 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 25 11 虛擬農(nóng)機 可以虛擬農(nóng)機設(shè)計 農(nóng)機制造和農(nóng)機測試 例如 采用虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù) 對試驗對象的各個指標同時進行數(shù)據(jù)的測量 實時處理和實時分析 有利于提高測試水平 得出比較精確的結(jié)論 為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供更可靠的依據(jù) 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 26 12 虛擬溫室 虛擬溫室是將數(shù)據(jù) 材料 模型 物理屬性和高級算法整合成的一個研究平臺 研究溫室對外界環(huán)境的反應(yīng) 將物理學 如溫室圍護結(jié)構(gòu)的傳熱和力學屬性 和環(huán)境學 氣候變化和植物生理信息 結(jié)合起來 進行預(yù)測和預(yù)報溫室對外界各種變化 氣候條件 植物生長和人工干擾 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 27 第三節(jié)虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 一 虛擬植物生長建模與可視化研究二 虛擬植物模型的分類三 目前研究存在的問題四 植物模型的可視化 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 28 虛擬植物生長 虛擬植物生長是對植物在三維空間中的結(jié)構(gòu)發(fā)育與生長過程的計算機仿真 虛擬植物生長是計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的一個方面 也是作物栽培 作物生理生態(tài) 作物育種研究的一個新方向 虛擬植物生長的計算機建模與可視化仿真研究在農(nóng)林業(yè) 景觀設(shè)計或園林設(shè)計 虛擬實現(xiàn) 計算機動畫 計算機教學等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景 以計算機為手段對作物生長進行建模與仿真 將為探索植物生長過程的規(guī)律 改善人類生存環(huán)境帶來新的契機 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 29 一 虛擬植物生長建模與可視化研究 計算機模擬植物生長過程涉及多學科 如生物學 植物學 生態(tài)學 信息科學及應(yīng)用數(shù)學等 deWit對作物群體的光合作用進行了模擬研究 許多國家的研究人員在作物生長的計算機模擬領(lǐng)域做了大量的工作 建立了一些作物生長的計算機模擬模型 并得到了廣泛的應(yīng)用 目前 國際上比較領(lǐng)先的系統(tǒng)性研究機構(gòu)包括 法國以deReffye為首開發(fā)的AMAP植物生長軟件系統(tǒng) 加拿大以Prusinkiewicz為領(lǐng)導的虛擬植物實驗室 德國哥廷根大學Kurth領(lǐng)導的研究小組 澳大利亞CPAI研究中心 美國 新西蘭等國家的研究機構(gòu) 我國主要工作包括農(nóng)作物方面與計算機圖形學方面 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 30 1 L系統(tǒng)模型 1968年 生物學家AristidLindenmayer從生物形態(tài)學的角度出發(fā) 提出了一種用以構(gòu)造生物組織生長形態(tài)的并行語法 簡稱為L系統(tǒng) 此方法的創(chuàng)造性在于形式化地描述了植物或其他生物的結(jié)構(gòu)特征和生長過程 A R Smith和Prusinkiewicz等人將L系統(tǒng)與計算機圖形學結(jié)合起來 在計算機上產(chǎn)生了大量栩栩如生的植物形態(tài) 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 31 L系統(tǒng)產(chǎn)生的植物圖像 為了確定某一L系統(tǒng) 需要包括 公理或初始字符串 烏龜運動的角度 一個或多個產(chǎn)生式規(guī)則 以描述字符串替換操作 L系統(tǒng)的高度抽象性使其應(yīng)用多有不便 在形式語言表示與植物生長的數(shù)理生態(tài)參數(shù)之間沒有直觀的關(guān)系 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 32 2AMAP系統(tǒng)模型 法國CIRAD的植物建模機構(gòu)開發(fā)了一種不同于L系統(tǒng)的植物生長模擬方法 綜合了植物學家Halle等人提出的植物構(gòu)筑學方面的定性知識 對植物芽的功能作用 如生長 死亡 分枝等過程進行定量的數(shù)學描述 依據(jù)這個方法建立的植物生長軟件的名稱為AMAP 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 33 參考軸技術(shù) 圖參考軸的有限狀態(tài)自動機表示 DeReffye等人提出 參考軸技術(shù) 定量地模擬植物構(gòu)建的動態(tài)發(fā)展 下圖為參考軸的有限狀態(tài)自動機表示 參考軸是一個理論上的植物軸 它包括植物從種子到開花可能經(jīng)歷的所有不同階段 每一個階段對應(yīng)一個給定的生理年齡 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 34 3虛擬植物模型 用AMA系統(tǒng)模擬的不同生長階段雪松圖像 該模型是由澳大利亞CPAI研究中心在L系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 結(jié)合外部環(huán)境模型 光照 病蟲害等 以及由三維數(shù)字化儀獲取的三維植物的測量數(shù)據(jù)獲得的 該模型包含新的植物器官產(chǎn)生規(guī)則以及已有器官的大小幾何形狀變化規(guī)則 虛擬植物模型通過分析測量數(shù)據(jù)獲得的植物形態(tài)發(fā)育規(guī)則來描述植物的生長過程 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 35 4分形 Fractals 模型 分形方法是根據(jù)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu) 利用描述自相似性的數(shù)學工具來表現(xiàn)植物生長的拓撲以及形態(tài)結(jié)構(gòu) 主要包括疊代函數(shù)系統(tǒng) 分枝矩陣 粒子系統(tǒng) 正規(guī)文法方法 A系統(tǒng)以及Oppenheimer提出的特定的分形方法等 圖由虛擬植物模型產(chǎn)生的三維虛擬豆類植物 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 36 二 虛擬植物模型的分類 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 37 3植物模型的可視化 虛擬植物最終是以計算機軟件的形式實現(xiàn)和投入的 如下圖 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 38 植物生長軟件分類 植物生長軟件可分為 模擬 和 分析 兩大功能 軟件的基本結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地分為兩大模塊 模擬 部分是一個獨立的模塊 它根據(jù)設(shè)定的模型參數(shù)和環(huán)境條件 計算出植物的動態(tài)生長過程 分析 功能是以 模擬 為基礎(chǔ) 輔之以特定的數(shù)學優(yōu)化算法 處理實驗測量數(shù)據(jù) 從中提取有用的信息 發(fā)現(xiàn)規(guī)律 比如估計模型的隱含參數(shù)等 植物生長模擬程序通常又稱為 生長機 growthengine 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 39 四 目前研究存在的問題 1 以植物為對象的建模方法遠未完善 形態(tài)發(fā)育模擬模型與生態(tài)生理模擬模型的集中研究工作還很少 2 單純的分形方法在實現(xiàn)各種作物構(gòu)造模型方面能力有限 且缺少與生態(tài)生理模型的接口方式 3 若將L系統(tǒng)實施分為設(shè)計 信息壓縮 與計算 信息膨脹 兩個階段 目前仍然缺少L系統(tǒng)的設(shè)計方法 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 40 四 目前研究存在的問題 4 如何直接 合理地引入植物學知識將是研究植物形態(tài)發(fā)生模型的關(guān)鍵另一個主要問題是模型用于實際的有效性與可靠程度 5 由于模型是對真實系統(tǒng)的簡化與概要描述 存在這種簡化與概要描述是否與真實系統(tǒng)的變化反應(yīng)一致 模型的誤差及其與事實是否相符等問題 因此在模型運用之前就必須對模型進行檢驗 6 有些機理過程 如光合作用 干物質(zhì)分配等 并非是可直接測量的 這都給模型校核帶來困難 7 目前驗證模型的方法很多 但仍缺少對植物生長機模型在校驗與驗證方面的系統(tǒng)性研究工作 8 植物生長模型的應(yīng)用受到諸多因素的影響 而目前的模擬模型還未能考慮全部的限制因子 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 41 五 展望 虛擬植物模型的研究基本上始于20世紀60年代末 在過去的30多年里 植物生長的建模 仿真與可視化研究和應(yīng)用已經(jīng)得到了相當程度的發(fā)展 但大多數(shù)模型都有明顯的缺點 需要進一步的改進和完善 最有效的途徑之一便是將已經(jīng)測驗過的模型進行優(yōu)化組合 去粗取精 并擴充其發(fā)展 主要包括增加生理生態(tài)過程的定量描述 在提高預(yù)測性的基礎(chǔ)上增加機制性和全面性 要進一步將成功的模型推廣應(yīng)用于實踐 以發(fā)揮模型的潛在功能 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 42 研究的方向 1 作物光合干物質(zhì)在器官分配模式和庫源間的調(diào)節(jié)和控制 2 根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收機制以及其他土壤因子對作物生長影響的定量化模擬研究和檢驗 3 根據(jù)特定的應(yīng)用范圍以及對模型精度的要求 建立各具特色的應(yīng)用性土地生產(chǎn)力動態(tài)模擬模型 4 進一步改善植物生長過程的量化 如生育期 同化物分配 形態(tài)發(fā)育 維持呼吸等 2020 2 22 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院周美蘭 43 研究的方向 5 進一步完善與植物模型相應(yīng)的參數(shù)估計方法及其計算程序 6 根據(jù)模型的要求和各地的自然條件 建立模型所需要的標準化參數(shù)數(shù)據(jù)庫 7 虛擬植物模型與遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合 建立綜合的資源環(huán)境分析評價系統(tǒng) 8 朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 虛擬植物模型的計算機管理網(wǎng)絡(luò)化 研究與推廣的網(wǎng)絡(luò)化 形成 多學科 多層次 多部門 的攻關(guān)協(xié)作組