摘要: 虛擬現實技術, 即通過計算機等, 最有效的模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。這種技術已被廣泛應用于工業、農業、軍事、醫學、建筑、造船、飛機制造和各種飛行訓練等。該文概述了虛擬環境技術國內外研究進展,論述了“虛擬溫室”研究的意義、研究的方法、應用以及將來的研究方向。
1 引 言
虛擬現實技術, 即通過計算機等, 最有效的模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。虛擬現實技術是人工智能、計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、網絡技術以及高度并行的實時計算技術等一系列技術的綜合集成。這種模擬具有兩種基本特征:臨境感( imm ersive) 和交互性( in teract ive)。這種技術在實際中已被廣泛應用于工業、農業、軍事、醫學、建筑、造船、飛機制造和各種飛行訓練等[1]。
2. 1 虛擬現實技術的國外發展現狀
1956 年, 美國的Mo rton Heileg 開發了一種被稱為Sen so ram a 的摩托車仿真器。Sen so ram a 不僅具有三維立體視頻及立體聲效果, 還能產生振動、風吹的感覺及城市街道的氣味。用戶可以坐在仿真器的座位上經歷一種開摩托車漫游美國紐約曼哈頓的感覺。
1965 年, 由美國的計算機科學家Ivan Su therland發表了一篇名為《The U lt im ate D isp lay》的文章。他認為, 計算機生成的圖像應該非常逼真, 以致于計算機生成的場景與真實生活的場景毫無二致。1968 年, 他在哈佛大學組織開發出第一個計算機圖形驅動的頭盔顯示器(Helm et- Moun ted D isp lay, 即HMD) , 并且開發了與HMD 相配的頭部位置跟蹤系統。在完整的頭盔顯示系統中, 用戶不僅可以看到三維物體的線框圖, 還可以確定三維物體在空間中的位置, 并能通過頭部運動從不同角度觀察三維場景的線框圖[1]。
由美國NA SA Am es 實驗中心研制的V IEW 系統是第一個走出實驗室進入商業應用的虛擬環境系統。V IEW 系統造價低廉, 并裝備了數據手套、頭部跟蹤器等硬件設備, 還提供了語音、手勢等交互式手段。V IEW系統主要應用于遠程機器人控制、復雜信息管理及人類諸因素的研究。
由D IV IS ION 公司開發的Super V ision 系統從硬件角度來解決計算復雜性問題, 提出了一種基本的并行模型, 同時開發了相關的并行處理器件。把虛擬環境分為環境層、實體層、元素層及原語層4 個并發層。把虛擬環境中的不同元素由不同的進程并行處理。
2. 2 虛擬現實技術的國內發展現狀
在20 世紀90 年代中期, 北京航空航天大學的黃浩東等人研究并開發了虛擬原型機。虛擬原型機是當前設計和制造中的一項新技術。數字化的虛擬原型機將在很多場合替代物理原型機的使用, 從而大大縮短設計周期, 節約設計經費。
在2000 年, 虛擬環境技術已被引入生物環境的控制方面。中國農業大學的滕光輝, 應用計算機軟件編程技術開發了“虛擬”雞舍環境控制的系統軟件-PHECS, 在分析所選擇的不同環境系統的性能優劣, 最終給出優化控制方案等方面作出了積極的探索和研究[2]。
3 “虛擬溫室”研究意義及現狀
常規溫室的模擬, 其最大的特點是, 根據生物的生長特征, 對其環境因子, 用實物或半實物的方式, 模擬其適宜的生長環境, 從而達到預定的目的。這種研究方法存在諸多難以克服的困難和缺點:首先, 在進行相應課題的研究時, 必須建造滿足研究條件的溫室, 但是, 當它建成后, 根據研究需要, 對它的結構和運行參數需要做相應的改變, 從而觀察和研究溫室的運行、變化規律及其控制的效果時, 已建成的溫室將無法滿足此時的條件和要求, 勢必造成資金的浪費, 同時限制和阻礙課題的研究進度和正常進行。
其次, 對溫室環境因子進行研究時, 受季節和外部條件的影響十分強烈。當需要采集春、秋的數據進行模擬研究時, 必須在春、秋進行數據的收集和整理; 需要對溫室的降溫除濕進行研究時, 就必須在夏天進行; 如果需要對地中熱交換做相應規律的探討時, 就必須在冬天; 有時, 需要對溫室在特殊的外部氣候條件(大風、特定的高溫和低溫等) 下觀察和研究它的運行情況, 這樣勢必對研究帶來無法克服的困難。
第三, 在研究溫室系統的嚴格非線性、結構時變、大容量滯后[3]等問題時, 已有的分析模型都對溫室系統的一些條件(室外光照、室外溫度等) 進行了假設和簡化,這些條件在實際溫室中是根本無法清楚和完整體現出來的, 相應的在這些條件下溫室系統的運行狀況, 就很難進行觀察和研究。
因此,“虛擬溫室”的研究和開發便應運而生。其主要優勢是可以為實際生產提供一種交互、方便、可靠、快捷及可重復操作和演示的參考平臺, 為生產決策服務,同時“虛擬溫室”也可以作為一種綜合的計算機平臺, 進行試驗和研究溫室及其小氣候的特性和規律。
當然,“虛擬溫室”也有不足之處, 它是以實物或半實物的方式研究溫室所得規律為基礎, 無法代替實際,而且,“虛擬溫室”的效果必須以實物來驗證。所以它與實物或半實物的溫室研究是不可分割, 互為補充, 相互促進, 相得益彰的。
在“虛擬溫室”的研究方面, 有以色列的GAV ISHcon t ro l system 和日本在北京植物園的溫室控制系統。2000 年, 由T. Hon jo 和E. L im 將虛擬現實技術應用于溫室的可視化系統的研究, 同時這種虛擬環境的相關信息被轉化成VRML 格式, 放在互聯網上, 可實現溫室的設計和規劃[4]。
4 “虛擬溫室”的研究方法
4. 1 “虛擬溫室”的含義
“虛擬溫室”是將數據、材料、模型、物理屬性和高級算法整合成的一個研究平臺。研究溫室對外界環境的反應, 將物理學(如溫室圍護結構的傳熱和力學屬性) 和環境學(氣候變化和植物生理信息) 結合起來, 進行預測和預報溫室對外界各種變化(氣候條件、植物生長和人工干擾) 的反應, 而且能夠觀察、顯示和打印其結果。
4. 2 溫室因子的相互關系
為了便于進行研究, 可以將溫室中影響其特征的因素(因子) 按照數量, 將它劃分為單因子、雙因子和多因子; 同時又根據其特征分為物理學因子和環境學因子。物理學因子又可分為圍護結構、力學特性、載荷(風、雪載) 等因子; 環境學因子可分為氣候學因子和植物生長信息等; 氣候學因子有溫度、濕度、光照、氣流、CO 2 濃度等(圖1)。
圖1 溫室因子關系示意圖
F ig. 1 Sketch of facto rial relat ion in greenhouse
4. 3 “虛擬溫室”實現的流程圖
溫室模型是指溫室各個因子及其相互關系的靜、動態物理模型, 根據溫室中因子的多寡以及其靜、動態特征, 建立其相應的模型庫, 從控制學角度來說, 就相當于前端的輸入; 計算機數字化就是將溫室模型虛擬化、可視化。主要包含以下幾個內容: 高級語言的選擇、高級算法的應用、函數庫及可視化界面的建立, 這相當于進行某種高級變換, 即控制變換部分;“虛擬溫室”, 就相當于其輸出, 相當于經過某種高級變換的結果。
模型庫就是溫室模型的集合, 根據數量的多寡, 可對應的分為單因子模型庫、雙因子模型庫、多因子模型庫等幾類。函數庫就是將溫室中因子或因子間的物理模型轉化成計算機模型(函數) 的集合, 對應于溫室模型,依次可分為單因子函數庫、雙因子函數庫、多因子函數庫。模型庫和函數庫是一一對應的關系, 函數庫充分體現模型庫的特征(圖2)。
圖2 “虛擬溫室”實現的流程圖
F ig. 2 F low chart of V irtual Greenhouse realizat ion
4. 4 “虛擬溫室”實現的步驟
根據研究的思路和進展, 可將“虛擬溫室”的實現大致分為4 個步驟, 具體是“虛擬溫室”三維圍護結構的建立、“虛擬溫室”同步控制功能的實現、“虛擬溫室”中環境因子的可視化、“虛擬溫室”作物的虛擬化等。
1) “虛擬溫室”三維圍護結構的建立它是根據溫室的幾何模型, 運用VC+ + 下的M FC及OpenGL 畫出其立體結構圖, 通過渲染和多種特效處理, 然后設置漫游動作, 從不同側面、不同視角, 觀察“虛擬溫室”的空間布局狀況, 其組成部分的效果與真實的溫室毫無二致(圖3)。
圖3 “虛擬溫室”三維圍護結構實現流程圖
F ig. 3 F low chart of 3D const ruct ion of enclo singsrealizat ion of V irtual Greenhouse
2) “虛擬溫室”組件同步控制的實現運用“虛擬溫室”的組件同步控制真實溫室的相應組件的動作, 從而使“虛擬溫室”的組件和真實的溫室組件一一對應起來。這里將涉及到信號的采集、傳輸、實時處理及信號與執行機構的通訊(圖4)。
圖4 “虛擬溫室”組件同步控制實現流程圖
F ig. 4 F low chart of parts syn2cont ro l of V irtual Greenhouse
3) “虛擬溫室”環境因子可視化的實現以下主要對光照、溫度和CO 2 濃度做初步探討, 建立其簡單而實用的模型, 為其數字化和可視化奠定基礎。
溫室中的光照分布, 主要是指太陽輻射在溫室內的時空分布。隨時間的變化可分為兩種情況, 一是描述瞬時太陽輻射在溫室內的動態變化過程, 可以跟蹤任意給定時刻, 太陽輻射透過溫室覆蓋層后在溫室內的分布狀況; 二是累積輻射分布狀況, 它是對上述瞬時輻射分布值按任意時段進行積分, 代表溫室整體的采光分布特征, 同時也反映了太陽輻射能在進入溫室后, 在溫室不同部位上(如日光溫室地面、后屋面、后墻) 的比例分配關系, 也說明了太陽輻射在溫室內分布的非均勻性[5～ 9]。
溫室中的溫度分布, 指的是溫室中影響溫度的幾個要素相互耦合的變化情況。根據研究需要, 可簡化為太陽輻射(短波輻射)、通風熱交換、加熱管道的熱交換、作物體的熱交換、長波輻射和土壤表面熱交換等幾個部分, 對各個部分建立相應的熱平衡方程, 然后將這幾部分整合起來, 再根據所給定的不同的邊界條件(第一類邊界條件、第二類邊界條件和第三類邊界條件) , 耦合起來, 便可建立溫度分布的初步模型[10～ 13]。接著, 求該模型的數值解(Runge2Ku t ta 等)。通過仿真驗證, 與實際的規律相符合, 則所建模型成立。隨后即是該模型的相關參數數字化與可視化[14～ 17] (圖5)。
圖5 溫度分布可視化流程圖
F ig. 5 V isual flow chart of temperature dist ribut ion
CO 2 濃度在溫室中的分布, 與通風(自然通風、強制通風)、植物的生長狀況和土壤中微生物活動有關, 白天植物進行光合作用, 吸收CO 2; 晚上植物進行呼吸作用,呼出CO 2, 因而在晝夜的分布也相差很大。CO 2 含量影圖5 溫度分布可視化流程圖F ig. 5 V isual flow chart of temperature dist ribut ion響溫室內的長波輻射, 進而影響溫室中溫度的分布, 反之亦然。因此, 運用理論的方法很難建立其分布狀況模型。為了研究方便, 可以借助實驗的方法, 將其分為非常簡單的且具有代表性的空間分布的一群點(50 個, 100個, 甚至更多) , 可以在自然通風和強制通風的情況下,根據實驗所測得的數據, 近似反映其在溫室中的分布狀況, 建立其離散的數學模型, 接著進行仿真驗證。植物冠層的CO 2 濃度的分布狀況, 與植物的光合作用、分布特征和植物生長狀況直接相關, 只有建立植物的虛擬模型, 它的這些相關分布模型, 才能夠很好的建立起來, 進而進行可視化[18, 19] (圖6)。
圖6 CO 2 濃度分布可視化流程圖
F ig. 6 V isual flow chart of CO 2 concent rat ion dist ribut ion
4. 5 語言說明
開發VR 的常見語言有VRML ( ISO 國際標準的網上VR 語言)、SuperVRML、J ava 3D、M etast rean、XML、3DS M ax、V ega、V iewpo in t、F lash、D irecto r、A dobe A tomo sphere、OpenGL、D irect X 和Cu lt3D 等。
這里采用VC+ + 6. 0[20～ 22]及SQL 開發其函數庫、可視化界面以及三維立體圖像( 3DS m ax[23] 和OpenGL [24～ 29]等) ; 運用MA TLAB 的模糊控制工具箱、神經網絡工具箱、模擬工具箱進行數據的處理、結論的驗證和比對、虛擬儀器或設備的開發。
5 “虛擬溫室”的應用和研究方向
5. 1 “虛擬溫室”的應用
1) 溫室設計和控制
根據工程的實際要求, 可將“虛擬溫室”的圍護結構設計成各種型式, 如屋脊形屋面、圓拱形(包括各種二次曲面) 屋面和文洛(V en lo ) 型屋面等; 同時可根據其圍護結構, 利用可視化的方法, 研究溫室的結構特征和力學特性, 例如風載、雪載、壓力等, 觀察其變化的規律。利用“虛擬溫室”控制真實溫室, 就是使“虛擬溫室”的各個組成部分的動作和真實溫室的相應部分的動作協調一致, 從而進行溫室調控。
2) 科研
“虛擬溫室”與虛擬數字人、虛擬駕駛器、虛擬飛行器等相類似, 其科研的價值和意義是不言而喻的。溫室的動態研究、智能化和自適應的研究、虛擬植物(蔬菜和花卉等) , 都可以利用“虛擬溫室”, 進行可視化虛擬和研究。
3) 教學
真實溫室的計算機造型可以由“虛擬溫室”來再現。教學也可以從虛擬環境技術中獲益。除了簡單的描繪真實世界之外, 還可以通過改變虛擬環境的規則, 使用戶在不同的“環境”中進行體驗和學習。
5. 2 “虛擬溫室”的研究方向
虛擬溫室跟真實溫室一樣, 需要研究的內容相當豐富, 以下舉出幾個比較典型的方向:“虛擬溫室”圍護結構和力學結構的可視化及其研究設計。研究虛擬溫室圍護結構, 在風載和雪載下的力學特性和相關規律的可視化。
“虛擬溫室”動態模型研究, 數值模擬、智能化和自適應控制的研究。建立虛擬溫室環境因子的動態模型,無論是多因子(溫度、濕度、光照和CO 2 濃度等) , 還是單因子的, 都能比較好的反映實際溫室內環境因子的變化特性和規律, 從而可以進行虛擬溫室環境因子的數值模擬, 更深入的進行虛擬溫室模型的智能化和自適應控制的研究。
“虛擬溫室”植物虛擬(花卉和蔬菜等) 的研究。無論是糧食作物(如水稻、玉米、小麥等) 還是經濟作物(如棉花等) , 國內外研究的相當多, 也十分成熟。溫室栽培作物主要指蔬菜和花卉, 對它們的虛擬, 按常規的思路, 可將其分為土壤以上部分—植物冠層, 土壤以下部分—植物根系。植物冠層的虛擬研究可采用植物形態模擬的方法, 也可采用L 拓撲系統的方法, 或者根據實際需要把兩者結合起來進行研究, 或者根據實際需要開發出一系列的類L 系統; 植物根系的虛擬研究一般采用L 系統方法, 這種方法可以很好的模擬植物根系的空間拓撲分布狀況[30]。
“虛擬溫室”群的控制研究。虛擬溫室的群控是指多個虛擬溫室的集約化的控制。將單個的虛擬溫室作為獨立節點下位機, 進行多節點的信息融合和處理。
“分布式虛擬溫室”(D ist ribu ted V irtual Green2hou se DV G) 網絡和遠程控制。分布式虛擬溫室主要是指運用虛擬溫室控制真實的溫室, 并且在互聯網上或無線網上實現溫室的遠程控制。
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