摘要: 虛擬現(xiàn)實技術(shù), 即通過計算機(jī)等, 最有效的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。這種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、建筑、造船、飛機(jī)制造和各種飛行訓(xùn)練等。該文概述了虛擬環(huán)境技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展,論述了“虛擬溫室”研究的意義、研究的方法、應(yīng)用以及將來的研究方向。
1 引 言
虛擬現(xiàn)實技術(shù), 即通過計算機(jī)等, 最有效的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是人工智能、計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及高度并行的實時計算技術(shù)等一系列技術(shù)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(shù)在實際中已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、建筑、造船、飛機(jī)制造和各種飛行訓(xùn)練等[1]。
2. 1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國外發(fā)展現(xiàn)狀
1956 年, 美國的Mo rton Heileg 開發(fā)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(chǎn)生振動、風(fēng)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(jīng)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(jī)科學(xué)家Ivan Su therland發(fā)表了一篇名為《The U lt im ate D isp lay》的文章。他認(rèn)為, 計算機(jī)生成的圖像應(yīng)該非常逼真, 以致于計算機(jī)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(xué)組織開發(fā)出第一個計算機(jī)圖形驅(qū)動的頭盔顯示器(Helm et- Moun ted D isp lay, 即HMD) , 并且開發(fā)了與HMD 相配的頭部位置跟蹤系統(tǒng)。在完整的頭盔顯示系統(tǒng)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(tǒng)是第一個走出實驗室進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用的虛擬環(huán)境系統(tǒng)。V IEW 系統(tǒng)造價低廉, 并裝備了數(shù)據(jù)手套、頭部跟蹤器等硬件設(shè)備, 還提供了語音、手勢等交互式手段。V IEW系統(tǒng)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程機(jī)器人控制、復(fù)雜信息管理及人類諸因素的研究。
由D IV IS ION 公司開發(fā)的Super V ision 系統(tǒng)從硬件角度來解決計算復(fù)雜性問題, 提出了一種基本的并行模型, 同時開發(fā)了相關(guān)的并行處理器件。把虛擬環(huán)境分為環(huán)境層、實體層、元素層及原語層4 個并發(fā)層。把虛擬環(huán)境中的不同元素由不同的進(jìn)程并行處理。
2. 2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
在20 世紀(jì)90 年代中期, 北京航空航天大學(xué)的黃浩東等人研究并開發(fā)了虛擬原型機(jī)。虛擬原型機(jī)是當(dāng)前設(shè)計和制造中的一項新技術(shù)。數(shù)字化的虛擬原型機(jī)將在很多場合替代物理原型機(jī)的使用, 從而大大縮短設(shè)計周期, 節(jié)約設(shè)計經(jīng)費。
在2000 年, 虛擬環(huán)境技術(shù)已被引入生物環(huán)境的控制方面。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的滕光輝, 應(yīng)用計算機(jī)軟件編程技術(shù)開發(fā)了“虛擬”雞舍環(huán)境控制的系統(tǒng)軟件-PHECS, 在分析所選擇的不同環(huán)境系統(tǒng)的性能優(yōu)劣, 最終給出優(yōu)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(xiàn)狀
常規(guī)溫室的模擬, 其最大的特點是, 根據(jù)生物的生長特征, 對其環(huán)境因子, 用實物或半實物的方式, 模擬其適宜的生長環(huán)境, 從而達(dá)到預(yù)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(jìn)行相應(yīng)課題的研究時, 必須建造滿足研究條件的溫室, 但是, 當(dāng)它建成后, 根據(jù)研究需要, 對它的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)需要做相應(yīng)的改變, 從而觀察和研究溫室的運行、變化規(guī)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(jìn)度和正常進(jìn)行。
其次, 對溫室環(huán)境因子進(jìn)行研究時, 受季節(jié)和外部條件的影響十分強(qiáng)烈。當(dāng)需要采集春、秋的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬研究時, 必須在春、秋進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和整理; 需要對溫室的降溫除濕進(jìn)行研究時, 就必須在夏天進(jìn)行; 如果需要對地中熱交換做相應(yīng)規(guī)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(fēng)、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(tǒng)的嚴(yán)格非線性、結(jié)構(gòu)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(tǒng)的一些條件(室外光照、室外溫度等) 進(jìn)行了假設(shè)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(xiàn)出來的, 相應(yīng)的在這些條件下溫室系統(tǒng)的運行狀況, 就很難進(jìn)行觀察和研究。
因此,“虛擬溫室”的研究和開發(fā)便應(yīng)運而生。其主要優(yōu)勢是可以為實際生產(chǎn)提供一種交互、方便、可靠、快捷及可重復(fù)操作和演示的參考平臺, 為生產(chǎn)決策服務(wù),同時“虛擬溫室”也可以作為一種綜合的計算機(jī)平臺, 進(jìn)行試驗和研究溫室及其小氣候的特性和規(guī)律。
當(dāng)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(guī)律為基礎(chǔ), 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(bǔ)充, 相互促進(jìn), 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(tǒng)。2000 年, 由T. Hon jo 和E. L im 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于溫室的可視化系統(tǒng)的研究, 同時這種虛擬環(huán)境的相關(guān)信息被轉(zhuǎn)化成VRML 格式, 放在互聯(lián)網(wǎng)上, 可實現(xiàn)溫室的設(shè)計和規(guī)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(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(xué)(如溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱和力學(xué)屬性) 和環(huán)境學(xué)(氣候變化和植物生理信息) 結(jié)合起來, 進(jìn)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) 的反應(yīng), 而且能夠觀察、顯示和打印其結(jié)果。
4. 2 溫室因子的相互關(guān)系
為了便于進(jìn)行研究, 可以將溫室中影響其特征的因素(因子) 按照數(shù)量, 將它劃分為單因子、雙因子和多因子; 同時又根據(jù)其特征分為物理學(xué)因子和環(huán)境學(xué)因子。物理學(xué)因子又可分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、載荷(風(fēng)、雪載) 等因子; 環(huán)境學(xué)因子可分為氣候?qū)W因子和植物生長信息等; 氣候?qū)W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(guān)系示意圖
F ig. 1 Sketch of facto rial relat ion in greenhouse
4. 3 “虛擬溫室”實現(xiàn)的流程圖
溫室模型是指溫室各個因子及其相互關(guān)系的靜、動態(tài)物理模型, 根據(jù)溫室中因子的多寡以及其靜、動態(tài)特征, 建立其相應(yīng)的模型庫, 從控制學(xué)角度來說, 就相當(dāng)于前端的輸入; 計算機(jī)數(shù)字化就是將溫室模型虛擬化、可視化。主要包含以下幾個內(nèi)容: 高級語言的選擇、高級算法的應(yīng)用、函數(shù)庫及可視化界面的建立, 這相當(dāng)于進(jìn)行某種高級變換, 即控制變換部分;“虛擬溫室”, 就相當(dāng)于其輸出, 相當(dāng)于經(jīng)過某種高級變換的結(jié)果。
模型庫就是溫室模型的集合, 根據(jù)數(shù)量的多寡, 可對應(yīng)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(shù)庫就是將溫室中因子或因子間的物理模型轉(zhuǎn)化成計算機(jī)模型(函數(shù)) 的集合, 對應(yīng)于溫室模型,依次可分為單因子函數(shù)庫、雙因子函數(shù)庫、多因子函數(shù)庫。模型庫和函數(shù)庫是一一對應(yīng)的關(guān)系, 函數(shù)庫充分體現(xiàn)模型庫的特征(圖2)。
圖2 “虛擬溫室”實現(xiàn)的流程圖
F ig. 2 F low chart of V irtual Greenhouse realizat ion
4. 4 “虛擬溫室”實現(xiàn)的步驟
根據(jù)研究的思路和進(jìn)展, 可將“虛擬溫室”的實現(xiàn)大致分為4 個步驟, 具體是“虛擬溫室”三維圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建立、“虛擬溫室”同步控制功能的實現(xiàn)、“虛擬溫室”中環(huán)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(hù)結(jié)構(gòu)的建立它是根據(jù)溫室的幾何模型, 運用VC+ + 下的M FC及OpenGL 畫出其立體結(jié)構(gòu)圖, 通過渲染和多種特效處理, 然后設(shè)置漫游動作, 從不同側(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(xiàn)運用“虛擬溫室”的組件同步控制真實溫室的相應(yīng)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(yīng)起來。這里將涉及到信號的采集、傳輸、實時處理及信號與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通訊(圖4)。
圖4 “虛擬溫室”組件同步控制實現(xiàn)流程圖
F ig. 4 F low chart of parts syn2cont ro l of V irtual Greenhouse
3) “虛擬溫室”環(huán)境因子可視化的實現(xiàn)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(shù)字化和可視化奠定基礎(chǔ)。
溫室中的光照分布, 主要是指太陽輻射在溫室內(nèi)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(nèi)的動態(tài)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(nèi)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(jìn)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(jìn)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(guān)系, 也說明了太陽輻射在溫室內(nèi)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(jù)研究需要, 可簡化為太陽輻射(短波輻射)、通風(fēng)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(yīng)的熱平衡方程, 然后將這幾部分整合起來, 再根據(jù)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(shù)值解(Runge2Ku t ta 等)。通過仿真驗證, 與實際的規(guī)律相符合, 則所建模型成立。隨后即是該模型的相關(guān)參數(shù)數(shù)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(fēng)(自然通風(fēng)、強(qiáng)制通風(fēng))、植物的生長狀況和土壤中微生物活動有關(guān), 白天植物進(jìn)行光合作用, 吸收CO 2; 晚上植物進(jìn)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(nèi)的長波輻射, 進(jìn)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(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)的情況下,根據(jù)實驗所測得的數(shù)據(jù), 近似反映其在溫室中的分布狀況, 建立其離散的數(shù)學(xué)模型, 接著進(jìn)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(guān), 只有建立植物的虛擬模型, 它的這些相關(guān)分布模型, 才能夠很好的建立起來, 進(jìn)而進(jìn)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(fā)VR 的常見語言有VRML ( ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)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(fā)其函數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、模擬工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、結(jié)論的驗證和比對、虛擬儀器或設(shè)備的開發(fā)。
5 “虛擬溫室”的應(yīng)用和研究方向
5. 1 “虛擬溫室”的應(yīng)用
1) 溫室設(shè)計和控制
根據(jù)工程的實際要求, 可將“虛擬溫室”的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(jù)其圍護(hù)結(jié)構(gòu), 利用可視化的方法, 研究溫室的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特性, 例如風(fēng)載、雪載、壓力等, 觀察其變化的規(guī)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(yīng)部分的動作協(xié)調(diào)一致, 從而進(jìn)行溫室調(diào)控。
2) 科研
“虛擬溫室”與虛擬數(shù)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(tài)研究、智能化和自適應(yīng)的研究、虛擬植物(蔬菜和花卉等) , 都可以利用“虛擬溫室”, 進(jìn)行可視化虛擬和研究。
3) 教學(xué)
真實溫室的計算機(jī)造型可以由“虛擬溫室”來再現(xiàn)。教學(xué)也可以從虛擬環(huán)境技術(shù)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(huán)境的規(guī)則, 使用戶在不同的“環(huán)境”中進(jìn)行體驗和學(xué)習(xí)。
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(nèi)容相當(dāng)豐富, 以下舉出幾個比較典型的方向:“虛擬溫室”圍護(hù)結(jié)構(gòu)和力學(xué)結(jié)構(gòu)的可視化及其研究設(shè)計。研究虛擬溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu), 在風(fēng)載和雪載下的力學(xué)特性和相關(guān)規(guī)律的可視化。
“虛擬溫室”動態(tài)模型研究, 數(shù)值模擬、智能化和自適應(yīng)控制的研究。建立虛擬溫室環(huán)境因子的動態(tài)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(nèi)環(huán)境因子的變化特性和規(guī)律, 從而可以進(jìn)行虛擬溫室環(huán)境因子的數(shù)值模擬, 更深入的進(jìn)行虛擬溫室模型的智能化和自適應(yīng)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(jīng)濟(jì)作物(如棉花等) , 國內(nèi)外研究的相當(dāng)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(guī)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(tài)模擬的方法, 也可采用L 拓?fù)湎到y(tǒng)的方法, 或者根據(jù)實際需要把兩者結(jié)合起來進(jìn)行研究, 或者根據(jù)實際需要開發(fā)出一系列的類L 系統(tǒng); 植物根系的虛擬研究一般采用L 系統(tǒng)方法, 這種方法可以很好的模擬植物根系的空間拓?fù)浞植紶顩r[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(jié)點下位機(jī), 進(jìn)行多節(jié)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(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)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(lián)網(wǎng)上或無線網(wǎng)上實現(xiàn)溫室的遠(yuǎn)程控制。
[參 考 文 獻(xiàn)]
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