增強現(xiàn)實技術在農業(yè)生產方面運用的分析展望

摘 要：增強現(xiàn)實技術，簡稱AR技術，最早在20世紀初提出，近幾年伴隨著科技技術的進步被廣泛應用于軍事、醫(yī)療、科教、旅游、娛樂等領域。增強現(xiàn)實技術在虛擬世界中模擬仿真出真實效果后呈現(xiàn)給用戶，給予用戶超越現(xiàn)實的特殊體驗。目前就增強現(xiàn)實技術在農業(yè)生產方面的運用分析較少，在當今“智慧農業(yè)”的大環(huán)境下，將AR技術運用于農業(yè)生產有著重要意義，本文將就增強現(xiàn)實技術運用的現(xiàn)狀及結合農業(yè)生產的可行性進行分析。

關鍵詞：增強現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實；農業(yè)生產

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱 AR）是在VR技術上發(fā)展起來的一項新技術。英文Augmented Reality顧名思義是在虛擬的基礎上疊加現(xiàn)實。它通過將計算機采集到的虛擬信息疊加上真實信息，將真實世界和虛擬世界交叉連接起來，使使用者得到在原本所處的環(huán)境中難以得到的實體信息（視覺、聽覺、味覺、觸覺等），在計算機仿真的虛擬世界中得到超越現(xiàn)實的認知體驗。經(jīng)AR技術仿真后的世界更接近于真實世界，加強后的信息更容易被用戶接受、理解。該項技術最早提出于20世紀初，近幾年伴隨著科技技術的進步和電子產品性能的提升被廣泛應用于軍事、醫(yī)療、科教、旅游、娛樂等領域。

1 關鍵技術

1.1 物體檢測與識別技術

想構建超越現(xiàn)實的增強環(huán)境首先要解決的問題就是讓計算機理解拍攝到的是什么場景，進而識別場景中存在著什么目標。為了讓構建出的環(huán)境盡可能地接近真實環(huán)境，增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要大量的定位數(shù)據(jù)支撐，包括：攝像機的所在位置、攝像機的參數(shù)、傳感器的偏移距離等。而在環(huán)境圖像的變化過程中，增強系統(tǒng)還需要大量的自動檢測參數(shù)和補償參數(shù)來調整仿真信息。為了發(fā)現(xiàn)場景中的目標，需要物體檢測和識別技術。物體檢測和識別技術主要是運用相關算法對場景中存在的事物進行分析并與計算機中存放的已知物體的特征和信息進行對比來實現(xiàn)。一種方法是通過算法得出同一類物體的一般性特征，在計算機內仿真出數(shù)據(jù)模型進行識別，這種方法不能保證個體識別的精確性，只能作為種類識別的輔助工具，忽略了環(huán)境因素的影響。另一種方法是從計算機數(shù)據(jù)庫中調取已有圖像的特征信息，在實際環(huán)境中將拍攝到的圖像庫內圖像進行對比，在一次次的逼近匹配中得到最準確的識別信息。該方法應用于需要降低環(huán)境因素的場合。

1.2 跟蹤和定位技術

為了實現(xiàn)現(xiàn)實世界和虛擬世界的實時交互，增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要滿足動態(tài)的同步。除了使用者的精確位置外，使用者實時的視角、運動狀態(tài)等相關信息都需要采集到位，這就體現(xiàn)跟蹤和定位技術的重要性。在室內及小范圍的跟蹤時多采用匹配式的模板跟蹤法，即在用戶或所跟蹤物體的表面設定一些不易改變的特征標記，隨著時間的流逝，計算機會不停地獲取被跟蹤物體的實時數(shù)據(jù)，并與之前得到的數(shù)據(jù)進行模塊式對比，從而計算出被跟蹤物體當前的位置和運動狀態(tài)。在室外及大范圍的跟蹤時則依賴GPS技術的支持，結合地理信息系統(tǒng)，在跟蹤物體輪廓的同時繪制周圍環(huán)境的預知視圖進而完成增強現(xiàn)實場景的構建。這種方法運算量大，但能夠自動選取新特征點。

1.3 顯示技術

計算機生成的環(huán)境要呈現(xiàn)給用戶，但計算機構建的環(huán)境一般是三維環(huán)境，呈獻給用戶的一般是二位平面圖形，顯示的原理一般是將增強環(huán)境中的圖像轉換為多層次的圖片，結合用戶所需的參數(shù)，在已有圖層上不斷疊加，最后形成一張圖片展示給用戶。傳統(tǒng)的顯示設備體積大，一般通過反光鏡的結構將生成的圖像映射到使用者的視網(wǎng)膜上?，F(xiàn)在多用的顯示設備為透視式，例如在手機上安裝相關APP或借助手持式增強顯示器，用戶透過窗口便能看到增強后的現(xiàn)實世界，類似于放大鏡效果。

2 農業(yè)生產運用

2.1 規(guī)劃播種方面

增強現(xiàn)實技術在農業(yè)生產方面的運用首先能夠體現(xiàn)在規(guī)劃播種方面，農民在野外進行實地考察選址時，配合3S技術和AR技術就能夠更加方便地得到考察地的環(huán)境信息。設想一下，考察者只需到達一個地勢較為高聳的地區(qū)，用手機APP向四周掃一掃就能夠知曉圖片中拍攝地的實際面積，近幾年溫度變化曲線、降水等高線，空氣中的氧含量、濕度，甚至能夠得到儲藏在底下的礦物質含量等信息。通過大量的數(shù)據(jù)支持能夠減輕因考察者知識不足所帶來的影響，同時也能夠降低野外考察時的工作強度，降低對于相關設備的需求。

而在種植方面的規(guī)劃時，增強現(xiàn)實技術則能夠提高農民對于土地的利用率。我國東南部地區(qū)的種植業(yè)產地多為復雜的丘陵地形，該地形高低參差不齊，形狀多樣，其中以梯田為代表的種植田的規(guī)劃難度較高，多依賴農民的工作經(jīng)驗。借助于增強現(xiàn)實技術，將種植地的地形數(shù)據(jù)導入到計算機中，將陣列排布的作物模型疊加至已有模型上，可以仿真出作物長大后的大致情形進而調整種子之間的排布間隙。AR技術也可以用來模擬種植環(huán)境中的日照變化，來檢驗種植環(huán)境是否滿足要求。

2.2 作物培育方面

增強現(xiàn)實技術對于種植環(huán)境的實時信息的把控，能夠有效地幫助作物的成長，其可以為農民提供田地里的夜間溫差變化、土壤中的濕潤程度等人類器官難以了解的相關信息。通過在種植環(huán)境中設置相關的傳感器，計算機能夠實現(xiàn)對于環(huán)境的實時狀態(tài)監(jiān)控。在此之后，借助計算機內部設置的算法和產地中作物的當前狀況，計算機可以計算出農民一天需要的向土地灌溉多少的營養(yǎng)液，需要如何調整溫室的內部的氣溫等，為作物的生長提供最適宜的環(huán)境。

除了對于環(huán)境的監(jiān)控外，增強現(xiàn)實技術還可以用來監(jiān)控作物的實時狀態(tài)。借助于電子設備的運用，農民可以便捷地了解作物的生長狀態(tài)，并按照計算結果調整肥料的供應和農藥的噴灑量。通過和生長模型的匹配，減少農民日常中用于檢查病蟲害的時間，在面對一些特殊情況時能夠縮短發(fā)現(xiàn)問題的時間，提高防治效率，方便管理。

另外，將AR技術和自動設備結合則能夠提高工作效率。增強現(xiàn)實技術可以實現(xiàn)農民對田地的遠程遙控，農民可以在家中控制噴灌、施肥設備的運行，通過疊加的畫面更能夠輕松地得到各種供給的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在已經(jīng)有用無人機播撒種子的案例，在日后技術發(fā)展后，甚至能夠通過自動設備對田地進行維護和耕作。

2.3 銷售方面

現(xiàn)在我國已經(jīng)開始了“農產品條形碼”的運用，增強現(xiàn)實技術也能夠達到類似的效果。消費者通過透視式的掃描器可以輕松地得到產品生產地的相關信息，也能夠得到該產品生產狀況的參數(shù)，讓生產過程透明化，滿足消費者的食品安全要求。而AR技術也可以用來增強農產品的展示效果，拉動消費者的購買欲望。

3 問題分析

3.1 數(shù)據(jù)支持問題

增強現(xiàn)實技術的運作過程中需要大量的參數(shù)支持以實現(xiàn)仿真的真實性，但僅靠3S技術不能滿足計算機運行的要求。在生產環(huán)境中需要補充設置傳感器，采集信息的精度和云數(shù)據(jù)庫提供信息的更新速度會很大程度上影響仿真的結果。

3.2 作物跟蹤問題

在作物生長過程中對于作物的連續(xù)跟蹤是增強現(xiàn)實的關鍵所在。作物與作物之間的區(qū)分識別，跟蹤傳感器的位置改變而造成的信息偏移等問題都會影響仿真的結果。

3.3 算法先進問題

農業(yè)生產不同于一般產業(yè)，受陽光、空氣等環(huán)境因素的影響較大，采集到的數(shù)據(jù)不一定準確，儲存的算法結構不一定適用于當前的環(huán)境，只有提高算法的精度減小誤差才能提高生產效率。

3.4 親民性問題

農民的知識水平普遍不高，增強現(xiàn)實技術減少了工作強度的同時提高了對于電子設備的使用要求。系統(tǒng)的繁瑣程度將很大程度決定在農民間的推廣程度。

4 未來技術發(fā)展方向

4.1 先進設備的開發(fā)

現(xiàn)有許多公司正開發(fā)土壤傳感器的相關業(yè)務，未來需開發(fā)出能測量土壤中的多種數(shù)據(jù)的傳感器。此外，對培育環(huán)境的監(jiān)控設備也必將隨之進行發(fā)展。能夠在勞作同時顯示的便攜設備也會不斷的更新。

4.2 自動化系統(tǒng)的建立

當AR技術能夠推廣運用時，農業(yè)生產自動化系統(tǒng)必然會隨之建立。計算機分析采集數(shù)據(jù)進行控制，田地中可以自動播種、灌溉、補充氮料的系統(tǒng)，溫室中可以隨太陽光照轉動的窗口、室內冷凝成水的能源循環(huán)系統(tǒng)等。隨著無人機技術的進步，氣象局可以圍繞無人機建立病蟲害防治中心和空中測量播種系統(tǒng)。

4.3 云平臺的建設

未來市場需要依托物聯(lián)網(wǎng)建立云平臺，將農業(yè)生產和信息化結合起來，建立線上線下的托管模式。在線上，結合專業(yè)的團隊，進行合理的規(guī)劃管理，為個體農戶提供技術咨詢。并對農產品的生產安全進行全程監(jiān)控。在線下，依托物聯(lián)網(wǎng)建立生產、運輸、銷售的流水線結構，推動農業(yè)創(chuàng)收。

參考文獻：

[1] 柳祖國，李世其，李作清等.增強現(xiàn)實技術的研究進展及應用[J].系統(tǒng)仿真學報，2003，15（2）：222-225.DOI：10.3969/j.issn.1004-731X.2003.

02.021.

[2] 黃有群，李志鵬，胡超博等.采用視覺注冊的戶外增強現(xiàn)實技術的研究[J].工程圖學學報，2010，31（1）：84-87.DOI：10.3969/j.issn.1003-0158.

2010.01.015.

[3] 伍靜文.增強現(xiàn)實技術在互動娛樂中的應用研究[D].廣東工業(yè)大學，2013.DOI：10.7666/d.Y2304953.

[4] 余艷紅.增強現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].湖南大眾傳媒職業(yè)技術學院學報，2016，16（1）：55-57.DOI：10.16261/j.cnki.cn43-1370/z.2016.01.014.

[5] 劉明.移動增強現(xiàn)實跟蹤技術及在農業(yè)展示中的應用研究[D].西南大學，2014.

作者簡介：黃君釗（1996-），男，福建福州人，本科，主要研究方向為機械制造及其自動化。