增強現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面運用的分析展望

摘 要：增強現(xiàn)實技術(shù)，簡稱AR技術(shù)，最早在20世紀(jì)初提出，近幾年伴隨著科技技術(shù)的進(jìn)步被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、科教、旅游、娛樂等領(lǐng)域。增強現(xiàn)實技術(shù)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(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的運用分析較少，在當(dāng)今“智慧農(nóng)業(yè)”的大環(huán)境下，將AR技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要意義，本文將就增強現(xiàn)實技術(shù)運用的現(xiàn)狀及結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可行性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，簡稱 AR）是在VR技術(shù)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)。英文Augmented Reality顧名思義是在虛擬的基礎(chǔ)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(rèn)知體驗。經(jīng)AR技術(shù)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(shù)最早提出于20世紀(jì)初，近幾年伴隨著科技技術(shù)的進(jìn)步和電子產(chǎn)品性能的提升被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、科教、旅游、娛樂等領(lǐng)域。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物體檢測與識別技術(shù)

想構(gòu)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(jìn)而識別場景中存在著什么目標(biāo)。為了讓構(gòu)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(diào)整仿真信息。為了發(fā)現(xiàn)場景中的目標(biāo)，需要物體檢測和識別技術(shù)。物體檢測和識別技術(shù)主要是運用相關(guān)算法對場景中存在的事物進(jìn)行分析并與計算機中存放的已知物體的特征和信息進(jìn)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(nèi)仿真出數(shù)據(jù)模型進(jìn)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(diào)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(nèi)圖像進(jìn)行對比，在一次次的逼近匹配中得到最準(zhǔn)確的識別信息。該方法應(yīng)用于需要降低環(huán)境因素的場合。

1.2 跟蹤和定位技術(shù)

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(guān)信息都需要采集到位，這就體現(xiàn)跟蹤和定位技術(shù)的重要性。在室內(nèi)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(shè)定一些不易改變的特征標(biāo)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(jìn)行模塊式對比，從而計算出被跟蹤物體當(dāng)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(shù)的支持，結(jié)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(yù)知視圖進(jìn)而完成增強現(xiàn)實場景的構(gòu)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(shù)

計算機生成的環(huán)境要呈現(xiàn)給用戶，但計算機構(gòu)建的環(huán)境一般是三維環(huán)境，呈獻(xiàn)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(zhuǎn)換為多層次的圖片，結(jié)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(shè)備體積大，一般通過反光鏡的結(jié)構(gòu)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(shè)備為透視式，例如在手機上安裝相關(guān)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)運用

2.1 規(guī)劃播種方面

增強現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的運用首先能夠體現(xiàn)在規(guī)劃播種方面，農(nóng)民在野外進(jìn)行實地考察選址時，配合3S技術(shù)和AR技術(shù)就能夠更加方便地得到考察地的環(huán)境信息。設(shè)想一下，考察者只需到達(dá)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(zhì)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(guān)設(shè)備的需求。

而在種植方面的規(guī)劃時，增強現(xiàn)實技術(shù)則能夠提高農(nóng)民對于土地的利用率。我國東南部地區(qū)的種植業(yè)產(chǎn)地多為復(fù)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(nóng)民的工作經(jīng)驗。借助于增強現(xiàn)實技術(shù)，將種植地的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jìn)而調(diào)整種子之間的排布間隙。AR技術(shù)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(shù)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(nóng)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(guān)信息。通過在種植環(huán)境中設(shè)置相關(guān)的傳感器，計算機能夠?qū)崿F(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(nèi)部設(shè)置的算法和產(chǎn)地中作物的當(dāng)前狀況，計算機可以計算出農(nóng)民一天需要的向土地灌溉多少的營養(yǎng)液，需要如何調(diào)整溫室的內(nèi)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(shù)還可以用來監(jiān)控作物的實時狀態(tài)。借助于電子設(shè)備的運用，農(nóng)民可以便捷地了解作物的生長狀態(tài)，并按照計算結(jié)果調(diào)整肥料的供應(yīng)和農(nóng)藥的噴灑量。通過和生長模型的匹配，減少農(nóng)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(shù)和自動設(shè)備結(jié)合則能夠提高工作效率。增強現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)農(nóng)民對田地的遠(yuǎn)程遙控，農(nóng)民可以在家中控制噴灌、施肥設(shè)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(shù)發(fā)展后，甚至能夠通過自動設(shè)備對田地進(jìn)行維護(hù)和耕作。

2.3 銷售方面

現(xiàn)在我國已經(jīng)開始了“農(nóng)產(chǎn)品條形碼”的運用，增強現(xiàn)實技術(shù)也能夠達(dá)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(chǎn)品生產(chǎn)地的相關(guān)信息，也能夠得到該產(chǎn)品生產(chǎn)狀況的參數(shù)，讓生產(chǎn)過程透明化，滿足消費者的食品安全要求。而AR技術(shù)也可以用來增強農(nóng)產(chǎn)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(shù)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(shù)不能滿足計算機運行的要求。在生產(chǎn)環(huán)境中需要補充設(shè)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(jié)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(guān)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(jié)果。

3.3 算法先進(jìn)問題

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不同于一般產(chǎn)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(zhǔn)確，儲存的算法結(jié)構(gòu)不一定適用于當(dāng)前的環(huán)境，只有提高算法的精度減小誤差才能提高生產(chǎn)效率。

3.4 親民性問題

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

4 未來技術(shù)發(fā)展方向

4.1 先進(jìn)設(shè)備的開發(fā)

現(xiàn)有許多公司正開發(fā)土壤傳感器的相關(guān)業(yè)務(wù)，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(shè)備也必將隨之進(jìn)行發(fā)展。能夠在勞作同時顯示的便攜設(shè)備也會不斷的更新。

4.2 自動化系統(tǒng)的建立

當(dāng)AR技術(shù)能夠推廣運用時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jìn)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(zhuǎn)動的窗口、室內(nèi)冷凝成水的能源循環(huán)系統(tǒng)等。隨著無人機技術(shù)的進(jìn)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(shè)

未來市場需要依托物聯(lián)網(wǎng)建立云平臺，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和信息化結(jié)合起來，建立線上線下的托管模式。在線上，結(jié)合專業(yè)的團隊，進(jìn)行合理的規(guī)劃管理，為個體農(nóng)戶提供技術(shù)咨詢。并對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)安全進(jìn)行全程監(jiān)控。在線下，依托物聯(lián)網(wǎng)建立生產(chǎn)、運輸、銷售的流水線結(jié)構(gòu)，推動農(nóng)業(yè)創(chuàng)收。

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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。