虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)可視化場景快速構(gòu)建中的應(yīng)用

林峰

摘要：隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，打造美麗鄉(xiāng)村，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在村落景區(qū)、農(nóng)業(yè)設(shè)施規(guī)劃、農(nóng)業(yè)休閑觀光、農(nóng)村文化特色等農(nóng)業(yè)可視化場景中成為未來發(fā)展的趨勢。以無人機和全景相機相結(jié)合的方式拍攝全景圖像，通過PTGui合成全景圖，上傳至720云平臺，構(gòu)建全景漫游系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓用戶坐在家里即可體驗到農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)場景、鄉(xiāng)村旅游景觀和農(nóng)村特色文化，對人們改變對農(nóng)村的認(rèn)知，塑造農(nóng)業(yè)品牌，激勵社會資本參與美麗鄉(xiāng)村建設(shè)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);農(nóng)業(yè);全景;無人機;720云平臺

中圖分類號：S126?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0268-06

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施規(guī)劃、休閑農(nóng)場茶園和農(nóng)村文化特色展示等方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能為用戶提供準(zhǔn)確的位置信息、導(dǎo)航地圖、地方建設(shè)規(guī)劃方案，同時對于企業(yè)地方旅游觀光宣傳起到一定的作用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)和農(nóng)業(yè)場景相結(jié)合的應(yīng)用比較廣泛，如茶園展示、鄉(xiāng)村建設(shè)、山地農(nóng)田規(guī)劃、休閑觀光農(nóng)場等。在茶園展示方面，用戶可以進(jìn)入全景漫游系統(tǒng)了解茶企文化、生產(chǎn)過程、茶園風(fēng)貌、地型、生態(tài)環(huán)境等。以海峽茶博園為例，該茶博園根據(jù)福建地域特色，把茶園分為儉、清、和、靜四大主題景觀茶園[1];通過3D全景技術(shù)和Mashup技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)茶博園場景的瀏覽與展示，為用戶帶來更加真實的茶園實景體驗[2]。在鄉(xiāng)村建設(shè)宣傳方面，紹興古城旅游景區(qū)的三維全景虛擬展示了整個古城的交通路線、酒店情況、古城規(guī)劃等內(nèi)容，讓用戶了解到更多的古城景區(qū)相關(guān)信息，體驗虛擬實景，以此吸引不同文化地域的游客前來參觀[3]。在休閑觀光農(nóng)場方面，用戶可以了解到生態(tài)園區(qū)特色、生產(chǎn)管理和經(jīng)營銷售方面的內(nèi)容。以中以示范農(nóng)場為例，該農(nóng)場是匯聚生產(chǎn)、培訓(xùn)、推廣、研究和創(chuàng)新于一體的綜合性示范農(nóng)場，用戶通過全景虛擬漫游系統(tǒng)可以了解到智能化農(nóng)業(yè)設(shè)施，根據(jù)解說瀏覽參觀，獲得更真實的交互體驗[4]。

本研究通過采用無人機和全景相機相結(jié)合的方式拍攝農(nóng)業(yè)場景的全景圖像，利用圖像拼接處理技術(shù)，結(jié)合交互設(shè)計實現(xiàn)全景漫游系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)可視化場景中的應(yīng)用，讓用戶坐在家里即可體驗到農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)場景、鄉(xiāng)村旅游景觀、農(nóng)家樂和茶園農(nóng)村特色文化，對人們改變農(nóng)村的認(rèn)知，塑造農(nóng)業(yè)品牌，助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)具有重要的意義。

本研究旨在為農(nóng)業(yè)設(shè)施規(guī)劃、生態(tài)茶園觀光和鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱VR[5]，是虛擬和現(xiàn)實相互結(jié)合的技術(shù)，可以讓用戶在虛擬世界中體驗到最真實的感受。它對硬件要求較低，開發(fā)成本不高，具有導(dǎo)航交互性強、感觀性強、應(yīng)用場景廣泛等特點，隨著科技的發(fā)展還可加入感知功能，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等，是未來發(fā)展的一個新的風(fēng)向標(biāo)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要以全景拍攝、圖像拼接處理和交互設(shè)計3個技術(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)。

1.1 全景拍攝

全景拍攝通過相機、全景云臺、魚眼鏡頭等硬件拍攝多張照片，然后使用軟件將多張照片拼接生成全景圖，全景圖分為360°、720°全景圖[6]。全景拍攝分為空中拍攝和地面拍攝，空中全景拍攝采用高清無人機完成，將拍攝的多張圖片進(jìn)行拼接，后期加入天空貼圖處理成全景照片;地面全景拍攝采用高清相機或者全景相機完成，普通高清相機拍攝方法和航拍相類似，但是普通相機因為要借助云臺和三腳架，三角腳的位置則后期需要一個地面的照片填補，相比普通相機，全景相機基于180°魚眼鏡頭進(jìn)行全景拼合，成像效果相對較好，操作方便易用，后期制作步驟簡單。

1.2 圖像拼接處理

圖像拼接是整個圖像處理中最重要的一個環(huán)節(jié)。照片與照片之間無縫銜接處理生成全景圖主要采用2個軟件，（1）Helmut Dersch公司的PTGui（V9.1.9 PRO）。PTGui能識別批量導(dǎo)入的照片重疊區(qū)域的像素特點，然后拼接合成全景圖，工作流程便捷、處理速度快且能保存不同圖像格式，方便其他圖像三維軟件導(dǎo)入處理。（2）Adobe公司的Photoshop CC 2019。Photoshop可以對全景圖進(jìn)行補缺和色彩處理，通過對光線、色調(diào)和色彩等參數(shù)的調(diào)整，讓全景圖更加炫麗奪目。

1.3 交互設(shè)計

全景漫游的交互設(shè)計工具眾多，主要分為軟件和云平臺的交互設(shè)計。全景漫游軟件主要以Pano2VR為代表，該軟體支持交互熱點、場景切換和場景縮放等多項功能，可生成Flash等格式的網(wǎng)頁文件，是目前主流全景漫游設(shè)計軟件之一。云平臺全景漫游設(shè)計主要采用720云平臺。720云平臺目前是國內(nèi)主要全景云平臺之一，具有較簡便的可視化界面，對硬件性能要求較低，全過程無需下載軟件，上傳全景圖像后，可自動處理生成全景圖片，高效、便捷。生成全景圖后，可在多個終端設(shè)備瀏覽查看，實時性高并且支持VR眼鏡功能。720云平臺主要以全景展示、互動工具和全景分享等為基礎(chǔ)，可在多終端查看全景照片和視頻，是集多功能為一體的全景平臺，包含全局設(shè)置、初始視角、場景熱點、電子沙盤、特效、背景音樂和導(dǎo)覽等選項。

2 集成應(yīng)用設(shè)計

2.1 流程設(shè)計

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有構(gòu)想性、沉浸感和交互性的特點[7]。初期對場景地點進(jìn)行規(guī)劃，選取采樣點，然后進(jìn)行拍攝、拼接圖像、后期圖像處理。以三維全景漫游技術(shù)為核心，通過實地考察并結(jié)合當(dāng)?shù)氐拿耧L(fēng)習(xí)俗和特色，選取代表性建筑物和特色的風(fēng)景作為采集點，確定采集點后，通過無人機和全景相機拍攝全景圖像，篩選素材，將圖像導(dǎo)入Photoshop中進(jìn)行優(yōu)化，之后通過PTGui Pro拼接圖像并進(jìn)行細(xì)節(jié)上的調(diào)整，最后上傳至720云平臺，通過720云平臺制作三維全景漫游系統(tǒng)。設(shè)計流程見圖1。

2.2 全景拍攝

2.2.1 空中拍攝全景

在空中拍攝全景時，建議使用搭載有一臺千萬像素以上機載相機的智能旋翼無人機。由于農(nóng)業(yè)行業(yè)的茶園、生態(tài)農(nóng)場、農(nóng)田的位置大部分都比較偏遠(yuǎn)，需要提前了解當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r，盡量選擇晴天、陰天進(jìn)行拍攝，避免雨天和打雷天氣。

在確保天氣的情況下，前往確定的采集點，對無人機進(jìn)行調(diào)試，調(diào)整相機的參數(shù)，如IOS、曝光量、照片尺寸、拍攝模式、圖片格式和白平衡等。將無人機懸停在視點80～120 m的上方，調(diào)整拍攝參數(shù)到合適的參數(shù)，控制飛行器水平旋轉(zhuǎn)4圈，首先水平拍攝一圈，每45°拍攝1次，共獲得8張圖片;第2圈拍攝時回到第1圈的初始位置，將云臺相機向下旋轉(zhuǎn)30°，之后重復(fù)第1圈的步驟;第3圈拍攝時，回到第2圈的初始位置，之后重復(fù)第2圈的步驟;到第4圈云臺相機垂直地面拍攝1～2張即可，無人機的拍攝流程見圖2。

2.2.2 地面拍攝全景

以Insta360 ONE X全景相機為例，開機連接手機應(yīng)用程序（APP），點擊相機按鈕進(jìn)入拍攝頁，設(shè)置相關(guān)拍攝參數(shù)，按拍攝頁中的快門按鈕進(jìn)行拍照，即可得到1張.insp格式的全景圖。需要注意的是拍攝時若選擇HDR參數(shù)，會得3張不同曝光程度的照片（圖3），選擇合適的全景圖，把全景格式照片導(dǎo)入PC端，應(yīng)用程序Insta360 Studio 生成.jpg格式的全景圖片。

2.3 圖像處理

拍攝的圖片通常會因天氣、環(huán)境或者個人因素，多張曝光不均勻，這時候必須調(diào)整圖片，讓多張圖片的光線相對一致，以減少后期拼接時，整體圖片光線不一的問題。

2.4 拼接處理

Photoshop和PTGui軟件在圖像拼接上，都能對批量圖像進(jìn)行處理。Photoshop批量處理圖片的步驟繁瑣，對于電腦性能要求比較高，處理速度相對PTGui慢一些，因此本研究選用PTGui對圖像進(jìn)行拼接處理。

全景的拼接在PTGui軟件中完成。步驟簡述如下：（1）打開PTGui，點擊“加載圖像”，導(dǎo)入航拍處理后的圖像（圖4）;（2）點擊“對準(zhǔn)圖像”，軟件會自動對圖像重合點進(jìn)行識別對準(zhǔn);（3）圖像之間會生成控制點，每2張圖片之間一般會有6～12個控制點，調(diào)整或者增加控制點，對圖像進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)控制點校準(zhǔn)后，如果圖像依然無法無縫對接，則需要通過用紅色和綠色的蒙版對圖像進(jìn)行調(diào)整（圖5）;（4）點擊“創(chuàng)建全景圖”，設(shè)置文件格式和品質(zhì)，將“優(yōu)化全景圖”設(shè)置為100%;（5）導(dǎo)出.tif或者.png格式圖片，命名好圖片名字，保存在指定的路徑下。

2.5 合成處理

由于拍攝角度問題，無法拍攝到天空的全景，通過PTGui生成的全景圖天空部分會出現(xiàn)缺失（圖6），需要后期通過天空素材進(jìn)行修補。打開Photoshop軟件，先導(dǎo)入缺失天空的全景圖，復(fù)制天空素材到航拍的全景圖中，對天空進(jìn)行修補（圖7）;調(diào)整天空素材的大小與全景圖的寬度一致，調(diào)節(jié)天空素材，使其與全景天空顏色相匹配。利用蒙板工具，使天空素材和全景圖無縫拼接;最后調(diào)整亮度、對比度及飽和度，讓全景圖更加的美觀。

2.6 全景漫游效果的制作與實現(xiàn)

在合成1張全景圖后，要實現(xiàn)網(wǎng)頁、手機終端漫游交互的方法有很多，本研究主要通過720云平臺來實現(xiàn)，首先登錄720云平臺，上傳處理后的全景圖照片，輸入作品標(biāo)題和分類，等待幾分鐘后，即可生成全景漫游效果圖。點擊編輯按鈕進(jìn)行詳細(xì)內(nèi)容的編輯，主要編輯作品相關(guān)信息。選擇有代表性的建筑物作為當(dāng)前初始視角，一般全景圖都會設(shè)有多個熱點，點擊熱點即可查看此全景圖的相關(guān)信息。對于不同的全景設(shè)置不同的熱點，可使瀏覽者了解當(dāng)?shù)夭煌娘L(fēng)俗習(xí)慣，全景圖中也可加入背景音樂、特效、導(dǎo)覽等功能，讓人們能進(jìn)行直觀體驗，最后點擊保存分享到網(wǎng)絡(luò)平臺（圖8），實現(xiàn)資源共享。

3 應(yīng)用實例

3.1 全景技術(shù)在光澤縣互聯(lián)網(wǎng)+生態(tài)食品產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)上的應(yīng)用

福建省光澤縣是一個以農(nóng)業(yè)為主的縣城，農(nóng)業(yè)企業(yè)一般分布比較散且相對遠(yuǎn)離城市中心，通過全景漫游系統(tǒng)，用戶可足不出戶就能了解當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的規(guī)模和地域文化特色等信息，對于招商引資起到重要宣傳作用。進(jìn)入去全景頁面（圖9）后，用戶可通過導(dǎo)航查看光澤縣各產(chǎn)業(yè)分類，包括產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)與運營、水稻產(chǎn)業(yè)、蔬菜產(chǎn)業(yè)、茶產(chǎn)業(yè)、特種養(yǎng)殖與加工業(yè)和食用菌產(chǎn)業(yè)（在每個分類下選用一些代表性的企業(yè)拍攝全景），也可通過點擊右上角的電子地圖查看各企業(yè)的具體位置信息。全景漫游系統(tǒng)可以讓投資商和旅客對光澤縣企業(yè)的風(fēng)土風(fēng)貌以及文化等信息有一個初步的了解。

3.2 全景技術(shù)在農(nóng)業(yè)茶園上的應(yīng)用

現(xiàn)在很多茶園除了種茶之外，還增加了休閑農(nóng)業(yè)，讓人們來觀光旅游，由于很多茶園的地理位置都比較偏僻，在不了解實地情況下，用戶出行成本較高。通過茶園全景用戶可以了解茶園的生態(tài)環(huán)境、規(guī)模、海拔高度、氣候等信息，無需到達(dá)現(xiàn)場即可觀看實地，方便出行生活，茶園全景圖能為茶廠產(chǎn)品銷售、推廣提供宣傳和幫助，也為用戶選購茶葉提供更有力的借鑒和參考（圖10）。

3.3 全景技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)施大柵上的應(yīng)用

全景技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)中也發(fā)揮著重要作用，在施工過程中，通過空中全景能了解到整體施工的進(jìn)度、規(guī)模是否達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，為前期規(guī)劃、中期進(jìn)度安排和后期驗收提供相關(guān)依據(jù)和參考材料。從圖11可以看出，全景技術(shù)能夠幫助現(xiàn)代鄉(xiāng)村農(nóng)田農(nóng)業(yè)設(shè)施改造，加快鄉(xiāng)村建設(shè)和規(guī)劃的速度。

4 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)步給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來一種新的方向，降低了人們出行的成本。全景技術(shù)的應(yīng)用降低了電腦硬件成本，增加了農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新性，使農(nóng)業(yè)場景應(yīng)用的傳播向多元化方向發(fā)展。本研究結(jié)合全景技術(shù)在企業(yè)導(dǎo)航分類、農(nóng)業(yè)茶園和農(nóng)業(yè)設(shè)施大柵規(guī)劃上的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)可視化場景制作發(fā)布過程中，涉及到的相關(guān)技術(shù)、設(shè)計流程和方法，該技術(shù)操作簡單、實用性強。通過云平臺技術(shù)，可實時更改場景信息并同步到多個終端，實現(xiàn)多終端設(shè)備瀏覽查看，讓用戶待在家中就能觀看到真實場景，增加沉浸感。綠色產(chǎn)業(yè)是美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重要支撐，農(nóng)業(yè)建設(shè)是未來創(chuàng)建幸福美麗新家園的關(guān)鍵。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)施規(guī)劃、鄉(xiāng)村建設(shè)、生態(tài)茶園觀光和地圖導(dǎo)航等方面更具實用價值與商業(yè)價值，可為農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展提供新方向。

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收稿日期：2020-05-08

基金項目：福建省屬公益類科研院所基本科研專項（編號：2018R1025-4）。

作者簡介：林 峰（1984—），男，福建福州人，助理農(nóng)藝師，主要從事數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)研究。E-mail：81042378@qq.com。