增强现实技术在农业中的研究与发展趋势

赵树林 孙晓婷 吕光杰

摘要 增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是一种虚实相结合的计算机技术，已经进入人们的生活并且在不知不觉中影响着人们的生活。阐述了增强现实技术在农业中的应用，重点分析了基于位置的服务和自然用户界面（natural user interface，简称NUI），云计算和手持移动设备的四大技术在农业领域的研究趋势，这些技术都会潜在影响增强现实技术在农业领域中的发展。基于位置的服务的进一步发展会使在复杂的农业环境中部署实施增强现实应用成为可能；自然用户界面能够提供更直观更方便的用户体验，从而增加了增强现实应用的可用性；云计算技术可以使在农业领域形成“数字农业云”，可以让有网络连接的用户无处不在的获取各种农业相关信息，从而加速了增强现实应用在农业领域中的使用规模。最后，介绍了各种手持移动设备都可以成为增强现实应用的平台。

关键词 增强现实；农业；病虫害；数字农业云；移动设备

中图分类号 S126 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）09-0231-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.065

Abstract The augmented reality technology is a kind of virtual actual combination of computer technology， which has come into our life and imperceptibly affects our life. We expounded the application of augmented reality technology in agriculture， mainly analyzed the location based services， and natural user interface， the research trend of four technologies of cloud computing and mobile devices in the field of agriculture， these techniques will be the development of the potential impact of augmented reality technology in the field of agriculture. Further development of location services will make the deployment and implementation of augmented reality applications become possible in the complex environment based on agriculture；natural user interface can provide more intuitive and more convenient for the user experience， so as to enhance the availability of practical applications；cloud computing enables the formation of “cloud of digital agriculture” in the field of agriculture， and can make a network connected users ubiquitous access to all agriculture related information， so as to accelerate the application of augmented reality in the field of agriculture use scale；at the same time， we introduced a variety of handheld mobile devices that can be enhanced reality application platform.

Key words AR；Agriculture；Plant diseases and insect pests；Cloud of digital agriculture；Mobile device

增強现实简单来说是通过电脑技术将虚拟的信息应用到真实世界，将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间使它们同时存在[1]。人们看到的画面不仅包含了真实世界的信息，而且虚拟的信息同时也显示出来，两种信息相互补充、叠加。通过增强现实技术实现的这种虚实结合画面提供了人类在真实世界中感知不到的信息，增强人们的所见、所听、所感和所闻，进一步模糊真实世界与计算机所生成的虚拟世界之间的界限。因此，增强现实技术越来越受到大众认可和欢迎。随着增强现实技术的越来越成熟，基于这一技术的应用程序和软件也越来越多、越来越多样化，因此逐渐流行起来。在实际应用中，增强现实技术已经成功应用到多个行业和产业中，比如教育行业、设计行业、制造业、建筑、工程施工以及娱乐行业等[2]。增强现实技术在农业环境调查与检测、农业病虫害检索和农业旅游产业等方面都有巨大的应用价值。将增强现实技术应用到农业中对我国农业经济发展、科技进步和社会价值都有巨大的促进作用。

由于计算机硬件和软件的快速发展，未来几年内基于增强现实技术应用的数量会飞速增长，尤其是在商业上的应用研究。美国市场研究公司Gartner预计，在未来2～5年内大约会有30%的工人使用某种形式的基于增强现实技术的功能。此外，Gartner还预计在未来5～10年内，增强现实会脱离期望膨胀期，经过长时间的技术发展和完善，增强现实会迎来高峰期[3]。增强现实技术在商业上的推广也很有前景。例如，谷歌眼镜（Project Glass）是谷歌（Google）公司的研究和发展计划，其目的是开发一个基于增强现实技术的头戴式显示器（Head-Mounted Display，简称HMD），使用户能够体验到真正身临其境的数字化生活。市场分析机构ABI Research预计，在未来2～5年来自手机应用市场的基于增强现实技术的应用的收入将达到35亿美元。Juniper网络公司也预测在未来2～5年内提供增强现实服务的市场收入也将达到73亿美元。由此可见，增强现实技术日趋成熟，并且在未来10年内，各行各业中增强现实技术将被广泛的采用，包括农业领域。

现在信息技术、计算机技术和网络技术的发展导致了农业科学技术发展的倍增效应，我国当代农业的发展正朝着更先进的“数字农业”“智慧农业”方向发展。在现代农业管理中，日益重视信息共享和利用现代技术武装自己。在实现农业物种识别、病虫害信息识别及治理解决方案过程中，现场技术人员有可能由于自己判断失误、知识匮乏，导致不能及时有效地判断病虫害信息，从而延误了治理病虫害的时机，造成巨大经济损失。正因为增强现实技术表现出了解决以上问题的潜在能力，所以可以将其应用到物种识别、动物健康检测、农业病虫害监测、检测与防治等领域中。在这些农业领域中，可以充分利用现有农业监控平台和移动智能监控平台，并建立农业病虫害、动物健康指数和物种等模型，利用计算机应用程序和手机应用软件，提高对用户对动物健康和农业病虫害等的决策能力，为用户带来更高的效益和经济价值，从而有效促进农业科技和经济的发展。而目前对研究者来说重点就在于如何应用增强现实技术有效合理的解决这些问题。现在人们对农业场景的真实感表现的实时性、精确性和丰富性要求越来越高，对增强现实技术在农业领域的要求也就越来也迫切。

总之，现阶段增强现实技术的研究趋势和方法就在于能够产生更多的使农业的发展也能从增强现实技术受益于的基于增强现实技术的应用。就目前的发展速度预测，在不远的将来，增强现实技术能够成熟的应用到农业中。因此，现在的研究工作为未来基于增强现实技术的应用奠定了基础。

1 增强现实技术应用现状

随着增强现实应用开发工具集（如ARToolkit）的出现，基于增强现实的应用走进了生活，例如索尼公司的虚拟宠物EyePet和Layar手机浏览器等。早在2009和2010年，一些欧洲公司走在了世界的前面，如Layar、Wikitude以及Junaio公司发布了在智能手机上的增强现实应用程序。用户将手机摄像 头指向某物就可看到一幅各种信息重叠显现的图像，如地理方位、大楼名称、历史图片或饭店一览等，甚至还能显示出用户最近在社交网站上的更新。利用增强现实应用程序打广告的方式也开始流行起来。

增强现实技术已经应用于很多领域。在教育领域，Matsutomo S提出了一种新的实时可视化系统，用户利用增强现实技术的复合图像，帮助电磁学习者实时观察和可视化领域的变化[4]。在工程领域，WANG X等[4]使用增强现实技术去训练现场操作人员，提高他们的操作能力，加深理解；在建筑领域，SCHALL G等[5]研究使用增强现实技术现实地下设施的布局情况，减少不必要的伤害等。增强现实技术在各行业各领域中的成熟应用，积累了足够的经验和方法，可以将这些经验方法推广和应用到农业的发展中去。同时，增强现实技术的关键技术虚实图像融合、三维跟踪注册技术可以很好地帮助解决“数字农业”中遇到的场景复杂度增加的难题，还提供了有效可行地虚实相结合的方法。

另外，随着跟踪算法的不断完善和基于特征值跟踪算法[7]的出现，增强现实技术不再需要使用常规标记去检测虚拟内容在真实空间放置的维度位置，而是应用基于特征值跟踪算法。这种算法可以从场景中提取特征从而识别相机和真实世界之间的坐标关系。因此增强现实技术很容易应用于农业领域。但是，由于农业真实环境极其复杂，基于标记跟踪技术的跟踪算法也很难被取代。然而，基于特征跟踪算法可以帮助解决场景复杂度增加的难题，因为增强现实技术在复杂的环境中能够探测到对象物体的特征并且利用这些特征判断出应该在哪个地方叠加虚拟内容。这种新型的增强现实技术被称为无标记跟踪技术。由于在复杂环境中很难设定常规标记，这种新型的增强现实技术就更适合应用到农业中。

就增强现实应用的现状来看，将来基于增强现实技术的应用很有希望被广泛采用，但是仍然存在阻止增强现实应用在实际中的发展。例如，在农业调查时装有增强现实应用的随身设备应该更加方便携带；由于有大量不同的信息访问，增强现实系统要有便于查询的数据库和查询方法。因此，要广泛利用增强现实技术还需要整合更多的技术。

2 增强现实应用的相关技术

增强现实使用多种方法将虚拟世界和真实世界叠加起来。这是一种理念而不是唯一的技術方法。这些方法的出现和发展会直接影响到增强现实应用的可用性和适用性。笔者概括了4种未来在增强现实应用中扮演重要角色的技术，这4种技术也在快速的发展中。由图1可知，一个完整的增强现实应用主要有4部分：位置计算、数据、友好的用户界面和硬件平台。基于位置的服务可以提供位置计算需要的位置信息；在云环境中，增强现实应用可以及时获取需要的数据；自然用户界面（NUI）可以提供用户更方便的用户体验；同时手持设备，如智能手机的普遍使用可以提供增强现实应用很好的运行平台。

2.1 基于位置的服务

在增强现实技术中，定位技术被用来识别目标物体的姿态。它是增强现实应用的核心功能，并且会对未来的增强现实应用产生重要的影响。定位方法的精确度限制了增强现实应用如何将虚拟内容叠加的真实世界中。

在未知环境中检测目标对象的几何形状一直是研究人员几十年来研究的重点问题。随着全球定位系统（GPS）的发展，通过引用控制点、运用数学的插值过程人们可以精确的识别目标物体的位置。在工程建设领域，BEHZADAN A H等[8]提出了一直集成GPS的移动增强现实平台框架。为了增加现场操作人员的沟通，HAMMAD A等[9]给我们展示了集成GPS的增强现实系统在可视化协同任务中的应用。

除了GPS，还有其他的利用传感器提供相似位置服务的户外定位技术，例如射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）技术可以解决短距离尤其是室内物体的定位，可以弥补GPS等定位系统只能适用于室外大范围的不足，GPS定位、手机定位再加上RFID短距离定位手段与无线通信手段一起可以实现物品位置的全程跟踪与监视；无载波通信技术（Ultra Wideband，简称UWB）可在室内和地下进行精确定位。在增强现实应用中，定位占据重要地位，这主要是因为算法需要位置信息计算检测虚拟内容被叠加的真实世界中的位置。与简单的户外定位不同，增强现实应用需要从真实世界捕捉设备（如摄像头）中分析得到目标物体的几何属性信息。这种从图片或者点集中分析目标对象集合属性的方法对增强现实应用极其重要。

定位的精确度对增强现实应用至关重要。根据WANG X等[2]的研究可知，由于现阶段跟踪定位精确度的不足，在工业领域中还没有专业的增强现实应用被实施在实际操作中。在农业中，实现动物健康检测、农作物病虫害识别等过程也同样面临类似的问题。如果目标对象姿态能够被精确的检测到，增强现实应用就能显示正确的信息，同时使用增强现实应用的现场操作人员也能获得正确的信息。同样，如果传感器的融合技术、定位算法和像即时定位与地图构建[10]（simultaneous localization and mapping，简称SLAM）、UWB、RFID和GPS等方法技术被应用到增强现实中，增强现实应用就能够以稳定的图像提供更多的有效信息。环境噪声和传感器错误也能很轻易地影响增强现实应用的定位功能。

在现阶段，由于环境复杂度、信号质量、传感器等不确定因素的影响，几乎所有的定位技术都受到限制。这样，对开发者来说就很难维护增强现实的精确度，所以要提升增强现实应用的质量，位置定位信息的精确度必须也得到提升。

2.2 自然用户界面（NUI）

自然用户界面（NUI）模仿人类的行为和手势，不需要使用输入设备就可以实现人机沟通，使人机交互变得更加自然直观和人性化。而且，自然用户界面有很少的规则是轻量级的，所以，它很适合應用到增强现实领域中。

设计和控制增强现实用户接口是当前阶段流行的研究热点课题。特别是增强现实应用更多的使用手势[11]和kinesthetic control（动觉控制）[12]。例如，“SixthSense”（第六感）[13]是一种可穿戴式手势界面控制系统，原型机由便携式投影机、镜子、摄像头组成。硬件部分全部使用便携式硬件，可穿戴式设计，投影机和摄像头平时可以放置在口袋中，墙壁表面、任何有形物体的表面都可以作为操作面使用。Kinêtre[14]是一个基于微软Kinect的应用，只需扫描1个3D物体，Kinêtre就可以将它变成动画形象，并利用Kinect将你身体的不同部位与这个动画形象的相应部分建立联系，然后它就可以随着你身体的活动而产生动画效果。以上提到这些应用的一个共同特点就是通过人体的自然动作控制输入，因此人们可以很直观并且很容易就学会使用。

增强现实应用的可用性不仅依赖它的稳定性，而且更依赖人机交互控制接口的质量。在设计一个增强现实应用的用户接口时，应该优先考虑使用直观的手势和人型传感控制方法，而不是间接地控制器设备。因此，更多的努力应该放在创造出新的用户接口控制方法，这种新的用户接口更好地符合和顺应了人类的自然行为。

在将来，增强现实应用的控制方法会更加直观、易学。随着新型传感器的问世，人们将能够在不使用任何间接输入设备的情况可控制增强现实设备，就像当前最新的谷歌眼镜（Project Glass）。而且，这些增强现实设备的控制方法会更加稳定，也会很少受到感测方面的限制。这些控制模型减少了现场操作人员要记住如何使用增强现实应用的心里要求，从而也降低了像在农业这样复杂多变的环境中操作增强现实设备的风险。

2.3 云计算

继个人计算机和互联网变革之后，云计算[15]被看作第三次IT浪潮，它将带来生活、生产方式和商业模式的根本性改变，云计算将成为一种强大的技术。将它作为数据访问的平台，扩展到增强现实应用中具有很大的潜在价值。

云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。它正迅速成为提供IT基础设施，应用程序和数据管理的一种创新模式。值得考究的是，云计算可以帮助管理大量的数据，如耕地、育种、播种、施肥、植保、收获、储运、农产品加工、销售、畜牧业生产等各环节产生的数据，数据的形式包含了图像照片、数字、文本、符号等文字符号数据和视频音频等多媒体数据形式。这些数据是跨行业、跨专业的数据分析与挖掘，对植物病虫害和食品安全有着重大意义。这样形成“数字农业云”，通过网络访问数据实现了数据的动态的共享，突破了原来静态单一的数据存储。网络访问的实时性，基于云计算的计算机设备让用户更容易的访问到数据。

在“数字农业云”的基础上可以充分发展“智慧农业”研究。基于增强现实技术的视频图像监控应用可以为用户提供植物或农作物历史、当前和今后生长的详细信息等服务。一个简单的场景就是用户手持便携增强现实应用设备（如智能手机）对一种植物的叶片进行拍照，就可以决策该植物现在是否健康，如果已经患有病虫害就可以对其进行判定为何种病虫害，并通过文字、语音或视频的形式为用户推荐有效的防治方案。从而达到用户可以及时发现并治理植物病虫害的目的，这大大增加了用户的效率。如果用户继续把植物病虫害防治信息（文字、图像等）上传到“数字农业云”中，当其他用户再遇到相应植物病虫害问题时就可以及时有效地进行防治，增强现实应用的体验也被不断的扩展。

通过利用互联网的力量，增强现实应用可以提供给最终用户大量的数据和各种信息。云计算满足了在该领域中同时处理大量数据的要求。云计算的利用有可能实现把虚拟信息引进现实世界，这刚好是增强实现的目标。

2.4 手持移动设备

设备的大小、重量、性能以及硬件的价格都直接影响着增强现实应用。手持移动设备如手机、平板电脑等体积逐渐越来越小、价格越来越便宜、性能越来越强大，并且带有显示功能，因此增强现实正适合应用在这些设备上。

增强现实技术的目标就是设计出方便携带、任何地方都可以使用的应用。在硬件可以满足增强现实对显示和操作要求的情况下，硬件的移动性决定着增强现实的便携性。目前，越来越多的增强现实应用被部署到了智能手机、头戴式显示器（HMD），甚至iHelmet这样特殊的设备上。这都是工业发张进步的结果，工业的发展进步使得微芯片更加微小，同时性能也更加强大但是价格却更便宜。

若不考虑技术应用方面的因素，一些设备不需要实际被移动，那么设备就不要求便携性，但是在特定的增强现实应用中，使用者必须实地去现场，因为增强现实应用需要到达实地现场才能执行计算任务。实现特定植物病虫害考察等过程就必须在农业现场执行才能确定真实、正确的数据。因此，增强现实系统必须注重便携性，尤其是在户外环境中的可移动性，并且所有的增强现实设备和系统必须保持稳定和在复杂环境中能够“生存”的能力。如果这些都能实现，会产生许多新的增强现实应用。

随着微型投影机[16]的发展，未来的增强现实应用可以被广泛部署到装有这种微型芯片的手表、眼睛、衣服等个人物品上。它们可以结合立体视觉技术，进一步减少装置的大小并且创造出无限制的显示机会。这些设备能够有效地接受专业领域的数据，并且能减少在操作過程中产生错误的可能性。

3 增强现实应用在农业中的发展趋势

在介绍了现阶段与增强现实相关的最前沿的技术和应用之后，笔者对增强现实应用在农业中可能的发展趋势进行了预测。

3.1 基于混合定位技术的现场勘查

考虑到传感器的不确定性和探测器的精密度，尤其是在复杂多变的农业环境中更加严格要求传感器稳定性和探测器精密度，在未来基于混合定位的技术是解决这一难题的方法，增强现实应用就有稳定、高质量的位置跟踪结果实现虚拟内容的叠加。具体使用何种定位技术取决于环境类型（户外或者室内）和环境复杂程度。

混合定位技术值得研究，因为它使用来自多传感器的融合信息，能够得到稳定的位置定位信息，从而不断提升增强现实应用的性能。例如结合GPS和即时定位与地图构建（SLAM）的结果可以保证一个位置的连续探测，即使在复杂多变的农业环境中GPS信号中断，或者某一个传感器发生错误也不会影响到定位结果。此外，过程融合也可能会加速定位技术的发展，也会提供更多的几何参考信息帮助现场操作人员更好地完成任务。

3.2 手势或动觉控制的增强现实应用接口

增强现实应用的用户接口应当直观、易用，使用者可以通过手势、动作等人类自然动作控制系统。考虑到真实环境与虚拟内容的交互中，操作者或者使用者需要操作呈现在显示器设备上的虚拟物体、场景和信息，但并不是全神贯注地操作和控制增强现实设备，很明显控制功能对操作者或者使用者的效率产生影响，所以用户接口必须更加直观、易用，能够使用户更简单适当地控制设备。例如，iHelmet头盔能够让使用者不使用手就能接通电话，不会影响到使用者的其他活动，这样的设备就能应用到野外农作物检测等过程中。在此基础上，未来的研究重点会集中在人类的思维如何被应用到为农业领域开发的增强现实应用的控制上。

3.3 无处不在的数据访问服务

增强现实应用可以进一步整合云计算技术，提供灵活的信息平台。类似与“数字农业云”这样的大量的数据可以在任何时间、地点被提供给使用者。增强现实应用可以提供丰富的虚拟信息给用户使用，所以目前有很多增强现实应用整合社交网络的信息，通过网络这些信息就能够及时更新；更重要的是，农业数据并非一成不变，而是在不断的变化中，在云计算的环境下，无论是在办公室还是在现场，数据都能被检查和修改并且及时得到更新和同步。增强现实设备的使用者也能够及时获取最新最准确的信息。

3.4 内容感知的增强现实应用

在农业中，只要在正确的时间和地点提供正确的农业信息，内容感知的增强现实应用就可以被实现。一般情况下，内容感知增强现实应用使用环境特征，如位置、植物特征和光照等，确定提供给使用者正确合适的数据。因为使用了精确的位置信息或植物特征等信息，所以不需要经过过多的过滤和查找处理，内容感知增强现实应用能够快速的提供给使用者必要的数据信息。实现内容感知的增强现实应用要求便携的移动设备、稳定的定位技术和直观的用户接口，同样需要能够通过网络获取需要数据的特殊数据库。未来的研究重点需要集中如何提供情景相关的信息，这些信息除了物种、位置和时间，还要考虑到场景、光照等不确定性因素。为了实现这一目标，人工智能技术也可能会被采用。

3.5 便携的增强现实移动设备

为了改善增强现实设备的可用性和易用性，载有增强现实应用的设备必须越来越便于携带。当前，比如像智能手机、平板电脑便携等具有摄像头、位置方向传感器、足够内存、快速处理器、图像加速器和显示屏幕的体积越小，功能越强大，价格更便宜的便携移动设备越来越来普遍，具有增强现实功能的设备也变得越来越小，越来越复杂甚至可以像衣服一样穿戴。未来的研究重点可能会放在开发易于使用的自然用户接口、微型显示设备和性能更强的微型芯片，可穿戴式的增强现实应用也会成为研究的焦点。

4 小结

随着增强现实的不断发展和应用，有很多机遇可以集成增强现实技术去改善农业上使用的传统方法，比如在实现野外物种识别、病虫害防治等需要人员现场实地操作的项目，不仅增加了数据采集的准确性和真实性，而且提高了实地工作的效率，更重要的是在“数字农业”的基础上，加快发展“智慧农业”“数字农业云” 产业。笔者总结了当前增强现实应用的发展趋势，并且阐述了增强现实技术在农业上的应用观点。云计算、自然用户界面和便携的移动设备都可以被应用到增强现实应用中，基于这样的发展趋势，笔者总结了增强现实应用在未来农业领域研究重点，概括如下：①基于混合定位技术的现场识别；②手势或动觉控制的增强现实应用接口；③无处不在的数据访问服务；④内容感知的增强现实应用；⑤便携的增强现实移动设备。将来增强现实技术真正应用到农业中会大幅提升农业成产的效率，同时会给用户带来巨大的经济效益。

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