趙樹林 孫曉婷 呂光杰

摘要 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）技術(shù)是一種虛實(shí)相結(jié)合的計(jì)算機(jī)技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入人們的生活并且在不知不覺中影響著人們的生活。闡述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了基于位置的服務(wù)和自然用戶界面（natural user interface，簡稱NUI），云計(jì)算和手持移動(dòng)設(shè)備的四大技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究趨勢，這些技術(shù)都會(huì)潛在影響增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)展?；谖恢玫姆?wù)的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)使在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中部署實(shí)施增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用成為可能；自然用戶界面能夠提供更直觀更方便的用戶體驗(yàn)，從而增加了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可用性；云計(jì)算技術(shù)可以使在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域形成“數(shù)字農(nóng)業(yè)云”，可以讓有網(wǎng)絡(luò)連接的用戶無處不在的獲取各種農(nóng)業(yè)相關(guān)信息，從而加速了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的使用規(guī)模。最后，介紹了各種手持移動(dòng)設(shè)備都可以成為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的平臺(tái)。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；農(nóng)業(yè)；病蟲害；數(shù)字農(nóng)業(yè)云；移動(dòng)設(shè)備

中圖分類號 S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 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(qiáng)現(xiàn)實(shí)簡單來說是通過電腦技術(shù)將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到同一個(gè)畫面或空間使它們同時(shí)存在[1]。人們看到的畫面不僅包含了真實(shí)世界的信息，而且虛擬的信息同時(shí)也顯示出來，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的這種虛實(shí)結(jié)合畫面提供了人類在真實(shí)世界中感知不到的信息，增強(qiáng)人們的所見、所聽、所感和所聞，進(jìn)一步模糊真實(shí)世界與計(jì)算機(jī)所生成的虛擬世界之間的界限。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越受到大眾認(rèn)可和歡迎。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的越來越成熟，基于這一技術(shù)的應(yīng)用程序和軟件也越來越多、越來越多樣化，因此逐漸流行起來。在實(shí)際應(yīng)用中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)中，比如教育行業(yè)、設(shè)計(jì)行業(yè)、制造業(yè)、建筑、工程施工以及娛樂行業(yè)等[2]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)查與檢測、農(nóng)業(yè)病蟲害檢索和農(nóng)業(yè)旅游產(chǎn)業(yè)等方面都有巨大的應(yīng)用價(jià)值。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和社會(huì)價(jià)值都有巨大的促進(jìn)作用。

由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件的快速發(fā)展，未來幾年內(nèi)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的數(shù)量會(huì)飛速增長，尤其是在商業(yè)上的應(yīng)用研究。美國市場研究公司Gartner預(yù)計(jì)，在未來2～5年內(nèi)大約會(huì)有30%的工人使用某種形式的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能。此外，Gartner還預(yù)計(jì)在未來5～10年內(nèi)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)會(huì)脫離期望膨脹期，經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)發(fā)展和完善，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)會(huì)迎來高峰期[3]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在商業(yè)上的推廣也很有前景。例如，谷歌眼鏡（Project Glass）是谷歌（Google）公司的研究和發(fā)展計(jì)劃，其目的是開發(fā)一個(gè)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，簡稱HMD），使用戶能夠體驗(yàn)到真正身臨其境的數(shù)字化生活。市場分析機(jī)構(gòu)ABI Research預(yù)計(jì)，在未來2～5年來自手機(jī)應(yīng)用市場的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用的收入將達(dá)到35億美元。Juniper網(wǎng)絡(luò)公司也預(yù)測在未來2～5年內(nèi)提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)服務(wù)的市場收入也將達(dá)到73億美元。由此可見，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)日趨成熟，并且在未來10年內(nèi)，各行各業(yè)中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將被廣泛的采用，包括農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

現(xiàn)在信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的倍增效應(yīng)，我國當(dāng)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展正朝著更先進(jìn)的“數(shù)字農(nóng)業(yè)”“智慧農(nóng)業(yè)”方向發(fā)展。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理中，日益重視信息共享和利用現(xiàn)代技術(shù)武裝自己。在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物種識別、病蟲害信息識別及治理解決方案過程中，現(xiàn)場技術(shù)人員有可能由于自己判斷失誤、知識匱乏，導(dǎo)致不能及時(shí)有效地判斷病蟲害信息，從而延誤了治理病蟲害的時(shí)機(jī)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。正因?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出了解決以上問題的潛在能力，所以可以將其應(yīng)用到物種識別、動(dòng)物健康檢測、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測、檢測與防治等領(lǐng)域中。在這些農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，可以充分利用現(xiàn)有農(nóng)業(yè)監(jiān)控平臺(tái)和移動(dòng)智能監(jiān)控平臺(tái)，并建立農(nóng)業(yè)病蟲害、動(dòng)物健康指數(shù)和物種等模型，利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序和手機(jī)應(yīng)用軟件，提高對用戶對動(dòng)物健康和農(nóng)業(yè)病蟲害等的決策能力，為用戶帶來更高的效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而目前對研究者來說重點(diǎn)就在于如何應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效合理的解決這些問題。現(xiàn)在人們對農(nóng)業(yè)場景的真實(shí)感表現(xiàn)的實(shí)時(shí)性、精確性和豐富性要求越來越高，對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的要求也就越來也迫切。

總之，現(xiàn)階段增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究趨勢和方法就在于能夠產(chǎn)生更多的使農(nóng)業(yè)的發(fā)展也能從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)受益于的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。就目前的發(fā)展速度預(yù)測，在不遠(yuǎn)的將來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠成熟的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中。因此，現(xiàn)在的研究工作為未來基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)工具集（如ARToolkit）的出現(xiàn)，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用走進(jìn)了生活，例如索尼公司的虛擬寵物EyePet和Layar手機(jī)瀏覽器等。早在2009和2010年，一些歐洲公司走在了世界的前面，如Layar、Wikitude以及Junaio公司發(fā)布了在智能手機(jī)上的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序。用戶將手機(jī)攝像 頭指向某物就可看到一幅各種信息重疊顯現(xiàn)的圖像，如地理方位、大樓名稱、歷史圖片或飯店一覽等，甚至還能顯示出用戶最近在社交網(wǎng)站上的更新。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序打廣告的方式也開始流行起來。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，Matsutomo S提出了一種新的實(shí)時(shí)可視化系統(tǒng)，用戶利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的復(fù)合圖像，幫助電磁學(xué)習(xí)者實(shí)時(shí)觀察和可視化領(lǐng)域的變化[4]。在工程領(lǐng)域，WANG X等[4]使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)去訓(xùn)練現(xiàn)場操作人員，提高他們的操作能力，加深理解；在建筑領(lǐng)域，SCHALL G等[5]研究使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)實(shí)地下設(shè)施的布局情況，減少不必要的傷害等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行業(yè)各領(lǐng)域中的成熟應(yīng)用，積累了足夠的經(jīng)驗(yàn)和方法，可以將這些經(jīng)驗(yàn)方法推廣和應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的發(fā)展中去。同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)虛實(shí)圖像融合、三維跟蹤注冊技術(shù)可以很好地幫助解決“數(shù)字農(nóng)業(yè)”中遇到的場景復(fù)雜度增加的難題，還提供了有效可行地虛實(shí)相結(jié)合的方法。

另外，隨著跟蹤算法的不斷完善和基于特征值跟蹤算法[7]的出現(xiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不再需要使用常規(guī)標(biāo)記去檢測虛擬內(nèi)容在真實(shí)空間放置的維度位置，而是應(yīng)用基于特征值跟蹤算法。這種算法可以從場景中提取特征從而識別相機(jī)和真實(shí)世界之間的坐標(biāo)關(guān)系。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)很容易應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。但是，由于農(nóng)業(yè)真實(shí)環(huán)境極其復(fù)雜，基于標(biāo)記跟蹤技術(shù)的跟蹤算法也很難被取代。然而，基于特征跟蹤算法可以幫助解決場景復(fù)雜度增加的難題，因?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在復(fù)雜的環(huán)境中能夠探測到對象物體的特征并且利用這些特征判斷出應(yīng)該在哪個(gè)地方疊加虛擬內(nèi)容。這種新型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被稱為無標(biāo)記跟蹤技術(shù)。由于在復(fù)雜環(huán)境中很難設(shè)定常規(guī)標(biāo)記，這種新型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就更適合應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中。

就增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的現(xiàn)狀來看，將來基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用很有希望被廣泛采用，但是仍然存在阻止增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在實(shí)際中的發(fā)展。例如，在農(nóng)業(yè)調(diào)查時(shí)裝有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的隨身設(shè)備應(yīng)該更加方便攜帶；由于有大量不同的信息訪問，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要有便于查詢的數(shù)據(jù)庫和查詢方法。因此，要廣泛利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還需要整合更多的技術(shù)。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)使用多種方法將虛擬世界和真實(shí)世界疊加起來。這是一種理念而不是唯一的技術(shù)方法。這些方法的出現(xiàn)和發(fā)展會(huì)直接影響到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可用性和適用性。筆者概括了4種未來在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中扮演重要角色的技術(shù)，這4種技術(shù)也在快速的發(fā)展中。由圖1可知，一個(gè)完整的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用主要有4部分：位置計(jì)算、數(shù)據(jù)、友好的用戶界面和硬件平臺(tái)?；谖恢玫姆?wù)可以提供位置計(jì)算需要的位置信息；在云環(huán)境中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以及時(shí)獲取需要的數(shù)據(jù)；自然用戶界面（NUI）可以提供用戶更方便的用戶體驗(yàn)；同時(shí)手持設(shè)備，如智能手機(jī)的普遍使用可以提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用很好的運(yùn)行平臺(tái)。

2.1 基于位置的服務(wù)

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，定位技術(shù)被用來識別目標(biāo)物體的姿態(tài)。它是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的核心功能，并且會(huì)對未來的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。定位方法的精確度限制了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用如何將虛擬內(nèi)容疊加的真實(shí)世界中。

在未知環(huán)境中檢測目標(biāo)對象的幾何形狀一直是研究人員幾十年來研究的重點(diǎn)問題。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)展，通過引用控制點(diǎn)、運(yùn)用數(shù)學(xué)的插值過程人們可以精確的識別目標(biāo)物體的位置。在工程建設(shè)領(lǐng)域，BEHZADAN A H等[8]提出了一直集成GPS的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)框架。為了增加現(xiàn)場操作人員的溝通，HAMMAD A等[9]給我們展示了集成GPS的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在可視化協(xié)同任務(wù)中的應(yīng)用。

除了GPS，還有其他的利用傳感器提供相似位置服務(wù)的戶外定位技術(shù)，例如射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）技術(shù)可以解決短距離尤其是室內(nèi)物體的定位，可以彌補(bǔ)GPS等定位系統(tǒng)只能適用于室外大范圍的不足，GPS定位、手機(jī)定位再加上RFID短距離定位手段與無線通信手段一起可以實(shí)現(xiàn)物品位置的全程跟蹤與監(jiān)視；無載波通信技術(shù)（Ultra Wideband，簡稱UWB）可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，定位占據(jù)重要地位，這主要是因?yàn)樗惴ㄐ枰恢眯畔⒂?jì)算檢測虛擬內(nèi)容被疊加的真實(shí)世界中的位置。與簡單的戶外定位不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要從真實(shí)世界捕捉設(shè)備（如攝像頭）中分析得到目標(biāo)物體的幾何屬性信息。這種從圖片或者點(diǎn)集中分析目標(biāo)對象集合屬性的方法對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用極其重要。

定位的精確度對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用至關(guān)重要。根據(jù)WANG X等[2]的研究可知，由于現(xiàn)階段跟蹤定位精確度的不足，在工業(yè)領(lǐng)域中還沒有專業(yè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用被實(shí)施在實(shí)際操作中。在農(nóng)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)物健康檢測、農(nóng)作物病蟲害識別等過程也同樣面臨類似的問題。如果目標(biāo)對象姿態(tài)能夠被精確的檢測到，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用就能顯示正確的信息，同時(shí)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的現(xiàn)場操作人員也能獲得正確的信息。同樣，如果傳感器的融合技術(shù)、定位算法和像即時(shí)定位與地圖構(gòu)建[10]（simultaneous localization and mapping，簡稱SLAM）、UWB、RFID和GPS等方法技術(shù)被應(yīng)用到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用就能夠以穩(wěn)定的圖像提供更多的有效信息。環(huán)境噪聲和傳感器錯(cuò)誤也能很輕易地影響增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的定位功能。

在現(xiàn)階段，由于環(huán)境復(fù)雜度、信號質(zhì)量、傳感器等不確定因素的影響，幾乎所有的定位技術(shù)都受到限制。這樣，對開發(fā)者來說就很難維護(hù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的精確度，所以要提升增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的質(zhì)量，位置定位信息的精確度必須也得到提升。

2.2 自然用戶界面（NUI）

自然用戶界面（NUI）模仿人類的行為和手勢，不需要使用輸入設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)溝通，使人機(jī)交互變得更加自然直觀和人性化。而且，自然用戶界面有很少的規(guī)則是輕量級的，所以，它很適合應(yīng)用到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中。

設(shè)計(jì)和控制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用戶接口是當(dāng)前階段流行的研究熱點(diǎn)課題。特別是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用更多的使用手勢[11]和kinesthetic control（動(dòng)覺控制）[12]。例如，“SixthSense”（第六感）[13]是一種可穿戴式手勢界面控制系統(tǒng)，原型機(jī)由便攜式投影機(jī)、鏡子、攝像頭組成。硬件部分全部使用便攜式硬件，可穿戴式設(shè)計(jì)，投影機(jī)和攝像頭平時(shí)可以放置在口袋中，墻壁表面、任何有形物體的表面都可以作為操作面使用。Kinêtre[14]是一個(gè)基于微軟Kinect的應(yīng)用，只需掃描1個(gè)3D物體，Kinêtre就可以將它變成動(dòng)畫形象，并利用Kinect將你身體的不同部位與這個(gè)動(dòng)畫形象的相應(yīng)部分建立聯(lián)系，然后它就可以隨著你身體的活動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)畫效果。以上提到這些應(yīng)用的一個(gè)共同特點(diǎn)就是通過人體的自然動(dòng)作控制輸入，因此人們可以很直觀并且很容易就學(xué)會(huì)使用。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可用性不僅依賴它的穩(wěn)定性，而且更依賴人機(jī)交互控制接口的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的用戶接口時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用直觀的手勢和人型傳感控制方法，而不是間接地控制器設(shè)備。因此，更多的努力應(yīng)該放在創(chuàng)造出新的用戶接口控制方法，這種新的用戶接口更好地符合和順應(yīng)了人類的自然行為。

在將來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的控制方法會(huì)更加直觀、易學(xué)。隨著新型傳感器的問世，人們將能夠在不使用任何間接輸入設(shè)備的情況可控制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，就像當(dāng)前最新的谷歌眼鏡（Project Glass）。而且，這些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的控制方法會(huì)更加穩(wěn)定，也會(huì)很少受到感測方面的限制。這些控制模型減少了現(xiàn)場操作人員要記住如何使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的心里要求，從而也降低了像在農(nóng)業(yè)這樣復(fù)雜多變的環(huán)境中操作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 云計(jì)算

繼個(gè)人計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計(jì)算[15]被看作第三次IT浪潮，它將帶來生活、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式的根本性改變，云計(jì)算將成為一種強(qiáng)大的技術(shù)。將它作為數(shù)據(jù)訪問的平臺(tái)，擴(kuò)展到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中具有很大的潛在價(jià)值。

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。它正迅速成為提供IT基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)管理的一種創(chuàng)新模式。值得考究的是，云計(jì)算可以幫助管理大量的數(shù)據(jù)，如耕地、育種、播種、施肥、植保、收獲、儲(chǔ)運(yùn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、銷售、畜牧業(yè)生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的形式包含了圖像照片、數(shù)字、文本、符號等文字符號數(shù)據(jù)和視頻音頻等多媒體數(shù)據(jù)形式。這些數(shù)據(jù)是跨行業(yè)、跨專業(yè)的數(shù)據(jù)分析與挖掘，對植物病蟲害和食品安全有著重大意義。這樣形成“數(shù)字農(nóng)業(yè)云”，通過網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)的共享，突破了原來靜態(tài)單一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)訪問的實(shí)時(shí)性，基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)設(shè)備讓用戶更容易的訪問到數(shù)據(jù)。

在“數(shù)字農(nóng)業(yè)云”的基礎(chǔ)上可以充分發(fā)展“智慧農(nóng)業(yè)”研究?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的視頻圖像監(jiān)控應(yīng)用可以為用戶提供植物或農(nóng)作物歷史、當(dāng)前和今后生長的詳細(xì)信息等服務(wù)。一個(gè)簡單的場景就是用戶手持便攜增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用設(shè)備（如智能手機(jī)）對一種植物的葉片進(jìn)行拍照，就可以決策該植物現(xiàn)在是否健康，如果已經(jīng)患有病蟲害就可以對其進(jìn)行判定為何種病蟲害，并通過文字、語音或視頻的形式為用戶推薦有效的防治方案。從而達(dá)到用戶可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并治理植物病蟲害的目的，這大大增加了用戶的效率。如果用戶繼續(xù)把植物病蟲害防治信息（文字、圖像等）上傳到“數(shù)字農(nóng)業(yè)云”中，當(dāng)其他用戶再遇到相應(yīng)植物病蟲害問題時(shí)就可以及時(shí)有效地進(jìn)行防治，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的體驗(yàn)也被不斷的擴(kuò)展。

通過利用互聯(lián)網(wǎng)的力量，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以提供給最終用戶大量的數(shù)據(jù)和各種信息。云計(jì)算滿足了在該領(lǐng)域中同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)的要求。云計(jì)算的利用有可能實(shí)現(xiàn)把虛擬信息引進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界，這剛好是增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

2.4 手持移動(dòng)設(shè)備

設(shè)備的大小、重量、性能以及硬件的價(jià)格都直接影響著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。手持移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)、平板電腦等體積逐漸越來越小、價(jià)格越來越便宜、性能越來越強(qiáng)大，并且?guī)в酗@示功能，因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)正適合應(yīng)用在這些設(shè)備上。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)出方便攜帶、任何地方都可以使用的應(yīng)用。在硬件可以滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對顯示和操作要求的情況下，硬件的移動(dòng)性決定著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的便攜性。目前，越來越多的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用被部署到了智能手機(jī)、頭戴式顯示器（HMD），甚至iHelmet這樣特殊的設(shè)備上。這都是工業(yè)發(fā)張進(jìn)步的結(jié)果，工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步使得微芯片更加微小，同時(shí)性能也更加強(qiáng)大但是價(jià)格卻更便宜。

若不考慮技術(shù)應(yīng)用方面的因素，一些設(shè)備不需要實(shí)際被移動(dòng)，那么設(shè)備就不要求便攜性，但是在特定的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，使用者必須實(shí)地去現(xiàn)場，因?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要到達(dá)實(shí)地現(xiàn)場才能執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。實(shí)現(xiàn)特定植物病蟲害考察等過程就必須在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行才能確定真實(shí)、正確的數(shù)據(jù)。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須注重便攜性，尤其是在戶外環(huán)境中的可移動(dòng)性，并且所有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備和系統(tǒng)必須保持穩(wěn)定和在復(fù)雜環(huán)境中能夠“生存”的能力。如果這些都能實(shí)現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生許多新的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

隨著微型投影機(jī)[16]的發(fā)展，未來的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以被廣泛部署到裝有這種微型芯片的手表、眼睛、衣服等個(gè)人物品上。它們可以結(jié)合立體視覺技術(shù)，進(jìn)一步減少裝置的大小并且創(chuàng)造出無限制的顯示機(jī)會(huì)。這些設(shè)備能夠有效地接受專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，并且能減少在操作過程中產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展趨勢

在介紹了現(xiàn)階段與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)的最前沿的技術(shù)和應(yīng)用之后，筆者對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中可能的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

3.1 基于混合定位技術(shù)的現(xiàn)場勘查

考慮到傳感器的不確定性和探測器的精密度，尤其是在復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境中更加嚴(yán)格要求傳感器穩(wěn)定性和探測器精密度，在未來基于混合定位的技術(shù)是解決這一難題的方法，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用就有穩(wěn)定、高質(zhì)量的位置跟蹤結(jié)果實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)容的疊加。具體使用何種定位技術(shù)取決于環(huán)境類型（戶外或者室內(nèi)）和環(huán)境復(fù)雜程度。

混合定位技術(shù)值得研究，因?yàn)樗褂脕碜远鄠鞲衅鞯娜诤闲畔ⅲ軌虻玫椒€(wěn)定的位置定位信息，從而不斷提升增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的性能。例如結(jié)合GPS和即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）的結(jié)果可以保證一個(gè)位置的連續(xù)探測，即使在復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境中GPS信號中斷，或者某一個(gè)傳感器發(fā)生錯(cuò)誤也不會(huì)影響到定位結(jié)果。此外，過程融合也可能會(huì)加速定位技術(shù)的發(fā)展，也會(huì)提供更多的幾何參考信息幫助現(xiàn)場操作人員更好地完成任務(wù)。

3.2 手勢或動(dòng)覺控制的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用接口

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的用戶接口應(yīng)當(dāng)直觀、易用，使用者可以通過手勢、動(dòng)作等人類自然動(dòng)作控制系統(tǒng)?？紤]到真實(shí)環(huán)境與虛擬內(nèi)容的交互中，操作者或者使用者需要操作呈現(xiàn)在顯示器設(shè)備上的虛擬物體、場景和信息，但并不是全神貫注地操作和控制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，很明顯控制功能對操作者或者使用者的效率產(chǎn)生影響，所以用戶接口必須更加直觀、易用，能夠使用戶更簡單適當(dāng)?shù)乜刂圃O(shè)備。例如，iHelmet頭盔能夠讓使用者不使用手就能接通電話，不會(huì)影響到使用者的其他活動(dòng)，這樣的設(shè)備就能應(yīng)用到野外農(nóng)作物檢測等過程中。在此基礎(chǔ)上，未來的研究重點(diǎn)會(huì)集中在人類的思維如何被應(yīng)用到為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的控制上。

3.3 無處不在的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以進(jìn)一步整合云計(jì)算技術(shù)，提供靈活的信息平臺(tái)。類似與“數(shù)字農(nóng)業(yè)云”這樣的大量的數(shù)據(jù)可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)被提供給使用者。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以提供豐富的虛擬信息給用戶使用，所以目前有很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用整合社交網(wǎng)絡(luò)的信息，通過網(wǎng)絡(luò)這些信息就能夠及時(shí)更新；更重要的是，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)并非一成不變，而是在不斷的變化中，在云計(jì)算的環(huán)境下，無論是在辦公室還是在現(xiàn)場，數(shù)據(jù)都能被檢查和修改并且及時(shí)得到更新和同步。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的使用者也能夠及時(shí)獲取最新最準(zhǔn)確的信息。

3.4 內(nèi)容感知的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)中，只要在正確的時(shí)間和地點(diǎn)提供正確的農(nóng)業(yè)信息，內(nèi)容感知的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用就可以被實(shí)現(xiàn)。一般情況下，內(nèi)容感知增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用使用環(huán)境特征，如位置、植物特征和光照等，確定提供給使用者正確合適的數(shù)據(jù)。因?yàn)槭褂昧司_的位置信息或植物特征等信息，所以不需要經(jīng)過過多的過濾和查找處理，內(nèi)容感知增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用能夠快速的提供給使用者必要的數(shù)據(jù)信息。實(shí)現(xiàn)內(nèi)容感知的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用要求便攜的移動(dòng)設(shè)備、穩(wěn)定的定位技術(shù)和直觀的用戶接口，同樣需要能夠通過網(wǎng)絡(luò)獲取需要數(shù)據(jù)的特殊數(shù)據(jù)庫。未來的研究重點(diǎn)需要集中如何提供情景相關(guān)的信息，這些信息除了物種、位置和時(shí)間，還要考慮到場景、光照等不確定性因素。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人工智能技術(shù)也可能會(huì)被采用。

3.5 便攜的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)移動(dòng)設(shè)備

為了改善增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的可用性和易用性，載有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的設(shè)備必須越來越便于攜帶。當(dāng)前，比如像智能手機(jī)、平板電腦便攜等具有攝像頭、位置方向傳感器、足夠內(nèi)存、快速處理器、圖像加速器和顯示屏幕的體積越小，功能越強(qiáng)大，價(jià)格更便宜的便攜移動(dòng)設(shè)備越來越來普遍，具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的設(shè)備也變得越來越小，越來越復(fù)雜甚至可以像衣服一樣穿戴。未來的研究重點(diǎn)可能會(huì)放在開發(fā)易于使用的自然用戶接口、微型顯示設(shè)備和性能更強(qiáng)的微型芯片，可穿戴式的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用也會(huì)成為研究的焦點(diǎn)。

4 小結(jié)

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，有很多機(jī)遇可以集成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)去改善農(nóng)業(yè)上使用的傳統(tǒng)方法，比如在實(shí)現(xiàn)野外物種識別、病蟲害防治等需要人員現(xiàn)場實(shí)地操作的項(xiàng)目，不僅增加了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，而且提高了實(shí)地工作的效率，更重要的是在“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的基礎(chǔ)上，加快發(fā)展“智慧農(nóng)業(yè)”“數(shù)字農(nóng)業(yè)云” 產(chǎn)業(yè)。筆者總結(jié)了當(dāng)前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的發(fā)展趨勢，并且闡述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用觀點(diǎn)。云計(jì)算、自然用戶界面和便攜的移動(dòng)設(shè)備都可以被應(yīng)用到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，基于這樣的發(fā)展趨勢，筆者總結(jié)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究重點(diǎn)，概括如下：①基于混合定位技術(shù)的現(xiàn)場識別；②手勢或動(dòng)覺控制的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用接口；③無處不在的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)；④內(nèi)容感知的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用；⑤便攜的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)移動(dòng)設(shè)備。將來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)真正應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中會(huì)大幅提升農(nóng)業(yè)成產(chǎn)的效率，同時(shí)會(huì)給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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