增強現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的研究與發(fā)展趨勢

趙樹林 孫曉婷 呂光杰

摘要 增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）技術(shù)是一種虛實相結(jié)合的計算機技術(shù)，已經(jīng)進入人們的生活并且在不知不覺中影響著人們的生活。闡述了增強現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，重點分析了基于位置的服務(wù)和自然用戶界面（natural user interface，簡稱NUI），云計算和手持移動設(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)都會潛在影響增強現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)展?；谖恢玫姆?wù)的進一步發(fā)展會使在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中部署實施增強現(xiàn)實應(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，從而增加了增強現(xiàn)實應(yīng)用的可用性；云計算技術(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，從而加速了增強現(xiàn)實應(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設(shè)備都可以成為增強現(xiàn)實應(yīng)用的平臺。

關(guān)鍵詞 增強現(xiàn)實；農(nóng)業(yè)；病蟲害；數(shù)字農(nóng)業(yè)云；移動設(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

增強現(xiàn)實簡單來說是通過電腦技術(shù)將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，將真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間使它們同時存在[1]。人們看到的畫面不僅包含了真實世界的信息，而且虛擬的信息同時也顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。通過增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的這種虛實結(jié)合畫面提供了人類在真實世界中感知不到的信息，增強人們的所見、所聽、所感和所聞，進一步模糊真實世界與計算機所生成的虛擬世界之間的界限。因此，增強現(xiàn)實技術(shù)越來越受到大眾認(rèn)可和歡迎。隨著增強現(xiàn)實技術(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。在實際應(yīng)用中，增強現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到多個行業(yè)和產(chǎn)業(yè)中，比如教育行業(yè)、設(shè)計行業(yè)、制造業(yè)、建筑、工程施工以及娛樂行業(yè)等[2]。增強現(xiàn)實技術(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)用價值。將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、科技進步和社會價值都有巨大的促進作用。

由于計算機硬件和軟件的快速發(fā)展，未來幾年內(nèi)基于增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的數(shù)量會飛速增長，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，在未來2～5年內(nèi)大約會有30%的工人使用某種形式的基于增強現(xiàn)實技術(shù)的功能。此外，Gartner還預(yù)計在未來5～10年內(nèi)，增強現(xiàn)實會脫離期望膨脹期，經(jīng)過長時間的技術(shù)發(fā)展和完善，增強現(xiàn)實會迎來高峰期[3]。增強現(xiàn)實技術(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)展計劃，其目的是開發(fā)一個基于增強現(xiàn)實技術(shù)的頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，簡稱HMD），使用戶能夠體驗到真正身臨其境的數(shù)字化生活。市場分析機構(gòu)ABI Research預(yù)計，在未來2～5年來自手機應(yīng)用市場的基于增強現(xiàn)實技術(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)提供增強現(xiàn)實服務(wù)的市場收入也將達(dá)到73億美元。由此可見，增強現(xiàn)實技術(shù)日趨成熟，并且在未來10年內(nèi)，各行各業(yè)中增強現(xiàn)實技術(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)、計算機技術(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)致不能及時有效地判斷病蟲害信息，從而延誤了治理病蟲害的時機，造成巨大經(jīng)濟損失。正因為增強現(xiàn)實技術(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)控平臺和移動智能監(jiān)控平臺，并建立農(nóng)業(yè)病蟲害、動物健康指數(shù)和物種等模型，利用計算機應(yīng)用程序和手機應(yīng)用軟件，提高對用戶對動物健康和農(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)濟價值，從而有效促進農(nóng)業(yè)科技和經(jīng)濟的發(fā)展。而目前對研究者來說重點就在于如何應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)有效合理的解決這些問題?，F(xiàn)在人們對農(nóng)業(yè)場景的真實感表現(xiàn)的實時性、精確性和豐富性要求越來越高，對增強現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的要求也就越來也迫切。

總之，現(xiàn)階段增強現(xiàn)實技術(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)展也能從增強現(xiàn)實技術(shù)受益于的基于增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。就目前的發(fā)展速度預(yù)測，在不遠(yuǎn)的將來，增強現(xiàn)實技術(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現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著增強現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)工具集（如ARToolkit）的出現(xiàn)，基于增強現(xiàn)實的應(yīng)用走進了生活，例如索尼公司的虛擬寵物EyePet和Layar手機瀏覽器等。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)布了在智能手機上的增強現(xiàn)實應(yīng)用程序。用戶將手機攝像 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。利用增強現(xiàn)實應(yīng)用程序打廣告的方式也開始流行起來。

增強現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，Matsutomo S提出了一種新的實時可視化系統(tǒng)，用戶利用增強現(xiàn)實技術(shù)的復(fù)合圖像，幫助電磁學(xué)習(xí)者實時觀察和可視化領(lǐng)域的變化[4]。在工程領(lǐng)域，WANG X等[4]使用增強現(xiàn)實技術(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]研究使用增強現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)實地下設(shè)施的布局情況，減少不必要的傷害等。增強現(xiàn)實技術(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)驗和方法，可以將這些經(jīng)驗方法推廣和應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的發(fā)展中去。同時，增強現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)虛實圖像融合、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)，增強現(xiàn)實技術(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和真實世界之間的坐標(biāo)關(guān)系。因此增強現(xiàn)實技術(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，因為增強現(xiàn)實技術(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)該在哪個地方疊加虛擬內(nèi)容。這種新型的增強現(xiàn)實技術(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，這種新型的增強現(xiàn)實技術(shù)就更適合應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中。

就增強現(xiàn)實應(yīng)用的現(xiàn)狀來看，將來基于增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用很有希望被廣泛采用，但是仍然存在阻止增強現(xiàn)實應(yīng)用在實際中的發(fā)展。例如，在農(nóng)業(yè)調(diào)查時裝有增強現(xiàn)實應(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，增強現(xiàn)實系統(tǒng)要有便于查詢的數(shù)據(jù)庫和查詢方法。因此，要廣泛利用增強現(xiàn)實技術(shù)還需要整合更多的技術(shù)。

2 增強現(xiàn)實應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)

增強現(xiàn)實使用多種方法將虛擬世界和真實世界疊加起來。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)展會直接影響到增強現(xiàn)實應(yīng)用的可用性和適用性。筆者概括了4種未來在增強現(xiàn)實應(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，一個完整的增強現(xiàn)實應(yīng)用主要有4部分：位置計算、數(shù)據(jù)、友好的用戶界面和硬件平臺?；谖恢玫姆?wù)可以提供位置計算需要的位置信息；在云環(huán)境中，增強現(xiàn)實應(yīng)用可以及時獲取需要的數(shù)據(jù)；自然用戶界面（NUI）可以提供用戶更方便的用戶體驗；同時手持設(shè)備，如智能手機的普遍使用可以提供增強現(xiàn)實應(yīng)用很好的運行平臺。

2.1 基于位置的服務(wù)

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

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問題。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)展，通過引用控制點、運用數(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的移動增強現(xiàn)實平臺框架。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的增強現(xiàn)實系統(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)和地下進行精確定位。在增強現(xiàn)實應(yīng)用中，定位占據(jù)重要地位，這主要是因為算法需要位置信息計算檢測虛擬內(nèi)容被疊加的真實世界中的位置。與簡單的戶外定位不同，增強現(xiàn)實應(yīng)用需要從真實世界捕捉設(shè)備（如攝像頭）中分析得到目標(biāo)物體的幾何屬性信息。這種從圖片或者點集中分析目標(biāo)對象集合屬性的方法對增強現(xiàn)實應(yīng)用極其重要。

定位的精確度對增強現(xiàn)實應(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)的增強現(xiàn)實應(yīng)用被實施在實際操作中。在農(nóng)業(yè)中，實現(xiàn)動物健康檢測、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，增強現(xiàn)實應(yīng)用就能顯示正確的信息，同時使用增強現(xiàn)實應(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)用到增強現(xiàn)實中，增強現(xiàn)實應(yīng)用就能夠以穩(wěn)定的圖像提供更多的有效信息。環(huán)境噪聲和傳感器錯誤也能很輕易地影響增強現(xiàn)實應(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)者來說就很難維護增強現(xiàn)實的精確度，所以要提升增強現(xiàn)實應(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)備就可以實現(xiàn)人機溝通，使人機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)用到增強現(xiàn)實領(lǐng)域中。

設(shè)計和控制增強現(xiàn)實用戶接口是當(dāng)前階段流行的研究熱點課題。特別是增強現(xiàn)實應(yīng)用更多的使用手勢[11]和kinesthetic control（動覺控制）[12]。例如，“SixthSense”（第六感）[13]是一種可穿戴式手勢界面控制系統(tǒng)，原型機由便攜式投影機、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，投影機和攝像頭平時可以放置在口袋中，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]是一個基于微軟Kinect的應(yīng)用，只需掃描1個3D物體，Kinêtre就可以將它變成動畫形象，并利用Kinect將你身體的不同部位與這個動畫形象的相應(yīng)部分建立聯(lián)系，然后它就可以隨著你身體的活動而產(chǎn)生動畫效果。以上提到這些應(yīng)用的一個共同特點就是通過人體的自然動作控制輸入，因此人們可以很直觀并且很容易就學(xué)會使用。

增強現(xiàn)實應(yīng)用的可用性不僅依賴它的穩(wěn)定性，而且更依賴人機交互控制接口的質(zhì)量。在設(shè)計一個增強現(xiàn)實應(yīng)用的用戶接口時，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，增強現(xiàn)實應(yīng)用的控制方法會更加直觀、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現(xiàn)實設(shè)備，就像當(dāng)前最新的谷歌眼鏡（Project Glass）。而且，這些增強現(xiàn)實設(shè)備的控制方法會更加穩(wěn)定，也會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現(xiàn)實應(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)境中操作增強現(xiàn)實設(shè)備的風(fēng)險。

2.3 云計算

繼個人計算機和互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計算[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，云計算將成為一種強大的技術(shù)。將它作為數(shù)據(jù)訪問的平臺，擴展到增強現(xiàn)實應(yīng)用中具有很大的潛在價值。

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，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算機和其他設(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、儲運、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)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動態(tài)的共享，突破了原來靜態(tài)單一的數(shù)據(jù)存儲。網(wǎng)絡(luò)訪問的實時性，基于云計算的計算機設(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?；谠鰪姮F(xiàn)實技術(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)。一個簡單的場景就是用戶手持便攜增強現(xiàn)實應(yīng)用設(shè)備（如智能手機）對一種植物的葉片進行拍照，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)植物病蟲害問題時就可以及時有效地進行防治，增強現(xiàn)實應(yīng)用的體驗也被不斷的擴展。

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

2.4 手持移動設(shè)備

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

增強現(xiàn)實技術(shù)的目標(biāo)就是設(shè)計出方便攜帶、任何地方都可以使用的應(yīng)用。在硬件可以滿足增強現(xiàn)實對顯示和操作要求的情況下，硬件的移動性決定著增強現(xiàn)實的便攜性。目前，越來越多的增強現(xiàn)實應(yīng)用被部署到了智能手機、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)張進步的結(jié)果，工業(yè)的發(fā)展進步使得微芯片更加微小，同時性能也更加強大但是價格卻更便宜。

若不考慮技術(shù)應(yīng)用方面的因素，一些設(shè)備不需要實際被移動，那么設(shè)備就不要求便攜性，但是在特定的增強現(xiàn)實應(yīng)用中，使用者必須實地去現(xiàn)場，因為增強現(xiàn)實應(yīng)用需要到達(dá)實地現(xiàn)場才能執(zhí)行計算任務(wù)。實現(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、正確的數(shù)據(jù)。因此，增強現(xiàn)實系統(tǒng)必須注重便攜性，尤其是在戶外環(huán)境中的可移動性，并且所有的增強現(xiàn)實設(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。如果這些都能實現(xiàn)，會產(chǎn)生許多新的增強現(xiàn)實應(yīng)用。

隨著微型投影機[16]的發(fā)展，未來的增強現(xiàn)實應(yīng)用可以被廣泛部署到裝有這種微型芯片的手表、眼睛、衣服等個人物品上。它們可以結(jié)合立體視覺技術(shù)，進一步減少裝置的大小并且創(chuàng)造出無限制的顯示機會。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)生錯誤的可能性。

3 增強現(xiàn)實應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展趨勢

在介紹了現(xiàn)階段與增強現(xiàn)實相關(guān)的最前沿的技術(shù)和應(yīng)用之后，筆者對增強現(xiàn)實應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中可能的發(fā)展趨勢進行了預(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，增強現(xiàn)實應(yīng)用就有穩(wěn)定、高質(zhì)量的位置跟蹤結(jié)果實現(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，因為它使用來自多傳感器的融合信息，能夠得到穩(wěn)定的位置定位信息，從而不斷提升增強現(xiàn)實應(yīng)用的性能。例如結(jié)合GPS和即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）的結(jié)果可以保證一個位置的連續(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，或者某一個傳感器發(fā)生錯誤也不會影響到定位結(jié)果。此外，過程融合也可能會加速定位技術(shù)的發(fā)展，也會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 手勢或動覺控制的增強現(xiàn)實應(yīng)用接口

增強現(xiàn)實應(yīng)用的用戶接口應(yīng)當(dāng)直觀、易用，使用者可以通過手勢、動作等人類自然動作控制系統(tǒng)?？紤]到真實環(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現(xiàn)實設(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，不會影響到使用者的其他活動，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，未來的研究重點會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)的增強現(xiàn)實應(yīng)用的控制上。

3.3 無處不在的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)

增強現(xiàn)實應(yīng)用可以進一步整合云計算技術(shù)，提供靈活的信息平臺。類似與“數(shù)字農(nóng)業(yè)云”這樣的大量的數(shù)據(jù)可以在任何時間、地點被提供給使用者。增強現(xiàn)實應(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現(xiàn)實應(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得到更新和同步。增強現(xiàn)實設(shè)備的使用者也能夠及時獲取最新最準(zhǔn)確的信息。

3.4 內(nèi)容感知的增強現(xiàn)實應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)中，只要在正確的時間和地點提供正確的農(nóng)業(yè)信息，內(nèi)容感知的增強現(xiàn)實應(yīng)用就可以被實現(xiàn)。一般情況下，內(nèi)容感知增強現(xiàn)實應(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)。因為使用了精確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)容感知增強現(xiàn)實應(yīng)用能夠快速的提供給使用者必要的數(shù)據(jù)信息。實現(xiàn)內(nèi)容感知的增強現(xiàn)實應(yīng)用要求便攜的移動設(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、位置和時間，還要考慮到場景、光照等不確定性因素。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，人工智能技術(shù)也可能會被采用。

3.5 便攜的增強現(xiàn)實移動設(shè)備

為了改善增強現(xiàn)實設(shè)備的可用性和易用性，載有增強現(xiàn)實應(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、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，功能越強大，價格更便宜的便攜移動設(shè)備越來越來普遍，具有增強現(xiàn)實功能的設(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。未來的研究重點可能會放在開發(fā)易于使用的自然用戶接口、微型顯示設(shè)備和性能更強的微型芯片，可穿戴式的增強現(xiàn)實應(yīng)用也會成為研究的焦點。

4 小結(jié)

隨著增強現(xiàn)實的不斷發(fā)展和應(yīng)用，有很多機遇可以集成增強現(xiàn)實技術(shù)去改善農(nóng)業(yè)上使用的傳統(tǒng)方法，比如在實現(xiàn)野外物種識別、病蟲害防治等需要人員現(xiàn)場實地操作的項目，不僅增加了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和真實性，而且提高了實地工作的效率，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)前增強現(xiàn)實應(yīng)用的發(fā)展趨勢，并且闡述了增強現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用觀點。云計算、自然用戶界面和便攜的移動設(shè)備都可以被應(yīng)用到增強現(xiàn)實應(yīng)用中，基于這樣的發(fā)展趨勢，筆者總結(jié)了增強現(xiàn)實應(yīng)用在未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究重點，概括如下：①基于混合定位技術(shù)的現(xiàn)場識別；②手勢或動覺控制的增強現(xiàn)實應(yīng)用接口；③無處不在的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)；④內(nèi)容感知的增強現(xiàn)實應(yīng)用；⑤便攜的增強現(xiàn)實移動設(shè)備。將來增強現(xiàn)實技術(shù)真正應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中會大幅提升農(nóng)業(yè)成產(chǎn)的效率，同時會給用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

[1] SOMMERAUER P，MLLER O.Augmented reality in informal learning environments：A field experiment in a mathematics exhibition [J].Computers & education，2014，79：59-68.

[2] WANG X Y，DUNSTON P S.Comparative effectiveness of mixed realitybased virtual environments in collaborative design[J].IEEE Transactions on Systems， Man and Cybernetics， Part C，2011，41（3）：284-296.

[3] CONTI M，CHONG S，F(xiàn)DIDA S， et al.Research challenges towards the Future Internet[J].Computer communications，2011，34（18）：2115-2134.

[4] WANG X Y，DUNSTON P S.Design，strategies，and issues towards an augmented reality-based construction training platform[J].ITcon，2007，12：363-380.

[5] SCHALL G，MENDEZ E，KRUIJFF E，et al.Handheld augmented reality for underground infrastructure visualization[J].Personal and ubiquitous computing，2009，13（4）：281-291.

[6] RAAJANA N R，SUGANYA S，HEMANAND R，et al.Augmented reality for 3D construction[J].Procedia engineering，2012，38：66-72.

[7] COMPORT A I，MARCHAND E，PRESSIGOUT M，et al.Realtime markerless tracking for augmented reality：The virtual visual serving framework[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2006，12（4）：615-628.

[8] BEHZADAN A H，TIMM B W，KAMAT V R.Generalpurpose modular hardware and software framework for mobile outdoor augmented reality applications in engineering[J].Advanced engineering informatics，2008，22（1）：90-105.

[9] HAMMAD A，WANG H，MUDUR S P.Distributed augmented reality for visualizing collaborative construction tasks[J].Journal of computing in civil engineering，2009，23：171-183.

[10] CASTLE R，KLEIN G，MURRAY D W.Videorate localization in multiple maps for wearable augmented reality[J].IEEE International Symposium on Wearable Computers，2008，12：12-22.

[11] WHITE S，LISTER L，F(xiàn)EINER S.Visual hints for tangible gestures in augmented reality[J].IEEE Computer Society Washington，2007，6：1-4.

[12] TONN C，PETZOLD F，DONATH D.Put on Your glasses and press right mouse button ARbased user interaction using laser pointer tracking[C]//Proceeding of the 26th conference on education in computer aided architectural design in Europe.[s.l.]：[s.n.]，2008.

[13] MISTRY P，MAES P.SixthSense： A wearable gestural interface[C]//Proceedings of SIGGRAPH Asia.New York，USA：ACM，2009.

[14] CHEN J W，IZADI S，F(xiàn)ITZGIBBON A.Kintre：Animating the world with the human body[C]//Proceedings of the 25th annual ACM symposium on user interface software and technology.New York：ACM Press，2012：435-444.

[15] ARMBRUST M，F(xiàn)OX A，GRIFFITH R，et al.A view of cloud computing[J].Communications of the ACM，2010，53（4）：50-58.

[16] YANG T J，TSAI Y M，CHEN L G.Smart display：A mobile selfadaptive projectorcamera system[C]//Proceedings of the 2011 IEEE international conference on multimedia and expo.Barcelona，Catalonia，Spain：ICME，2011：1-6.