農產品數字互動體驗系統研究與建設

閆俊均 王殿亮 郭新宇

摘 ?要： 21世紀以來，人們正在步入數字化的時代，技術的不斷更新帶來了新的文化生活和新的社會現象。隨著新興的科學技術與數字技術的發展，農業體驗正朝著智能化、網絡化、數字化的方向進步，數字互動體驗系統也逐漸出現在人們的視野當中。農產品與我們的生活息息相關，農產品的質量安全直接關系我們的健康和安全，更是食品安全的前提和保障，所以向用戶展示農產品的生產過程是十分重要的。本文主要研究如何將虛擬現實技術、增強現實技術等信息技術與農業知識相結合，設計集真實性、科學性和趣味性為一體的數字互動體驗系統。為用戶科普農業信息，將農產品背后的故事更好的呈現在用戶面前，向用戶展示我國產業科技的發展，讓用戶感受農業科技的力量，以及農業發展的蓬勃生機。

關鍵詞： 農產品; 數字互動; 虛擬現實; 增強現實

中圖分類號： TP37 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.012

本文著錄格式：閆俊均，王殿亮，郭新宇. 農產品數字互動體驗系統研究與建設[J]. 軟件，2019，40（5）：5770

【Abstract】： Since the 21st century， people are entering the era of digitalization， and the constant renewal of technology has brought about new cultural life and new social phenomena. With the development of emerging science and technology and digital technology， the agricultural experience is progressing in the direction of intelligence， network and digitalization， the digital interactive experience system is gradually appearing in people's vision. Agricultural products are closely related to our lives. The quality and safety of agricultural products are directly related to our health and safety. Its also the premise and guarantee of food safety. Therefore， it is very important to show the production process of agricultural products to users. This paper mainly studies how to combine information technology such as virtual reality technology and augmented reality technology with agricultural knowledge to design a digital interactive experience system that integrates authenticity， science and fun. For the user's agricultural agricultural information， the story behind the agricultural products is better presented to the users， showing the development of China's industrial technology to the users， letting users feel the power of agricultural science and technology， and the vitality of agricultural development.

【Key words】： Agricultural products; Digital Interaction; Virtual Reality; Augmented Reality

0 ?引言

隨著體驗經濟時代的到來，數字互動體驗系統正逐漸走進人們的生活。在農業體驗中，科技帶來了設計手法和表現方式上的創新，農業展示的內容越來越多樣，呈現的方式也越來越多樣。傳統的農產品的相關知識在如今快節奏的社會生活中，人們接受起來往往會有些枯燥無味，如何跟緊時代的腳步，將農產品與新的科學技術相結合，利用現代化技術對農產品進行推廣，讓更多的人了解農產品背后的故事，是農產品數字互動體驗系統建設和研究的重點。

1 ?系統分析與關鍵技術

1.1 ?需求分析

本文涉及的農產品數字互動體驗系統主要有基于智能移動設備的增強現實系統和基于頭戴式顯示設備的虛擬現實系統。不同終端的使用提高了系統的多樣性，系統主要滿足以下需求：

（1）真實性：真實性有兩個方面，第一個是場景的真實性。系統借助虛擬現實技術的沉浸式體驗，將真實場景進行還原，保證虛擬場景的真實性，從而給用戶提供最接近現實的視覺感和體驗感。第二個方面則是內容的真實性。農產品的質量安全是非常重要的問題，更多的人希望能夠了解農產品的生產過程，確保自己食用的農產品的安全性。

（2）便捷性：農產品數字互動體驗系統的特點之一就是可以讓用戶隨時隨地的進行體驗操作，不必到現場就可以體會到真實的景象。

（3）多樣性：多樣性有兩個方面，第一個是系統的多樣性。在不同的現實條件下，用戶可以體驗不同的數字互動體驗系統，包括虛擬現實系統和增強現實系統。第二個是內容的多樣性，通過構建不同的虛擬場景，讓系統界面更加豐富，避免用戶的審美疲勞。

1.2 ?關鍵技術

1.2.1 ?三維建模技術

為了能給用戶提供更好的沉浸感并產生身臨其境的感覺，需要在虛擬世界中盡可能逼真的展示出客觀世界中的物體。這就要求在創建模型時，不僅在外形上要與真實對象相似，在形態、顏色等方面也要盡可能的逼真。虛擬物體的建模是農產品數字互動體驗系統建立的基礎，幾何建模技術可以構造事物的立體外形。之后采用物理建模技術對建模結果進行紋理、顏色等方面的處理，使模型更加逼真[1]。

1.2.2 ?增強現實技術

隨著計算機技術等技術水平的提升，增強現實技術的應用也趨于大眾化。增強現實技術通過將物體虛擬化，以三維立體的形式出現，將虛擬物體疊加到真實的場景當中，使得真實環境與虛擬環境融合，實現虛實結合的功能。如果用戶在真實環境中移動，增強現實技術顯示的三維物體也會隨之變化，從而實現實時交互[2]。

1.2.3 ?虛擬現實技術

虛擬現實技術可以給用戶提供最接近真實場景的環境體驗，還可以提供視覺、聽覺等其他感知能力，給用戶提供沉浸式的體驗。在虛擬環境中，計算機會根據用戶的頭、手、眼等身體運動，實時調整系統呈現的內容以及聲音，給用戶仿佛置身于現實世界的感覺。理想當中的虛擬現實系統可以實現讓用戶難以分清自己處在虛擬場景還是現實場景當中的目的[3]。

1.2.4 ?混合現實技術

混合現實是一種將真實世界疊加到虛擬環境當中技術，即將攝像頭捕捉的二維圖像通過計算機形成三維的虛擬圖像，然后疊加到虛擬世界里。如果場景內的事物都是虛擬的，就是虛擬現實領域;如果是將虛擬信息疊加到現實世界當中，屬于增強現實領域。農產品數字互動體驗系統正在研究如何將混合現實技術與農產品相結合，爭取在以后的系統當中實現[4]。

2 ?系統設計與實現——以五常大米為例

2.1 ?三維模型構建與優化

農產品數字互動體驗系統的建立與三維模型的建立密切相關。為了確保模型的真實性和觀賞性，系統使用3ds Max為主要建模軟件。合理的優化場景，可以減少模型創建過程中的返工率。本節以五常大米為主題，在進行實地調研以及策劃分析后，初步確認了需要建模的物體。

系統內較為簡單的物體選用多邊形建模，其主要思想是對象的表面由幾何多邊形組成。通過對可編輯的多邊形對象進行編輯和修改，來實現物體的建模過程，多用于房屋等建筑方面的建模。三維模型創建之后，對模型進行紋理映射和渲染，增加三維模型的真實性和美感。如圖1所示為房屋模型及模型在場景中的界面。

采用三維數字化建模的方法對系統涉及到的形狀較為復雜、還原度要求較高的物體進行建模。系統涉及最多的農作物是水稻，由于水稻的形狀不規則，為了保證模型的真實性，所以選擇該方法進行建模。通過人工測量的方式對水稻進行數字化獲取水稻的模型數據，保證了模型數據的真實性。首先將三維數字化獲取的“點”數據在犀牛Rhino當中進行連接，將每一個葉片的點數據進行連接，連接后水稻模型的結構如圖2所示。

在獲取模型數據時，由于環境、人工等因素的影響，會導致此時創建的模型會有一定的誤差，所以需要將處理好的模型導入3ds Max中，根據建模之前拍攝的照片進行調整，盡可能的貼近實際情況，并進行優化處理。圖3為創建的水稻模型及其在場景中的界面。

在虛擬場景中，為了避免提供的信息太多或太少，以及場景過于復雜不利于程序的運行，所以不同層次的對象需要的細節程度不同。本場景中，周圍山峰的細節細節程度最小，其次是場景內的樹木以及房屋，細節程度最高的則是與用戶進行交互的模型，如水稻、農作工具等。最終搭建的三維場景如圖4所示。

2.2 ?數字互動體驗系統設計與實現

本節主要以五常大米為主題，通過農業游戲的方式，設計實現一款農產品數字互動體驗系統，為用戶提供真實的農產品信息，實現系統的場景可視化功能。

2.2.1 ?系統結構設計

本系統是通過實地調研五常大米的種植、生產、加工等過程進行設計開發的。用戶可以在選擇對應的模塊進行體驗，通過體驗每個模塊的內容了解五常大米的相關知識。根據分析將系統分為三個體驗模塊，如圖5所示。

傳統稻作互動體驗模塊主要體驗的是五常大米的傳統種植、加工的工具;現代水稻產業科技互動體驗模塊展示的是五常大米產業科技的應用現狀，并與傳統的水稻種植進行對比;貯藏加工與物流互動體驗模塊則用于了解五常大米現代生產過程中用到的設備及相應的流程。

2.2.2 ?增強現實數字互動體驗系統設計與實現

增強現實數字互動體驗系統是基于移動智能端，借助Unity3D和EasyAR SDK實現的。配置好Unity3D發布Android應用的環境后，對系統進行設計與實現。

（1）傳統稻作模塊

用戶通過智能設備可以了解五常市40年代的農作工具。首先設計二維平面圖用于圖像識別，圖6所示為本模塊部分AR平面識別圖像。

將準備好的模型資源導入到Unity3D中，選擇EasyAR SDK當中的ImageTarget組件實現增強現實功能。以木耙子為例，將ImageTarget命名為Im-ageTargetMuPaZi，并在組件下面添加木耙子的AR模型。每一個模型都需要一個ImageTarget組件，重復以上操作，直到完成本模塊所有AR配置。以木耙子為例的平面識別圖及其三維動畫如圖7所示。

（2）現代水稻產業科技模塊

用戶通過本模塊可以了解五常水稻種植產業發展現狀，用了哪些新技術、新方法、新模式、新裝備。本模塊的部分二維識別圖像如圖8所示。

以高標準數字化農田為例，將ImageTarget拖到面板當中，并重命名為ImageTargetGaoBiaoZhun，并在組件下面添加的AR模型。重復以上操作，直到完成本模塊所有AR配置。如圖9所示是以高標準數字化農田為例的識別圖及其三維動畫。

（3）貯藏加工與物流模塊

用戶通過智能設備可以了解五常水稻貯藏、加工與物流的環節。本模塊的部分二維識別圖像如圖10所示。

以貯藏車間為例，將ImageTarget拖到面板當中，并重命名為ImageTargetZhuCang，在組件下面添加的AR模型。重復以上操作，直到完成本模塊所有AR配置。如圖11所示是以貯藏車間為例的識別圖及其三維動畫。

（4）系統測試

將開發的增強現實系統導入Android設備中進行黑盒測試。測試的目的是為了發現軟件所有可能或者已經發生的錯誤。測試環節對于整個系統的開發是很重要的，它不僅驗證系統的完整性，還可以優化整個系統的可執行性。

打開應用后，將移動智能設備的攝像頭對準制作的二維平面圖像，智能設備的屏幕上會播放對應的三維動畫以及語音介紹。將二維平面圖像移開后，三維動畫消失，說明系統的二維跟蹤技術是可執行的。在對所有的二維平面圖像逐一進行識別后，發現沒有重復的、出錯的三維動畫及語音介紹。說明增強現實系統是可行的。

傳統稻作模塊以鐵犁和點播機為例的部分測試過程如圖12所示。

現代水稻產業科技模塊以種質創新和機械插秧為例的部分測試過程如圖13所示。

貯藏加工與物流模塊以烘干塔和運糧車為例的部分測試過程如14所示。

通過對所有模塊進行功能測試后，得出增強現實系統的功能測試表，如表1所示。

通過測試發現，增強現實系統功能良好，滿足開發要求。

2.2.3 ?虛擬現實數字互動體驗系統設計與實現

考慮到系統的沉浸感與便攜性，系統選用HTC Vive Focus為虛擬現實數字互動體驗系統系統的體驗設備。系統配置完成后，對光源和天空盒進行設計。以傳統稻作互動體驗為例，添加光源并根據在場景中的效果，調整光源的角度、顏色和光照強度。系統主要借助天空盒子實現場景當中的天空效果。光源和天空盒設置前后的對比如圖15所示。

（1）傳統稻作模塊

該模塊主要體驗五常市40年代的傳統種植水稻、收獲、加工和倉儲的方式，主要有四個關卡，功能模塊圖如圖16所示，用戶在模塊首頁可以選擇關卡進行體驗。

將用戶界面、創建好的三維模型和動畫導入Unity3D。給四個關卡圖片添加Button組件使其具備按鈕的屬性，以及EventTrigger（事件觸發器）在每個關卡圖片上，實現用戶發射手柄的點擊實現操作。該模塊場景和用戶選關界面如圖17所示。

第一關是傳統水稻種植，用戶主要了解的是傳統的種植農作工具。進入場景后，用戶可以看到農田和農作工具，包括鐵犁、木耙子和播種機。以播種機為例，添加BoxCollider組件，使其變成碰撞體，實現手柄與播種機的碰撞檢測，觸發EventTrigger事件：用戶發射射線點擊播種機時，播種機會出現到用戶眼前并播放語音介紹，用戶可以點擊播種機進行旋轉觀察并播放對應的三維動畫。動畫播放完畢后會回到本關的初始界面。用戶可以重復體驗本關卡的三個農作工具。用戶看到的場景和播種機動畫截圖如圖18所示。

第二關是傳統水稻田間管理，用戶會縮小到水稻田當中，需要在水稻田當中除蟲、除草，本關共有六株雜草和六只害蟲，只有將該關卡內所有的雜草和害蟲清理干凈，才可以進入下一關。該關卡進入界面和過關界面如圖19所示。

第三關是傳統水稻收獲，用戶會看到成熟的水稻田，和在田埂上的鐮刀。點擊鐮刀，鐮刀會出現在用戶眼前并播放鐮刀的語音提示。用戶可以點擊鐮刀進行旋轉觀察，觀察結束后，用戶可以點擊水稻進行收割。用戶界面和水稻收割界面如圖20所示。

第四關是加工與倉儲，用戶主要了解的是傳統的加工與倉儲的農作工具。用戶可以看到稻農院子里有待脫粒的水稻，有腳踏打稻機和簸箕，以及石臼。以腳踏打稻機為例，用戶發射射線點擊腳踏打稻機時，會播放水稻脫粒的動畫和語音介紹，腳踏打稻機下方的簸箕會裝上稻谷。動畫結束后，腳踏打稻機會恢復初始狀態，方便用戶重復觀看。用戶可以多次體驗本關卡的三個農作工具。用戶界面和體驗腳踏打稻機的場景如圖21所示。

（2）現代水稻產業科技模塊

該模塊主要展示五常水稻的現代種植技術、設備等，讓用戶能夠對五常水稻的生產全過程有系統地、全景式地了解。該模塊有四個體驗關卡，功能模塊圖如圖22所示，用戶可以選擇關卡進行體驗。

將用戶界面、創建好的三維模型和動畫導入Unity3D。給四個關卡圖片添加Button組件和Event Trigger組件，實現用戶發射手柄的點擊操作。該模塊場景和關卡按鈕的界面如圖23所示。

第一關是種植資源創新，用戶主要了解的是水稻育種實驗室中的實驗儀器以及育種田。用戶點擊場景內的儀器可以了解其名稱及作用。觀察完育種實驗室后，可以點擊按鈕前往育種田，育種田是培養研發品種的試驗田。用戶界面如圖24所示。

第二關是高標準數字化水田，主要了解的是水位傳感器、農業氣象監測儀、蟲害監測器、高清攝像頭等物聯網設施。點擊設施后，設施會出現在用戶眼前并播放語音介紹，用戶可以多角度觀察設施，也可以退出繼續觀察其他物聯網設備。圖25所示為該關卡的場景界面。

第三關是機械化作業，主要了解的是機械化耕整地、插秧、飛機航化、收獲的過程。用戶點擊農機可以觀看該農機工作的三維動畫。點擊旋耕機進入大田整地界面;插秧機會進入水田插秧界面;無人機會進行航化;聯合收割機會進行收割。用戶可以重復體驗場景內的農機。四個農機的設備的三維動畫截圖如圖26所示。

第四關是有機生態種植，主要了解的是五常市有機種植、稻鴨共作等生態種植模式和方法。根據五常實際情況構造二維地圖，本模塊主要體驗的是鴨稻區和景觀區部分，包括鴨稻共作、紙膜除草、觀景臺、蟲害監測。大米加工工廠會在貯藏加工與物流部分進行體驗。用戶進入該關卡的場景如圖27所示。

點擊按鈕，用戶會進行對應的場景，并對有機生態種植方法進行了解。紙膜除草是將可降解的紙膜在插秧時覆蓋在田中，可以起到抑制雜草生長的作用;鴨稻共作生產技術是以種稻為中心，家鴨野養，稻鴨共生，互利互惠，從而達到稻鴨豐收增效的目的;站在觀景臺可以看到不同的稻田畫;蟲害監測是利用殺蟲燈的燈光誘蟲原理進行殺蟲，誘殺害蟲種類多，數量大。該關卡場景如圖28所示。

（3）貯藏加工與物流互動體驗

本模塊主要展示五常水稻貯藏、加工與物流環節中的主要設備。該模塊有三個體驗關卡，如圖29所示，用戶在模塊首頁可以選擇關卡進行體驗。

本模塊主要體驗的是大米加工工廠部分，將用戶界面、創建好的三維模型和動畫導入Unity3D。該模塊場景和用戶界面如圖30所示。

第一關是原糧倉儲，本關卡用戶主要參觀貯藏車間。進入關卡之后，用戶可以看到貯藏車間里面的稻谷，點擊提示箭頭可以進入車間參觀。如圖31所示為車間場景。

第二關是加工車間，本關卡用戶主要參觀大米車間，了解加工設備。用戶點擊設備，可以近距離多角度的觀察設備，并根據語音介紹進行了解。用戶界面和為以谷糙分離機為例的近處觀察場景如圖32所示。觀察完畢后，可以點擊退出返回初始位置繼續觀察其他設備。

第三關是物流區，主要是了解大米生產包裝好之后，如何進行物流運輸。選擇該關卡之后，用戶進入物流發貨區，可以看到叉車運送大米袋和傳送帶運輸大米袋到卡車上的動畫，如圖33所示。

卡車裝滿后，用戶會看到裝滿大米袋的卡車開走的動畫，如圖34所示。

（4）系統測試

將生成的安裝包導入VIVE Focus一體機，并進行黑盒測試。以傳統稻作互動體驗模塊為例進行測試。

首先，對第一關傳統水稻種植進行體驗。可以成功進入場景并且所處位置視線良好，可以觀察到關卡全貌和三個農作工具。逐一選擇三個農作工具，看其是否能正常顯示并播放對應的三維動畫，發現動畫播放不卡頓，對應關系沒有出錯。測試證明用戶可以正確的使用本關卡。用戶體驗場景如圖35所示。

其次，對第二關傳統水稻田間管理進行體驗。可以成功進入場景并且水稻田給人的感覺與預期相符——人變成水稻的二分之一大小。點擊水稻植株不會將其消滅掉，說明水稻植株的參數設置正確。點擊害蟲和雜草會使其消失，在沒有消滅掉所有害蟲和雜草時，不會彈出過關提示，用戶不會提前進入下一關，符合系統設計時的邏輯。用戶過關場景如圖36所示。

然后，體驗第三關傳統水稻收獲。可以成功進入場景，點擊鐮刀之后，會出現在眼前并播放鐮刀的語音介紹。觀察結束后可以點擊成熟的水稻進行收獲，水稻田所有水稻都可以成功收獲，與預期相符合。用戶收割過程場景如圖37所示。

最后，體驗第四關傳統水稻加工與貯存，可以成功進入場景，能看到腳踏打稻機、簸箕和石臼。逐一選擇三個農作工具，看其是否都可以播放對應的三維動畫以及語音介紹。動畫結束后，農具恢復到初始狀態，方便用戶重復體驗。用戶體驗場景如圖38所示。

虛擬現實系統其他模塊的測試過程與傳統稻作模塊相同。通過對所有模塊進行功能測試后，得出如表2所示的功能測試表。

3 ?總結與展望

農產品數字互動體驗系統通過將農產品與現代科學技術相結合，為用戶了解農產品的食品安全以及科普教育提供了新的途徑。針對不同的農產品，在進行實地調研之后策劃設計不同的數字互動體驗系統。通過展示真實的信息，讓用戶了解農產品的同時，還可以對農產品進行宣傳推廣。

本文從系統的需求出發，根據系統的性能需求和功能需求分為借助移動智能設備的增強現實系統，和借助頭戴式顯示器進行體驗的虛擬現實系統。不同的場景和條件體驗不同的系統，增加了用戶體驗的多樣性。讓用戶可以在不同的環境條件下體驗不同的形式，有助于展示農產品信息，比其他展示系統的技術更加新穎，更容易吸引用戶體驗。

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