虛擬現實技術在農業可視化場景快速構建中的應用

林峰

摘要：隨著鄉村振興戰略的實施，打造美麗鄉村，將虛擬現實技術應用在村落景區、農業設施規劃、農業休閑觀光、農村文化特色等農業可視化場景中成為未來發展的趨勢。以無人機和全景相機相結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，構建全景漫游系統。在農業中虛擬現實技術可以讓用戶坐在家里即可體驗到農產品的生產場景、鄉村旅游景觀和農村特色文化，對人們改變對農村的認知，塑造農業品牌，激勵社會資本參與美麗鄉村建設具有重要的意義。

關鍵詞：虛擬現實技術;農業;全景;無人機;720云平臺

中圖分類號：S126?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0268-06

隨著虛擬現實技術的快速發展，虛擬現實技術在多個領域中得到了廣泛應用。在農業領域，虛擬現實技術可應用于農業設施規劃、休閑農場茶園和農村文化特色展示等方面。虛擬現實技術能為用戶提供準確的位置信息、導航地圖、地方建設規劃方案，同時對于企業地方旅游觀光宣傳起到一定的作用。

虛擬現實技術和農業場景相結合的應用比較廣泛，如茶園展示、鄉村建設、山地農田規劃、休閑觀光農場等。在茶園展示方面，用戶可以進入全景漫游系統了解茶企文化、生產過程、茶園風貌、地型、生態環境等。以海峽茶博園為例，該茶博園根據福建地域特色，把茶園分為儉、清、和、靜四大主題景觀茶園[1];通過3D全景技術和Mashup技術相結合的方式，實現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]。在鄉村建設宣傳方面，紹興古城旅游景區的三維全景虛擬展示了整個古城的交通路線、酒店情況、古城規劃等內容，讓用戶了解到更多的古城景區相關信息，體驗虛擬實景，以此吸引不同文化地域的游客前來參觀[3]。在休閑觀光農場方面，用戶可以了解到生態園區特色、生產管理和經營銷售方面的內容。以中以示范農場為例，該農場是匯聚生產、培訓、推廣、研究和創新于一體的綜合性示范農場，用戶通過全景虛擬漫游系統可以了解到智能化農業設施，根據解說瀏覽參觀，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合的方式拍攝農業場景的全景圖像，利用圖像拼接處理技術，結合交互設計實現全景漫游系統。虛擬現實技術在農業可視化場景中的應用，讓用戶坐在家里即可體驗到農產品的生產場景、鄉村旅游景觀、農家樂和茶園農村特色文化，對人們改變農村的認知，塑造農業品牌，助力美麗鄉村建設具有重要的意義。

本研究旨在為農業設施規劃、生態茶園觀光和鄉村農業建設提供技術支撐。

1 虛擬現實關鍵技術

虛擬現實技術簡稱VR[5]，是虛擬和現實相互結合的技術，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，開發成本不高，具有導航交互性強、感觀性強、應用場景廣泛等特點，隨著科技的發展還可加入感知功能，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等，是未來發展的一個新的風向標。虛擬現實技術主要以全景拍攝、圖像拼接處理和交互設計3個技術為基礎實現。

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節。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能識別批量導入的照片重疊區域的像素特點，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入處理。（2）Adobe公司的Photoshop CC 2019。Photoshop可以對全景圖進行補缺和色彩處理，通過對光線、色調和色彩等參數的調整，讓全景圖更加炫麗奪目。

1.3 交互設計

全景漫游的交互設計工具眾多，主要分為軟件和云平臺的交互設計。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等格式的網頁文件，是目前主流全景漫游設計軟件之一。云平臺全景漫游設計主要采用720云平臺。720云平臺目前是國內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，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，包含全局設置、初始視角、場景熱點、電子沙盤、特效、背景音樂和導覽等選項。

2 集成應用設計

2.1 流程設計

虛擬現實技術具有構想性、沉浸感和交互性的特點[7]。初期對場景地點進行規劃，選取采樣點，然后進行拍攝、拼接圖像、后期圖像處理。以三維全景漫游技術為核心，通過實地考察并結合當地的民風習俗和特色，選取代表性建筑物和特色的風景作為采集點，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，將圖像導入Photoshop中進行優化，之后通過PTGui Pro拼接圖像并進行細節上的調整，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。設計流程見圖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。由于農業行業的茶園、生態農場、農田的位置大部分都比較偏遠，需要提前了解當地的天氣情況，盡量選擇晴天、陰天進行拍攝，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，對無人機進行調試，調整相機的參數，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，調整拍攝參數到合適的參數，控制飛行器水平旋轉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30°，之后重復第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，開機連接手機應用程序（APP），點擊相機按鈕進入拍攝頁，設置相關拍攝參數，按拍攝頁中的快門按鈕進行拍照，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，會得3張不同曝光程度的照片（圖3），選擇合適的全景圖，把全景格式照片導入PC端，應用程序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、環境或者個人因素，多張曝光不均勻，這時候必須調整圖片，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”，導入航拍處理后的圖像（圖4）;（2）點擊“對準圖像”，軟件會自動對圖像重合點進行識別對準;（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，調整或者增加控制點，對圖像進行校準。當控制點校準后，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行調整（圖5）;（4）點擊“創建全景圖”，設置文件格式和品質，將“優化全景圖”設置為100%;（5）導出.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缺失（圖6），需要后期通過天空素材進行修補。打開Photoshop軟件，先導入缺失天空的全景圖，復制天空素材到航拍的全景圖中，對天空進行修補（圖7）;調整天空素材的大小與全景圖的寬度一致，調節天空素材，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

在合成1張全景圖后，要實現網頁、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，首先登錄720云平臺，上傳處理后的全景圖照片，輸入作品標題和分類，等待幾分鐘后，即可生成全景漫游效果圖。點擊編輯按鈕進行詳細內容的編輯，主要編輯作品相關信息。選擇有代表性的建筑物作為當前初始視角，一般全景圖都會設有多個熱點，點擊熱點即可查看此全景圖的相關信息。對于不同的全景設置不同的熱點，可使瀏覽者了解當地不同的風俗習慣，全景圖中也可加入背景音樂、特效、導覽等功能，讓人們能進行直觀體驗，最后點擊保存分享到網絡平臺（圖8），實現資源共享。

3 應用實例

3.1 全景技術在光澤縣互聯網+生態食品產業鏈服務上的應用

福建省光澤縣是一個以農業為主的縣城，農業企業一般分布比較散且相對遠離城市中心，通過全景漫游系統，用戶可足不出戶就能了解當地企業的規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。進入去全景頁面（圖9）后，用戶可通過導航查看光澤縣各產業分類，包括產業鏈建設與運營、水稻產業、蔬菜產業、茶產業、特種養殖與加工業和食用菌產業（在每個分類下選用一些代表性的企業拍攝全景），也可通過點擊右上角的電子地圖查看各企業的具體位置信息。全景漫游系統可以讓投資商和旅客對光澤縣企業的風土風貌以及文化等信息有一個初步的了解。

3.2 全景技術在農業茶園上的應用

現在很多茶園除了種茶之外，還增加了休閑農業，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環境、規模、海拔高度、氣候等信息，無需到達現場即可觀看實地，方便出行生活，茶園全景圖能為茶廠產品銷售、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 全景技術在農業設施大柵上的應用

全景技術在農業設施建設中也發揮著重要作用，在施工過程中，通過空中全景能了解到整體施工的進度、規模是否達到預期的標準，為前期規劃、中期進度安排和后期驗收提供相關依據和參考材料。從圖11可以看出，全景技術能夠幫助現代鄉村農田農業設施改造，加快鄉村建設和規劃的速度。

4 結論

虛擬現實技術的進步給農業發展帶來一種新的方向，降低了人們出行的成本。全景技術的應用降低了電腦硬件成本，增加了農業的創新性，使農業場景應用的傳播向多元化方向發展。本研究結合全景技術在企業導航分類、農業茶園和農業設施大柵規劃上的應用，詳細介紹了虛擬現實技術在農業可視化場景制作發布過程中，涉及到的相關技術、設計流程和方法，該技術操作簡單、實用性強。通過云平臺技術，可實時更改場景信息并同步到多個終端，實現多終端設備瀏覽查看，讓用戶待在家中就能觀看到真實場景，增加沉浸感。綠色產業是美麗鄉村建設的重要支撐，農業建設是未來創建幸福美麗新家園的關鍵。虛擬現實技術在農業設施規劃、鄉村建設、生態茶園觀光和地圖導航等方面更具實用價值與商業價值，可為農業未來的發展提供新方向。

參考文獻：

[1]陳 宏，邱榮洲，楊如興，等. 基于SketchUp的海峽茶博園三維景觀建模實現[J]. 福建農業學報，2014，29（2）：183-187.

[2]陳 宏，鄭回勇，蔡淑芳，等. Mashup和3D全景技術在果園信息服務中的集成應用[J]. 福建農業學報，2013，28（6）：604-608.

[3]裘洪炯. 紹興古城旅游景區三維全景虛擬展示應用研究[J]. 現代裝飾（理論），2015（1）：209-210.

[4]黃惠珍，劉善文. 基于Web和flash技術的示范農場全景虛擬漫游[J]. 農業網絡信息，2016（8）：48-52.

[5]黃歡歡，薛澄岐. 基于VRML技術的虛擬產品可控性研究[J]. CAD/CAM與制造業信息化，2007（12）：48-51.

[6]馮建平，吳麗華. 基于全景圖像的三維全景漫游系統的構建[J]. 計算機與數字工程，2013，41（1）：115-117.

[7]Wu L H，Feng J P，He S Q . Construction and implementation of the three-dimensional virtual panoramic roaming system of Hainan Ecotourism[M]. Berlin：Springer，2014.

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，助理農藝師，主要從事數字農業技術研究。E-mail：81042378@qq.com。