农产品数字互动体验系统研究与建设

闫俊均 王殿亮 郭新宇

摘  要： 21世纪以来，人们正在步入数字化的时代，技术的不断更新带来了新的文化生活和新的社会现象。随着新兴的科学技术与数字技术的发展，农业体验正朝着智能化、网络化、数字化的方向进步，数字互动体验系统也逐渐出现在人们的视野当中。农产品与我们的生活息息相关，农产品的质量安全直接关系我们的健康和安全，更是食品安全的前提和保障，所以向用户展示农产品的生产过程是十分重要的。本文主要研究如何将虚拟现实技术、增强现实技术等信息技术与农业知识相结合，设计集真实性、科学性和趣味性为一体的数字互动体验系统。为用户科普农业信息，将农产品背后的故事更好的呈现在用户面前，向用户展示我国产业科技的发展，让用户感受农业科技的力量，以及农业发展的蓬勃生机。

关键词： 农产品; 数字互动; 虚拟现实; 增强现实

中图分类号： TP37    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.012

本文著录格式：闫俊均，王殿亮，郭新宇. 农产品数字互动体验系统研究与建设[J]. 软件，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

隨着体验经济时代的到来，数字互动体验系统正逐渐走进人们的生活。在农业体验中，科技带来了设计手法和表现方式上的创新，农业展示的内容越来越多样，呈现的方式也越来越多样。传统的农产品的相关知识在如今快节奏的社会生活中，人们接受起来往往会有些枯燥无味，如何跟紧时代的脚步，将农产品与新的科学技术相结合，利用现代化技术对农产品进行推广，让更多的人了解农产品背后的故事，是农产品数字互动体验系统建设和研究的重点。

1  系统分析与关键技术

1.1  需求分析

本文涉及的农产品数字互动体验系统主要有基于智能移动设备的增强现实系统和基于头戴式显示设备的虚拟现实系统。不同终端的使用提高了系统的多样性，系统主要满足以下需求：

（1）真实性：真实性有两个方面，第一个是场景的真实性。系统借助虚拟现实技术的沉浸式体验，将真实场景进行还原，保证虚拟场景的真实性，从而给用户提供最接近现实的视觉感和体验感。第二个方面则是内容的真实性。农产品的质量安全是非常重要的问题，更多的人希望能够了解农产品的生产过程，确保自己食用的农产品的安全性。

（2）便捷性：农产品数字互动体验系统的特点之一就是可以让用户随时随地的进行体验操作，不必到现场就可以体会到真实的景象。

（3）多样性：多样性有两个方面，第一个是系统的多样性。在不同的现实条件下，用户可以体验不同的数字互动体验系统，包括虚拟现实系统和增强现实系统。第二个是内容的多样性，通过构建不同的虚拟场景，让系统界面更加丰富，避免用户的审美疲劳。

1.2  关键技术

1.2.1  三维建模技术

为了能给用户提供更好的沉浸感并产生身临其境的感觉，需要在虚拟世界中尽可能逼真的展示出客观世界中的物体。这就要求在创建模型时，不仅在外形上要与真实对象相似，在形态、颜色等方面也要尽可能的逼真。虚拟物体的建模是农产品数字互动体验系统建立的基础，几何建模技术可以构造事物的立体外形。之后采用物理建模技术对建模结果进行纹理、颜色等方面的处理，使模型更加逼真[1]。

1.2.2  增强现实技术

随着计算机技术等技术水平的提升，增强现实技术的应用也趋于大众化。增强现实技术通过将物体虚拟化，以三维立体的形式出现，将虚拟物体叠加到真实的场景当中，使得真实环境与虚拟环境融合，实现虚实结合的功能。如果用户在真实环境中移动，增强现实技术显示的三维物体也会随之变化，从而实现实时交互[2]。

1.2.3  虚拟现实技术

虚拟现实技术可以给用户提供最接近真实场景的环境体验，还可以提供视觉、听觉等其他感知能力，给用户提供沉浸式的体验。在虚拟环境中，计算机会根据用户的头、手、眼等身体运动，实时调整系统呈现的内容以及声音，给用户仿佛置身于现实世界的感觉。理想当中的虚拟现实系统可以实现让用户难以分清自己处在虚拟场景还是现实场景当中的目的[3]。

1.2.4  混合现实技术

混合现实是一种将真实世界叠加到虚拟环境当中技术，即将摄像头捕捉的二维图像通过计算機形成三维的虚拟图像，然后叠加到虚拟世界里。如果场景内的事物都是虚拟的，就是虚拟现实领域;如果是将虚拟信息叠加到现实世界当中，属于增强现实领域。农产品数字互动体验系统正在研究如何将混合现实技术与农产品相结合，争取在以后的系统当中实现[4]。

2  系统设计与实现——以五常大米为例

2.1  三维模型构建与优化

农产品数字互动体验系统的建立与三维模型的建立密切相关。为了确保模型的真实性和观赏性，系统使用3ds Max为主要建模软件。合理的优化场景，可以减少模型创建过程中的返工率。本节以五常大米为主题，在进行实地调研以及策划分析后，初步确认了需要建模的物体。

系统内较为简单的物体选用多边形建模，其主要思想是对象的表面由几何多边形组成。通过对可编辑的多边形对象进行编辑和修改，来实现物体的建模过程，多用于房屋等建筑方面的建模。三维模型创建之后，对模型进行纹理映射和渲染，增加三维模型的真实性和美感。如图1所示为房屋模型及模型在场景中的界面。

采用三维数字化建模的方法对系统涉及到的形状较为复杂、还原度要求较高的物体进行建模。系统涉及最多的农作物是水稻，由于水稻的形状不规则，为了保证模型的真实性，所以选择该方法进行建模。通过人工测量的方式对水稻进行数字化获取水稻的模型数据，保证了模型数据的真实性。首先将三维数字化获取的“点”数据在犀牛Rhino当中进行连接，将每一个叶片的点数据进行连接，连接后水稻模型的结构如图2所示。

在获取模型数据时，由于环境、人工等因素的影响，会导致此时创建的模型会有一定的误差，所以需要将处理好的模型导入3ds Max中，根据建模之前拍摄的照片进行调整，尽可能的贴近实际情况，并进行优化处理。图3为创建的水稻模型及其在场景中的界面。

在虚拟场景中，为了避免提供的信息太多或太少，以及场景过于复杂不利于程序的运行，所以不同层次的对象需要的细节程度不同。本场景中，周围山峰的细节细节程度最小，其次是场景内的树木以及房屋，细节程度最高的则是与用户进行交互的模型，如水稻、农作工具等。最终搭建的三维场景如图4所示。

2.2  数字互动体验系统设计与实现

本节主要以五常大米为主题，通过农业游戏的方式，设计实现一款农产品数字互动体验系统，为用户提供真实的农产品信息，实现系统的场景可视化功能。

2.2.1  系统结构设计

本系统是通过实地调研五常大米的种植、生产、加工等过程进行设计开发的。用户可以在选择对应的模块进行体验，通过体验每个模块的内容了解五常大米的相关知识。根据分析将系统分为三个体验模块，如图5所示。

传统稻作互动体验模块主要体验的是五常大米的传统种植、加工的工具;现代水稻产业科技互动体验模块展示的是五常大米产业科技的应用现状，并与传统的水稻种植进行对比;贮藏加工与物流互动体验模块则用于了解五常大米现代生产过程中用到的设备及相应的流程。

2.2.2  增强现实数字互动体验系统设计与实现

增强现实数字互动体验系统是基于移动智能端，借助Unity3D和EasyAR SDK实现的。配置好Unity3D发布Android应用的环境后，对系统进行设计与实现。

（1）传统稻作模块

用户通过智能设备可以了解五常市40年代的农作工具。首先设计二维平面图用于图像识别，图6所示为本模块部分AR平面识别图像。

将准备好的模型资源导入到Unity3D中，选择EasyAR SDK当中的ImageTarget组件实现增强现实功能。以木耙子为例，将ImageTarget命名为Im-ageTargetMuPaZi，并在组件下面添加木耙子的AR模型。每一个模型都需要一个ImageTarget组件，重复以上操作，直到完成本模块所有AR配置。以木耙子为例的平面识别图及其三维动画如图7所示。

（2）现代水稻产业科技模块

用户通过本模块可以了解五常水稻种植产业发展现状，用了哪些新技术、新方法、新模式、新装备。本模块的部分二维识别图像如图8所示。

以高标准数字化农田为例，将ImageTarget拖到面板当中，并重命名为ImageTargetGaoBiaoZhun，并在组件下面添加的AR模型。重复以上操作，直到完成本模块所有AR配置。如图9所示是以高标准数字化农田为例的识别图及其三维动画。

（3）贮藏加工与物流模块

用户通过智能设备可以了解五常水稻贮藏、加工与物流的环节。本模块的部分二维识别图像如图10所示。

以贮藏车间为例，将ImageTarget拖到面板当中，并重命名为ImageTargetZhuCang，在组件下面添加的AR模型。重复以上操作，直到完成本模块所有AR配置。如图11所示是以贮藏车间为例的识别图及其三维动画。

（4）系统测试

将开发的增强现实系统导入Android设备中进行黑盒测试。测试的目的是为了发现软件所有可能或者已经发生的错误。测试环节对于整个系统的开发是很重要的，它不仅验证系统的完整性，还可以优化整个系统的可执行性。

打开应用后，将移动智能设备的摄像头对准制作的二维平面图像，智能设备的屏幕上会播放对应的三维动画以及语音介绍。将二维平面图像移开后，三维动画消失，说明系统的二维跟踪技术是可执行的。在对所有的二维平面图像逐一进行识别后，发现没有重复的、出错的三维动画及语音介绍。说明增强现实系统是可行的。

传统稻作模块以铁犁和点播机为例的部分测试过程如图12所示。

现代水稻产业科技模块以种质创新和机械插秧为例的部分测试过程如图13所示。

贮藏加工与物流模块以烘干塔和运粮车为例的部分测试过程如14所示。

通过对所有模块进行功能测试后，得出增強现实系统的功能测试表，如表1所示。

通过测试发现，增强现实系统功能良好，满足开发要求。

2.2.3  虚拟现实数字互动体验系统设计与实现

考虑到系统的沉浸感与便携性，系统选用HTC Vive Focus为虚拟现实数字互动体验系统系统的体验设备。系统配置完成后，对光源和天空盒进行设计。以传统稻作互动体验为例，添加光源并根据在场景中的效果，调整光源的角度、颜色和光照强度。系统主要借助天空盒子实现场景当中的天空效果。光源和天空盒设置前后的对比如图15所示。

（1）传统稻作模块

该模块主要体验五常市40年代的传统种植水稻、收获、加工和仓储的方式，主要有四个关卡，功能模块图如图16所示，用户在模块首页可以选择关卡进行体验。

将用户界面、创建好的三维模型和动画导入Unity3D。给四个关卡图片添加Button组件使其具备按钮的属性，以及EventTrigger（事件触发器）在每个关卡图片上，实现用户发射手柄的点击实现操作。该模块场景和用户选关界面如图17所示。

第一关是传统水稻种植，用户主要了解的是传统的种植农作工具。进入场景后，用户可以看到农田和农作工具，包括铁犁、木耙子和播种机。以播种机为例，添加BoxCollider组件，使其变成碰撞体，实现手柄与播种机的碰撞检测，触发EventTrigger事件：用户发射射线点击播种机时，播种机会出现到用户眼前并播放语音介绍，用户可以点击播种机进行旋转观察并播放对应的三维动画。动画播放完毕后会回到本关的初始界面。用户可以重复体验本关卡的三个农作工具。用户看到的场景和播种机动画截图如图18所示。

第二关是传统水稻田间管理，用户会缩小到水稻田当中，需要在水稻田当中除虫、除草，本关共有六株杂草和六只害虫，只有将该关卡内所有的杂草和害虫清理干净，才可以进入下一关。该关卡进入界面和过关界面如图19所示。

第三关是传统水稻收获，用户会看到成熟的水稻田，和在田埂上的镰刀。点击镰刀，镰刀会出现在用户眼前并播放镰刀的语音提示。用户可以点击镰刀进行旋转观察，观察结束后，用户可以点击水稻进行收割。用户界面和水稻收割界面如图20所示。

第四关是加工与仓储，用户主要了解的是传统的加工与仓储的农作工具。用户可以看到稻农院子里有待脱粒的水稻，有脚踏打稻机和簸箕，以及石臼。以脚踏打稻机为例，用户发射射线点击脚踏打稻机时，会播放水稻脱粒的动画和语音介绍，脚踏打稻机下方的簸箕会装上稻谷。动画结束后，脚踏打稻机会恢复初始状态，方便用户重复观看。用户可以多次体验本关卡的三个农作工具。用户界面和体验脚踏打稻机的场景如图21所示。

（2）现代水稻产业科技模块

该模块主要展示五常水稻的现代种植技术、设备等，让用户能够对五常水稻的生产全过程有系统地、全景式地了解。该模块有四个体验关卡，功能模块图如图22所示，用户可以选择关卡进行体验。

将用户界面、创建好的三维模型和动画导入Unity3D。给四个关卡图片添加Button组件和Event Trigger组件，实现用户发射手柄的点击操作。该模块场景和关卡按钮的界面如图23所示。

第一关是种植资源创新，用户主要了解的是水稻育种实验室中的实验仪器以及育种田。用户点击场景内的仪器可以了解其名称及作用。观察完育种实验室后，可以点击按钮前往育种田，育种田是培养研发品种的试验田。用户界面如图24所示。

第二关是高标准数字化水田，主要了解的是水位传感器、农业气象监测仪、虫害监测器、高清摄像头等物联网设施。点击设施后，设施会出现在用户眼前并播放语音介绍，用户可以多角度观察设施，也可以退出继续观察其他物联网设备。图25所示为该关卡的场景界面。

第三关是机械化作业，主要了解的是机械化耕整地、插秧、飞机航化、收获的过程。用户点击农机可以观看该农机工作的三维动画。点击旋耕机进入大田整地界面;插秧机会进入水田插秧界面;无人机会进行航化;联合收割机会进行收割。用户可以重复体验场景内的农机。四个农机的设备的三维动画截图如图26所示。

第四关是有机生态种植，主要了解的是五常市有机种植、稻鸭共作等生态种植模式和方法。根据五常实际情况构造二维地图，本模块主要体验的是鸭稻区和景观区部分，包括鸭稻共作、纸膜除草、观景台、虫害监测。大米加工工厂会在贮藏加工与物流部分进行体验。用户进入该关卡的场景如图27所示。

点击按钮，用户会进行对应的场景，并对有机生态种植方法进行了解。纸膜除草是将可降解的纸膜在插秧时覆盖在田中，可以起到抑制杂草生长的作用;鸭稻共作生产技术是以种稻为中心，家鸭野养，稻鸭共生，互利互惠，从而达到稻鸭丰收增效的目的;站在观景台可以看到不同的稻田画;虫害监测是利用杀虫灯的灯光诱虫原理进行杀虫，诱杀害虫种类多，数量大。该关卡场景如图28所示。

（3）贮藏加工与物流互动体验

本模块主要展示五常水稻贮藏、加工与物流环节中的主要设备。该模块有三个体验关卡，如图29所示，用户在模块首页可以选择关卡进行体验。

本模块主要体验的是大米加工工厂部分，将用户界面、创建好的三维模型和动画导入Unity3D。该模块场景和用户界面如图30所示。

第一关是原粮仓储，本关卡用户主要参观贮藏车间。进入关卡之后，用户可以看到贮藏车间里面的稻谷，点击提示箭头可以进入车间参观。如图31所示为车间场景。

第二关是加工车间，本关卡用户主要参观大米车间，了解加工设备。用户点击设备，可以近距离多角度的观察设备，并根据语音介绍进行了解。用户界面和为以谷糙分离机为例的近处观察场景如图32所示。观察完毕后，可以点击退出返回初始位置继续观察其他设备。

第三关是物流区，主要是了解大米生产包装好之后，如何进行物流运输。选择该关卡之后，用户进入物流发货区，可以看到叉车运送大米袋和传送带运输大米袋到卡车上的动画，如图33所示。

卡车装满后，用户会看到装满大米袋的卡车开走的动画，如图34所示。

（4）系统测试

将生成的安装包导入VIVE Focus一体机，并进行黑盒测试。以传统稻作互动体验模块为例进行测试。

首先，对第一关传统水稻种植进行体验。可以成功进入场景并且所处位置视线良好，可以观察到关卡全貌和三个农作工具。逐一选择三个农作工具，看其是否能正常显示并播放对应的三维动画，发现动画播放不卡顿，对应关系没有出错。测试证明用户可以正确的使用本关卡。用户体验场景如图35所示。

其次，对第二关传统水稻田间管理进行体验。可以成功进入场景并且水稻田给人的感觉与预期相符——人变成水稻的二分之一大小。点击水稻植株不会将其消灭掉，说明水稻植株的参数设置正确。点击害虫和杂草会使其消失，在没有消灭掉所有害虫和杂草时，不会弹出过关提示，用户不会提前进入下一关，符合系统设计时的逻辑。用户过关场景如图36所示。

然后，体验第三关传统水稻收获。可以成功进入场景，点击镰刀之后，会出现在眼前并播放镰刀的语音介绍。观察结束后可以点击成熟的水稻进行收获，水稻田所有水稻都可以成功收获，与预期相符合。用户收割过程场景如图37所示。

最后，体验第四关传统水稻加工与贮存，可以成功进入场景，能看到脚踏打稻机、簸箕和石臼。逐一选择三个农作工具，看其是否都可以播放对应的三维动画以及语音介绍。动画结束后，农具恢复到初始状态，方便用户重复体验。用户体验场景如图38所示。

虚拟现实系统其他模块的测试过程与传统稻作模块相同。通过对所有模块进行功能测试后，得出如表2所示的功能测试表。

3  总结与展望

农产品数字互动体验系统通过将农产品与现代科学技术相结合，为用户了解农产品的食品安全以及科普教育提供了新的途径。针对不同的农产品，在进行实地调研之后策划设计不同的数字互动体验系统。通过展示真实的信息，让用户了解农产品的同时，还可以对农产品进行宣传推广。

本文从系统的需求出发，根据系统的性能需求和功能需求分为借助移动智能设备的增强现实系统，和借助头戴式显示器进行体验的虚拟现实系统。不同的场景和条件体验不同的系统，增加了用户体验的多样性。让用户可以在不同的环境条件下体验不同的形式，有助于展示农产品信息，比其他展示系统的技术更加新颖，更容易吸引用户体验。

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