农业互动展示技术研究

夏立伟

(成都大学中国-东盟艺术学院影视与动画学院,成都 610081)

互动展示是集信息展示、交流互动、体验展示于一体的现代展示平台,在农业上的应用正得到广泛关注。互动展示通过现代人工智能技术和互动元素为农业研究、农业普及、农业推广和养殖加工等提供直观生动的展示和传播途径[1]。由于农业科技人员专业、制作成本及技术、数据鸿沟等因素的限制,互动展示目前在农业上的应用普及不够,制约了智慧农业的发展和农业信息的交流。随着制作技术的逐步发展,提高用户参与度和精准个性化体验,搭建农业与互动设计及制作之间的桥梁,让更多的农业科技工作者、农业院校师生及农户了解基于最新互动技术集成的互动展示,对于促进农业交流、助力农业科技成果展示、普及现代化农业知识和推动农业创新发展具有重要作用[2]。农业互动展示技术是系统工程,涉及互动数据、数据可视化、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、3D打印、动画等技术[3]。农业互动展示制作流程较复杂,包括确定目标和内容、规划展示流程和顺序、互动元素的选择(如触摸屏、投影互动、体感及声控互动)测试和优化及持续完善改进,最终设计出一个趣味性和科技性相结合的农业互动展示[4]。

1 互动展示技术的类型

1.1 虚拟现实和增强现实技术

互动展示通过利用全新互动元素提供与农业相关的信息、科学、技术及成果等,更加直观而生动的展示和传达,使受众身临其境的漫游和了解全过程。涉及的技术包括交互式换型、触摸屏展示、远程监控、虚拟现实(Virtual reality)和增强现实(Augmented reality)等[5]。受众可通过互动展示亲身体验种植、养殖、管理、农产品的营销和推广。将农产品的生长环境、生产过程、质量保障体系等信息直观展示给消费者,使消费者直接了解农产品背后的故事,建立对产品的信任和认同,提高对农产品的购买意愿。

1.2 数据可视化技术

数据可视化(Data visualization)通过将图表、图形、地图等可视化工具,将数据转化为可视化形式,帮助受众更好地理解和接受数据的来源和处理过程。其目标是通过视觉表达方式将复杂且零散的数据模式、趋势和关系表现出来,使数据更直观,易于理解和分析[6]。如通过整理分类,分析作物生长数据、土壤水分、养分数据、气候生态数据、防病虫施药记录等。数据可视化有效推进用户进行精细化的农业管理,助力消费者了解市场走向和预测,以便做出更明智的农产品销售和采购决策。数据可视化还可促进团队成员之间有效沟通和知识分享(图1)。使用传感器、卫星图像、气候和生长数据等信息模拟农作物生长并将其可视化,可监测作物的生长状态、病虫害、水肥现状,从而采取相应的措施提高农产品的产量和品质。

图1 农业中的数据可视化Fig.1 Data visualzation in agriculture

1.3 人工智能技术(AI)

人工智能技术可提高劳动生产率、资源利用率和土地产出率,增强农业抗风险能力,促进传统农业向现代化农业的跨越。AI通过分析需求及用途快速生成相应的顺序建模,服务于作物遗传育种、土壤及成分检测、农田灌溉用水分析、病虫害识别及预警[7]。以作物育种为例,AI通过将优良品种的性状构建分类模型,育种工作者按模型实施,从而有效预期种子产量和品质,并通过田间种植逐个完善模型,修正误差,提前鉴定品种优劣,提高育种成功率。

1.4 数字动画技术

数字动画技术使用计算机生成的图形和动画来模拟现实世界中的运动和行为。数字动画主要解决互动展示中的“动”,能够通过视觉、动态等方面的优势,创造出更具吸引力和教育性的展示体验。互动中的角色、农作物、生态景观和环境元素也可使用数字动画来赋予其活力,从而创造出更具沉浸感的农业互动世界。

2 互动展示技术的流程

2.1 数据收集及应用

用无人机、智能传感器、物联网等信息技术收集农业相关数据并进行分析、整理(图2)。通过收集数据并分析,再将数据转化成图表或其他可视化形式。受众可直接参与数据互动展示,如使用触摸式控制器等设备进行体验。以往在农业方面的互动体验项目,要做到数据的实时收集和应用较困难,随着通讯技术及设备的快速发展,互动体验已经成为信息及数据交流的未来趋势[8]。

图2 农业互动展示数据采集及处理Fig.2 Data collection and processing of agricultural interactive display

2.2 制作流程

农业互动展示的整套制作流程极为复杂,分为前期、中期和后期(图3)。最重要的是前期设计,如何设计出一个富有互动性、趣味性同时兼顾严谨性和准确性,又能吸引受众产生强烈参与感的展示尤为重要。制作者可以根据数据资源和目标受众的特点,有针对性的定制设计[9]。

图3 农业互动展示制作流程Fig.3 Production process of agricultural interactive display

2.2.1 确定受众群体及展示内容与流程 首先,确定目标受众,例如学生、农民、农业科技工作者或一般公众,了解目标受众的背景、兴趣和期望,有助于确定合适的内容及互动方式。选择相关主题,确保它有足够的吸引力和实用性,针对受众的需求和兴趣决策展示内容。明确展示目标和想传达的信息,通过这些信息期望触发受众的相应反应[10],如农业机械、可持续农业、农业科技创新、有机农业等。利用互动元素激发受众的参与,通过展示的各个环节将受众引导到目标上。然后根据选择的主题和交互形式,设计相关的展示内容,包括信息图表、视频展示、案例研究、实地参观、实物展示等,确保内容可视化且容易读取,能够传达主题和目标。其次,规划展示的流程和时间,确保参观者可以定时地按照一定的次序进行观赏,了解和体验每个环节[11]。同时,也要给予参观者一定的自由度,让他们根据自己的兴趣选择参与的内容。如在制作相关农业机械体验项目时,考虑到受众可能为农业机械专业的学生,主要目标是在“学”和“用”上,所以在设计项目内容及流程时,涵盖了介绍、实际操作、考核、后期保养等全流程(图4)。

图4 基于学生的农业植保机互动体验的内容设计Fig.4 Content design for interactive experience of agricultural drone

2.2.2 选择互动元素、形式和设备 首先,根据目标和内容选择合适的互动元素,包括触摸屏、投影互动、体感互动、声音互动等,确保选择的互动元素能够与展示内容有机地结合。其次,确定展示的交互形式,包括触摸屏幕互动、虚拟现实(VR)或增强现实(AR)体验、模型展示、游戏化体验等[12]。通过多种形式组合增加受众的参与度和吸引力。考虑受众与互动元素的交互方式,确保操作简单明了,并且与展示内容紧密配合。尽量使互动过程流畅自然,让受众能够轻松参与并理解,增强互动体验感。激发受众的参与感是互动展示的关键。通过设计互动环节,让受众能够积极参与,例如提供选择、答题、小测验、投票、DIY体验、实时反馈等方式。确保受众在互动过程中感到有趣、有挑战性和有成就感。在笔者参与的农业机械互动体验项目中,采用虚拟现实(VR)的互动展示方式,体验不受季节、天气、场地等影响。用户在体验时足不出户,就能学到相关知识,体验到相应的互动(图5)[13]。

图5 移栽机的虚拟现实(VR)互动展示及体验Fig.5 Virtual reality interactive display and experience of transplanting machines

2.2.3 视觉设计 互动体验中有大量图形、界面及动画设计,针对农业的互动体验在视觉化设计上除了美观、有实景感外,最重要的是严谨性和科学性。在二维方面,设计出符合目标的互动展示外观和交互元素,包括平面设计、图形设计、用户界面设计等。进行创意生成和草图阶段,如手绘草图、线框图、页面布局等,以便快速提出不同的设计方案。基于草图创建静态或交互式的视觉设计。互动中的用户界面也可使用数字动画来增加交运动感和交互性,例如按钮点击、界面切换就可用动态展现[14]。制作者通过最常用的Adobe设计工具,如Adobe Photoshop、Illustrator等,也可使用Sketch、Adobe XD、Figma、 InVision等来完成。创建视觉元素,如图标、背景、颜色方案等,确保设计风格与所选择的农业互动目标保持一致[15]。在三维方面,选择相应的软件应用程序进行数字化设计和制作,涉及3D建模、图形渲染等。实际互动展示项目的视觉设计及制作阶段,需考虑农业科技内容的严谨性和科学性。视觉呈现的内容需要能够最大限度还原原物,可通过制作三维模型(图6),在保证足够细节的同时,尽量做到在三维空间里还原原物。

图6 相关农业机械项目三维模型Fig.6 3D model of agricultural machinery project

图7 互动展示中植物的三维模型及布线Fig.7 3D model and meshes of plants in interactive display

农业互动展示的视觉内容中三维部分需要优化模型,以引擎为基础的三维模型面数不宜过多。如面数过多会影响引擎、硬件的运行速度,最终影响互动体验的流畅度。内容设计和制作者需要根据互动展示中使用的引擎及硬件针对模型优化层面做出合理的判断和规划[16]。

农业机械视觉设计同时还要做到简单、明确,让受众能够在最短时间内读取相关信息。视觉呈现上对相关内容的构图、比例、色彩、识别度等都应有比较严格的要求。在条件允许的情况下,也可对部分视觉内容进行实拍(图8)。使用360度全景摄像机拍摄全景视频素材,再导入到引擎加入互动元素(图9)。

图8 互动展示农机项目中的操作提示界面 Fig.8 Interactive display of operation prompt interface in agricultural machinery projects

图9 VISTA360摄像机拍摄农机作业过程全景视频Fig.9 VISTA360 camera shooting panoramic video of agricultural machinery operation process

2.2.4 引擎的使用 互动展示最核心的制作工作在中期的引擎使用上。引擎是中期制作的核心之一,同时具有连接前期设计和后期体验的重要功能。Unity是一款广泛使用的跨平台游戏引擎,适用于游戏开发、虚拟现实和增强现实。Unity提供了强大的工具和功能,可用于创建各类型的互动展示,包括互动、模拟器和虚拟现实体验等。Unreal是另一款流行的游戏引擎,也被广泛应用于互动展示领域,此引擎具有出色的图形渲染能力和物理模拟系统,适用于农业科技领域,如创建逼真的虚拟场景和互动体验。引擎可提供丰富的功能和工具,使制作者能够创造出具有较强交互性的互动展示。至于引擎的选择则取决于项目需求、开发者技术经验和预期目标[17]。目前交互项目多以Unity和Unreal引擎为主,但是部分软件也可以达到简单的互动展示效果,如:PowerPoint、 Keynote、 Adobe Captivate、 Emaze、 Haiku Deck等。

将视觉层面设计出的元素导入引擎,引擎支持大部分图形软件创建出的图片、影像、三维模型、角色绑定及动画数据。引擎已自带互动展示方面的开发框架,如Unity中的MVC(模型Model、视图View、控制Ctrl)模式,就是一种可视化与组件化开发的工具,可在框架上导入内容并进行定制及修改。而Unreal中的蓝图(Blueprint)也是一种可视化脚本语言,它不需要编写任何C++代码,只需要将不同功能的蓝图节点连接起来,就能实现互动方面绝大部分的功能(图10)[18]。 数字动画数据也可以导入引擎中,可与受众的操作进行交互,例如受众操控角色、农业机械时的动作反应、实时的环境变化等。

图10 Unreal引擎里的蓝图Fig.10 The blueprint in the unreal engine

受益于引擎中已有的开发框架,互动展示中编程的工作量并不大。在特殊要求及特定环境下,可以定制程序内容。在相应的引擎场景中创建对象,例如角色、按钮或触发器,同时确保该对象拥有所需的组件,如碰撞(Collider)或按钮组件(Button),通过编写代码检测用户输入。又如,受众通过点击按钮与农业方面的内容进行交互,就可编写代码检测鼠标点击事件;在检测到输入后,可编写逻辑处理交互。受众点击按钮,可编写代码来执行相应的操作,如启动互动体验、打开菜单或触发特定动作;在引擎中创建UI按钮,确保具有按钮组件,创建一个C#脚本并将其附加到按钮对象上。在脚本中,使用引擎的事件系统来检测按钮点击事件,并编写交互逻辑等。

农业互动展示在引擎上的运用需注意2个细节:一是农业互动展示一般需要较为广阔的三维空间,如在农业规划和生态展示时,会出现大面积的地形、地貌,引擎在处理此类情况时具备较强的优势,能够在非常广阔的空间流畅体验。目前主流的地形制作软件制作出的地形数据信息,如模型、贴图等也能轻松导入引擎,进行使用(图11)[19]。二是目前主流引擎都有较完善的资产库(图12),内容涵盖场景、工具、道具、植被、地形、动画等。资产库的合理利用能够大大降低农业互动展示制作的时间及成本(图13)。

图12 Unreal引擎里的Quixel Bridge资产库 Fig.12 Quixel bridge assets in Unreal engine

图13 资产库中常用的农作物Fig.13 The common crops in the asset library

其他层面的互动感受,如听觉(配音、音乐、音效)、嗅觉、触觉等也较重要。比如听觉主要通过导入音频文件,通过程序出发,互动会伴随相应的声音;触觉等主要通过程序与硬件设备的配合等。

2.2.5 软、硬件接口 软、硬件接口是制作农业互动展示中期技术又一道程序。通过软件和硬件的结合,创造出具有互动性和参与感的展示方式。软硬件对接是将软件和硬件设备进行连接和交互,实现功能协同。首先,需要准备适合互动展示的硬件设备,比如虚拟现实头盔、手柄、传感器等。硬件设备通常与计算机或服务器连接,以便进行数据交互和处理。制作者使用编程语言和开发工具创建软件,以实现展览、展示和互动。硬件设备和软件之间需要进行数据传输和处理。例如,虚拟现实头盔通过传感器获取用户的动作和位置信息,然后传输给计算机进行处理。计算机根据接收到的数据,将用户的动作转化为相应的展示效果。通过软硬件对接,展示可以实现用户的交互,用户通过手柄、手势或其他输入方式与展示进行互动。例如,用户可使用手柄进行虚拟环境中的操作,比如操作农机、移动角色等[20]。

2.2.6 测试和优化 测试和优化是农业互动展示制作后续技术。展示前必须进行充分的测试和优化,其目的在于强化测试互动元素的功能和稳定性,确保它们能够按预期实现效果[21]。收集观众的反馈,并根据反馈做出必要的改进。在展示现场,提供清晰的指导和支持,帮助受众理解和参与互动环节。通过培训工作人员,确保他们能够解答观众的问题并提供帮助。例如,如果使用触摸屏幕或VR/AR体验,需要提供相应的设备和软件支持,确保设备正常运行,并有足够的工作人员提供技术支持[22]。收集互动展示期间的数据,如参与人数、观众反馈等。评估展示的效果,与预设的目标进行比对。这些数据有助于制作者了解展示的成功程度,并为后续的改进和完善提供参考。随着时间推移,不断改进和更新展示内容和互动形式,保持对新的农业技术和趋势的关注,以便保持展示的新颖度和吸引力。

3 互动展示的特点及在农业领域的应用前景

3.1 互动展示的优势

互动展示可以提高受众,特别是农业专业学生以及农户的参与度。通过吸引受众的注意力,激发受众的兴趣,让他们积极参与展示,从而增强他们对农业互动展示的理解和记忆,营造一个充满趣味和知识的农业类互动参观体验。

提供定制化和个性化体验。因为农业类专业较多,涵盖内容较广,所以需要对内容、互动形式等进行定制化和个性化设计。受众可自主选择感兴趣的内容进行深入了解,或者根据自己的喜好和需求进行互动及定制化体验[23]。

提供多种多样的体验形式和效果。互动展示通过技术和创意,创造出多种多样的体验形式和效果,使受众感觉自己置身于展示内容之中,这点对于农业类互动项目尤为重要。例如,通过虚拟现实(VR)、增强现实(AR)技术或混合现实(MR)技术,受众可以身临其境地参观虚拟农业示范基地、农业科研院所、农场等,与虚拟对象进行互动,增强感官体验和情感共鸣。

提升体验者的记忆效果。实践是农业类互动展示至关重要的环节。通过受众的积极参与和实践操作,提升其对展示内容的记忆效果。通过亲身体验和实际操作,受众更容易记住和理解所学的知识和信息,也可使农业院校学生和农业技术受训人员更深入地参与实践过程[24]。

促进交流和合作。农业类互动展示可以促进受众之间的交流、合作。受众可以共同参与互动活动,进行讨论、分享意见和经验,增强彼此之间的互动和合作能力。这种互动性有助于建立更加积极的学习氛围和体验感,激发受众的思考和创造力。

3.2 农业互动展示的应用前景

促进农业科技创新。互动体验技术在农业科研中发挥着重要作用。研究人员可使用模拟环境进行实验和观察,研究作物生长、病虫害防控和气候变化对农田的影响,从而有助于加快科学发展和创新在农业实践中的实际应用。

实施农田规划和管理。农业人员利用互动体验技术模拟不同的农田规划和管理方案,通过虚拟环境观察和调整不同作物的种植布局、灌溉系统和施肥计划,以优化产量和资源利用效率。利用地理信息系统(GIS)和遥感数据及数字可视化工具帮助农业专业人员分析土壤样本数据,并生成可视化图表和地图,以展示土壤的养分含量、pH、湿度等信息。这些互动性的可视化工具能够帮助种植户更好地了解土壤状况,制定更有效的管理策略,如施肥计划、灌溉方案等。有机农业、农业废物管理和资源回收利用等方面合理的规划和管理,还可以促进环境保护和可持续的农业发展[25]。

气候监测和预测。数字可视化工具整合气象数据,帮助农民和农业专业人员监测天气变化,并提供准确的天气预测。这些工具显示温度、降雨量、风速等数据,并通过图表和动画展示气象变化趋势。基于这些信息,做出适应性决策,如调整作物种植时间、采取防护措施等。将气象数据与地理信息相结合,通过可视化方式展示天气预测结果帮助农业专业人员和农民及时了解未来的气候变化,合理安排农事活动,减少灾害风险。

植物生长监测。利用无人机、卫星图像和传感器数据,获取植物生长的相关信息,并通过可视化方式展示植物的生长状态、受灾情况以及病虫害分布等,帮助种植户及时采取措施保护作物。数字可视化工具结合遥感数据和农田传感器数据展示作物的生长状况。通过可视化图表、热力图和时序动画等方式,追踪作物生长的空间分布和时间变化,这有助于及时发现作物生长状况、病虫害侵袭等,并采取相应的措施[26]。农业互动展示还可以根据实际需求,增加农药残留检测和食品安全标准追溯等方面的实时监内容,以确保农产品的安全和品质。

市场信息分析与农产品营销。利用互动展示,帮助农民和农业企业分析市场需求和趋势,制定农产品销售策略。通过可视化展示历史销售数据、价格趋势、消费者行为等信息,做出更明智的决策,如选择适宜的作物品种、调整生产规模等。将市场价格、需求量等数据进行可视化展示,农民根据市场趋势进行农产品销售策略的调整,提高农产品的竞争力。通过应用程序或虚拟展示,消费者可以了解特定农场的生产过程、环保措施和社区参与。这种参与可以增加消费者对农产品的信任和忠诚度。此外,互动技术还可以应用在农村电商平台、农产品加工和农村旅游等,以推动农村经济发展和农民收入增加。

农业教育和培训。互动体验提供农业知识和技能的培训。通过虚拟现实(VR)或增强现实(AR)技术,农业科技工作者和农业专业学生可以参与农业实践的模拟和互动,了解作物生长过程、灾害管理和农业机械操作等。可视化技术用于农业教育和决策支持系统,通过开发交互式的农业可视化工具,向种植户、农业专家和政策制定者提供直观的信息展示和决策辅助。这些工具可以帮助用户理解复杂的农业数据,预测农田生产潜力,并评估不同农业管理方案的效果。

4 结 论

互动展示技术在农业上的应用空间非常广泛。目前互动技术能够达到的效果也比较突出。互动展示方式在农业中虽具有广阔的应用前景,但目前在农业实践中的普及程度仍然有限。这与专业限制、技术成本、农村地区的基础设施和数字鸿沟等因素有关。因此,进一步推广和普及互动展示方式在农业中的应用,需要政府、农业机构以及农业科技与媒体专业人员的合作,打破相关的壁垒,为农业从业者、农业科研机构提供相关支持。

互动展示促进受众之间的交流和合作。受众可以共同参与互动活动,进行讨论、分享意见和经验,增强彼此之间的互动和合作能力。这种互动性有助于建立更加积极的学习氛围,激发受众的思考和创造力,从而提高农业种植、科研、教育和培训的档次和水平。