農業互動展示技術研究

夏立偉

(成都大學中國-東盟藝術學院影視與動畫學院,成都 610081)

互動展示是集信息展示、交流互動、體驗展示于一體的現代展示平臺,在農業上的應用正得到廣泛關注?；诱故就ㄟ^現代人工智能技術和互動元素為農業研究、農業普及、農業推廣和養殖加工等提供直觀生動的展示和傳播途徑[1]。由于農業科技人員專業、制作成本及技術、數據鴻溝等因素的限制,互動展示目前在農業上的應用普及不夠,制約了智慧農業的發展和農業信息的交流。隨著制作技術的逐步發展,提高用戶參與度和精準個性化體驗,搭建農業與互動設計及制作之間的橋梁,讓更多的農業科技工作者、農業院校師生及農戶了解基于最新互動技術集成的互動展示,對于促進農業交流、助力農業科技成果展示、普及現代化農業知識和推動農業創新發展具有重要作用[2]。農業互動展示技術是系統工程,涉及互動數據、數據可視化、虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、混合現實(MR)、3D打印、動畫等技術[3]。農業互動展示制作流程較復雜,包括確定目標和內容、規劃展示流程和順序、互動元素的選擇(如觸摸屏、投影互動、體感及聲控互動)測試和優化及持續完善改進,最終設計出一個趣味性和科技性相結合的農業互動展示[4]。

1 互動展示技術的類型

1.1 虛擬現實和增強現實技術

互動展示通過利用全新互動元素提供與農業相關的信息、科學、技術及成果等,更加直觀而生動的展示和傳達,使受眾身臨其境的漫游和了解全過程。涉及的技術包括交互式換型、觸摸屏展示、遠程監控、虛擬現實(Virtual reality)和增強現實(Augmented reality)等[5]。受眾可通過互動展示親身體驗種植、養殖、管理、農產品的營銷和推廣。將農產品的生長環境、生產過程、質量保障體系等信息直觀展示給消費者,使消費者直接了解農產品背后的故事,建立對產品的信任和認同,提高對農產品的購買意愿。

1.2 數據可視化技術

數據可視化(Data visualization)通過將圖表、圖形、地圖等可視化工具,將數據轉化為可視化形式,幫助受眾更好地理解和接受數據的來源和處理過程。其目標是通過視覺表達方式將復雜且零散的數據模式、趨勢和關系表現出來,使數據更直觀,易于理解和分析[6]。如通過整理分類,分析作物生長數據、土壤水分、養分數據、氣候生態數據、防病蟲施藥記錄等。數據可視化有效推進用戶進行精細化的農業管理,助力消費者了解市場走向和預測,以便做出更明智的農產品銷售和采購決策。數據可視化還可促進團隊成員之間有效溝通和知識分享(圖1)。使用傳感器、衛星圖像、氣候和生長數據等信息模擬農作物生長并將其可視化,可監測作物的生長狀態、病蟲害、水肥現狀,從而采取相應的措施提高農產品的產量和品質。

圖1 農業中的數據可視化Fig.1 Data visualzation in agriculture

1.3 人工智能技術(AI)

人工智能技術可提高勞動生產率、資源利用率和土地產出率,增強農業抗風險能力,促進傳統農業向現代化農業的跨越。AI通過分析需求及用途快速生成相應的順序建模,服務于作物遺傳育種、土壤及成分檢測、農田灌溉用水分析、病蟲害識別及預警[7]。以作物育種為例,AI通過將優良品種的性狀構建分類模型,育種工作者按模型實施,從而有效預期種子產量和品質,并通過田間種植逐個完善模型,修正誤差,提前鑒定品種優劣,提高育種成功率。

1.4 數字動畫技術

數字動畫技術使用計算機生成的圖形和動畫來模擬現實世界中的運動和行為。數字動畫主要解決互動展示中的“動”,能夠通過視覺、動態等方面的優勢,創造出更具吸引力和教育性的展示體驗?；又械慕巧?、農作物、生態景觀和環境元素也可使用數字動畫來賦予其活力,從而創造出更具沉浸感的農業互動世界。

2 互動展示技術的流程

2.1 數據收集及應用

用無人機、智能傳感器、物聯網等信息技術收集農業相關數據并進行分析、整理(圖2)。通過收集數據并分析,再將數據轉化成圖表或其他可視化形式。受眾可直接參與數據互動展示,如使用觸摸式控制器等設備進行體驗。以往在農業方面的互動體驗項目,要做到數據的實時收集和應用較困難,隨著通訊技術及設備的快速發展,互動體驗已經成為信息及數據交流的未來趨勢[8]。

圖2 農業互動展示數據采集及處理Fig.2 Data collection and processing of agricultural interactive display

2.2 制作流程

農業互動展示的整套制作流程極為復雜,分為前期、中期和后期(圖3)。最重要的是前期設計,如何設計出一個富有互動性、趣味性同時兼顧嚴謹性和準確性,又能吸引受眾產生強烈參與感的展示尤為重要。制作者可以根據數據資源和目標受眾的特點,有針對性的定制設計[9]。

圖3 農業互動展示制作流程Fig.3 Production process of agricultural interactive display

2.2.1 確定受眾群體及展示內容與流程 首先,確定目標受眾,例如學生、農民、農業科技工作者或一般公眾,了解目標受眾的背景、興趣和期望,有助于確定合適的內容及互動方式。選擇相關主題,確保它有足夠的吸引力和實用性,針對受眾的需求和興趣決策展示內容。明確展示目標和想傳達的信息,通過這些信息期望觸發受眾的相應反應[10],如農業機械、可持續農業、農業科技創新、有機農業等。利用互動元素激發受眾的參與,通過展示的各個環節將受眾引導到目標上。然后根據選擇的主題和交互形式,設計相關的展示內容,包括信息圖表、視頻展示、案例研究、實地參觀、實物展示等,確保內容可視化且容易讀取,能夠傳達主題和目標。其次,規劃展示的流程和時間,確保參觀者可以定時地按照一定的次序進行觀賞,了解和體驗每個環節[11]。同時,也要給予參觀者一定的自由度,讓他們根據自己的興趣選擇參與的內容。如在制作相關農業機械體驗項目時,考慮到受眾可能為農業機械專業的學生,主要目標是在“學”和“用”上,所以在設計項目內容及流程時,涵蓋了介紹、實際操作、考核、后期保養等全流程(圖4)。

圖4 基于學生的農業植保機互動體驗的內容設計Fig.4 Content design for interactive experience of agricultural drone

2.2.2 選擇互動元素、形式和設備 首先,根據目標和內容選擇合適的互動元素,包括觸摸屏、投影互動、體感互動、聲音互動等,確保選擇的互動元素能夠與展示內容有機地結合。其次,確定展示的交互形式,包括觸摸屏幕互動、虛擬現實(VR)或增強現實(AR)體驗、模型展示、游戲化體驗等[12]。通過多種形式組合增加受眾的參與度和吸引力?？紤]受眾與互動元素的交互方式,確保操作簡單明了,并且與展示內容緊密配合。盡量使互動過程流暢自然,讓受眾能夠輕松參與并理解,增強互動體驗感。激發受眾的參與感是互動展示的關鍵。通過設計互動環節,讓受眾能夠積極參與,例如提供選擇、答題、小測驗、投票、DIY體驗、實時反饋等方式。確保受眾在互動過程中感到有趣、有挑戰性和有成就感。在筆者參與的農業機械互動體驗項目中,采用虛擬現實(VR)的互動展示方式,體驗不受季節、天氣、場地等影響。用戶在體驗時足不出戶,就能學到相關知識,體驗到相應的互動(圖5)[13]。

圖5 移栽機的虛擬現實(VR)互動展示及體驗Fig.5 Virtual reality interactive display and experience of transplanting machines

2.2.3 視覺設計 互動體驗中有大量圖形、界面及動畫設計,針對農業的互動體驗在視覺化設計上除了美觀、有實景感外,最重要的是嚴謹性和科學性。在二維方面,設計出符合目標的互動展示外觀和交互元素,包括平面設計、圖形設計、用戶界面設計等。進行創意生成和草圖階段,如手繪草圖、線框圖、頁面布局等,以便快速提出不同的設計方案?；诓輬D創建靜態或交互式的視覺設計?；又械挠脩艚缑嬉部墒褂脭底謩赢媮碓黾咏贿\動感和交互性,例如按鈕點擊、界面切換就可用動態展現[14]。制作者通過最常用的Adobe設計工具,如Adobe Photoshop、Illustrator等,也可使用Sketch、Adobe XD、Figma、 InVision等來完成。創建視覺元素,如圖標、背景、顏色方案等,確保設計風格與所選擇的農業互動目標保持一致[15]。在三維方面,選擇相應的軟件應用程序進行數字化設計和制作,涉及3D建模、圖形渲染等。實際互動展示項目的視覺設計及制作階段,需考慮農業科技內容的嚴謹性和科學性。視覺呈現的內容需要能夠最大限度還原原物,可通過制作三維模型(圖6),在保證足夠細節的同時,盡量做到在三維空間里還原原物。

圖6 相關農業機械項目三維模型Fig.6 3D model of agricultural machinery project

圖7 互動展示中植物的三維模型及布線Fig.7 3D model and meshes of plants in interactive display

農業互動展示的視覺內容中三維部分需要優化模型,以引擎為基礎的三維模型面數不宜過多。如面數過多會影響引擎、硬件的運行速度,最終影響互動體驗的流暢度。內容設計和制作者需要根據互動展示中使用的引擎及硬件針對模型優化層面做出合理的判斷和規劃[16]。

農業機械視覺設計同時還要做到簡單、明確,讓受眾能夠在最短時間內讀取相關信息。視覺呈現上對相關內容的構圖、比例、色彩、識別度等都應有比較嚴格的要求。在條件允許的情況下,也可對部分視覺內容進行實拍(圖8)。使用360度全景攝像機拍攝全景視頻素材,再導入到引擎加入互動元素(圖9)。

圖8 互動展示農機項目中的操作提示界面 Fig.8 Interactive display of operation prompt interface in agricultural machinery projects

圖9 VISTA360攝像機拍攝農機作業過程全景視頻Fig.9 VISTA360 camera shooting panoramic video of agricultural machinery operation process

2.2.4 引擎的使用 互動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,同時具有連接前期設計和后期體驗的重要功能。Unity是一款廣泛使用的跨平臺游戲引擎,適用于游戲開發、虛擬現實和增強現實。Unity提供了強大的工具和功能,可用于創建各類型的互動展示,包括互動、模擬器和虛擬現實體驗等。Unreal是另一款流行的游戲引擎,也被廣泛應用于互動展示領域,此引擎具有出色的圖形渲染能力和物理模擬系統,適用于農業科技領域,如創建逼真的虛擬場景和互動體驗。引擎可提供豐富的功能和工具,使制作者能夠創造出具有較強交互性的互動展示。至于引擎的選擇則取決于項目需求、開發者技術經驗和預期目標[17]。目前交互項目多以Unity和Unreal引擎為主,但是部分軟件也可以達到簡單的互動展示效果,如:PowerPoint、 Keynote、 Adobe Captivate、 Emaze、 Haiku Deck等。

將視覺層面設計出的元素導入引擎,引擎支持大部分圖形軟件創建出的圖片、影像、三維模型、角色綁定及動畫數據。引擎已自帶互動展示方面的開發框架,如Unity中的MVC(模型Model、視圖View、控制Ctrl)模式,就是一種可視化與組件化開發的工具,可在框架上導入內容并進行定制及修改。而Unreal中的藍圖(Blueprint)也是一種可視化腳本語言,它不需要編寫任何C++代碼,只需要將不同功能的藍圖節點連接起來,就能實現互動方面絕大部分的功能(圖10)[18]。 數字動畫數據也可以導入引擎中,可與受眾的操作進行交互,例如受眾操控角色、農業機械時的動作反應、實時的環境變化等。

圖10 Unreal引擎里的藍圖Fig.10 The blueprint in the unreal engine

受益于引擎中已有的開發框架,互動展示中編程的工作量并不大。在特殊要求及特定環境下,可以定制程序內容。在相應的引擎場景中創建對象,例如角色、按鈕或觸發器,同時確保該對象擁有所需的組件,如碰撞(Collider)或按鈕組件(Button),通過編寫代碼檢測用戶輸入。又如,受眾通過點擊按鈕與農業方面的內容進行交互,就可編寫代碼檢測鼠標點擊事件;在檢測到輸入后,可編寫邏輯處理交互。受眾點擊按鈕,可編寫代碼來執行相應的操作,如啟動互動體驗、打開菜單或觸發特定動作;在引擎中創建UI按鈕,確保具有按鈕組件,創建一個C#腳本并將其附加到按鈕對象上。在腳本中,使用引擎的事件系統來檢測按鈕點擊事件,并編寫交互邏輯等。

農業互動展示在引擎上的運用需注意2個細節:一是農業互動展示一般需要較為廣闊的三維空間,如在農業規劃和生態展示時,會出現大面積的地形、地貌,引擎在處理此類情況時具備較強的優勢,能夠在非常廣闊的空間流暢體驗。目前主流的地形制作軟件制作出的地形數據信息,如模型、貼圖等也能輕松導入引擎,進行使用(圖11)[19]。二是目前主流引擎都有較完善的資產庫(圖12),內容涵蓋場景、工具、道具、植被、地形、動畫等。資產庫的合理利用能夠大大降低農業互動展示制作的時間及成本(圖13)。

圖12 Unreal引擎里的Quixel Bridge資產庫 Fig.12 Quixel bridge assets in Unreal engine

圖13 資產庫中常用的農作物Fig.13 The common crops in the asset library

其他層面的互動感受,如聽覺(配音、音樂、音效)、嗅覺、觸覺等也較重要。比如聽覺主要通過導入音頻文件,通過程序出發,互動會伴隨相應的聲音;觸覺等主要通過程序與硬件設備的配合等。

2.2.5 軟、硬件接口 軟、硬件接口是制作農業互動展示中期技術又一道程序。通過軟件和硬件的結合,創造出具有互動性和參與感的展示方式。軟硬件對接是將軟件和硬件設備進行連接和交互,實現功能協同。首先,需要準備適合互動展示的硬件設備,比如虛擬現實頭盔、手柄、傳感器等。硬件設備通常與計算機或服務器連接,以便進行數據交互和處理。制作者使用編程語言和開發工具創建軟件,以實現展覽、展示和互動。硬件設備和軟件之間需要進行數據傳輸和處理。例如,虛擬現實頭盔通過傳感器獲取用戶的動作和位置信息,然后傳輸給計算機進行處理。計算機根據接收到的數據,將用戶的動作轉化為相應的展示效果。通過軟硬件對接,展示可以實現用戶的交互,用戶通過手柄、手勢或其他輸入方式與展示進行互動。例如,用戶可使用手柄進行虛擬環境中的操作,比如操作農機、移動角色等[20]。

2.2.6 測試和優化 測試和優化是農業互動展示制作后續技術。展示前必須進行充分的測試和優化,其目的在于強化測試互動元素的功能和穩定性,確保它們能夠按預期實現效果[21]。收集觀眾的反饋,并根據反饋做出必要的改進。在展示現場,提供清晰的指導和支持,幫助受眾理解和參與互動環節。通過培訓工作人員,確保他們能夠解答觀眾的問題并提供幫助。例如,如果使用觸摸屏幕或VR/AR體驗,需要提供相應的設備和軟件支持,確保設備正常運行,并有足夠的工作人員提供技術支持[22]。收集互動展示期間的數據,如參與人數、觀眾反饋等。評估展示的效果,與預設的目標進行比對。這些數據有助于制作者了解展示的成功程度,并為后續的改進和完善提供參考。隨著時間推移,不斷改進和更新展示內容和互動形式,保持對新的農業技術和趨勢的關注,以便保持展示的新穎度和吸引力。

3 互動展示的特點及在農業領域的應用前景

3.1 互動展示的優勢

互動展示可以提高受眾,特別是農業專業學生以及農戶的參與度。通過吸引受眾的注意力,激發受眾的興趣,讓他們積極參與展示,從而增強他們對農業互動展示的理解和記憶,營造一個充滿趣味和知識的農業類互動參觀體驗。

提供定制化和個性化體驗。因為農業類專業較多,涵蓋內容較廣,所以需要對內容、互動形式等進行定制化和個性化設計。受眾可自主選擇感興趣的內容進行深入了解,或者根據自己的喜好和需求進行互動及定制化體驗[23]。

提供多種多樣的體驗形式和效果?；诱故就ㄟ^技術和創意,創造出多種多樣的體驗形式和效果,使受眾感覺自己置身于展示內容之中,這點對于農業類互動項目尤為重要。例如,通過虛擬現實(VR)、增強現實(AR)技術或混合現實(MR)技術,受眾可以身臨其境地參觀虛擬農業示范基地、農業科研院所、農場等,與虛擬對象進行互動,增強感官體驗和情感共鳴。

提升體驗者的記憶效果。實踐是農業類互動展示至關重要的環節。通過受眾的積極參與和實踐操作,提升其對展示內容的記憶效果。通過親身體驗和實際操作,受眾更容易記住和理解所學的知識和信息,也可使農業院校學生和農業技術受訓人員更深入地參與實踐過程[24]。

促進交流和合作。農業類互動展示可以促進受眾之間的交流、合作。受眾可以共同參與互動活動,進行討論、分享意見和經驗,增強彼此之間的互動和合作能力。這種互動性有助于建立更加積極的學習氛圍和體驗感,激發受眾的思考和創造力。

3.2 農業互動展示的應用前景

促進農業科技創新?；芋w驗技術在農業科研中發揮著重要作用。研究人員可使用模擬環境進行實驗和觀察,研究作物生長、病蟲害防控和氣候變化對農田的影響,從而有助于加快科學發展和創新在農業實踐中的實際應用。

實施農田規劃和管理。農業人員利用互動體驗技術模擬不同的農田規劃和管理方案,通過虛擬環境觀察和調整不同作物的種植布局、灌溉系統和施肥計劃,以優化產量和資源利用效率。利用地理信息系統(GIS)和遙感數據及數字可視化工具幫助農業專業人員分析土壤樣本數據,并生成可視化圖表和地圖,以展示土壤的養分含量、pH、濕度等信息。這些互動性的可視化工具能夠幫助種植戶更好地了解土壤狀況,制定更有效的管理策略,如施肥計劃、灌溉方案等。有機農業、農業廢物管理和資源回收利用等方面合理的規劃和管理,還可以促進環境保護和可持續的農業發展[25]。

氣候監測和預測。數字可視化工具整合氣象數據,幫助農民和農業專業人員監測天氣變化,并提供準確的天氣預測。這些工具顯示溫度、降雨量、風速等數據,并通過圖表和動畫展示氣象變化趨勢?；谶@些信息,做出適應性決策,如調整作物種植時間、采取防護措施等。將氣象數據與地理信息相結合,通過可視化方式展示天氣預測結果幫助農業專業人員和農民及時了解未來的氣候變化,合理安排農事活動,減少災害風險。

植物生長監測。利用無人機、衛星圖像和傳感器數據,獲取植物生長的相關信息,并通過可視化方式展示植物的生長狀態、受災情況以及病蟲害分布等,幫助種植戶及時采取措施保護作物。數字可視化工具結合遙感數據和農田傳感器數據展示作物的生長狀況。通過可視化圖表、熱力圖和時序動畫等方式,追蹤作物生長的空間分布和時間變化,這有助于及時發現作物生長狀況、病蟲害侵襲等,并采取相應的措施[26]。農業互動展示還可以根據實際需求,增加農藥殘留檢測和食品安全標準追溯等方面的實時監內容,以確保農產品的安全和品質。

市場信息分析與農產品營銷。利用互動展示,幫助農民和農業企業分析市場需求和趨勢,制定農產品銷售策略。通過可視化展示歷史銷售數據、價格趨勢、消費者行為等信息,做出更明智的決策,如選擇適宜的作物品種、調整生產規模等。將市場價格、需求量等數據進行可視化展示,農民根據市場趨勢進行農產品銷售策略的調整,提高農產品的競爭力。通過應用程序或虛擬展示,消費者可以了解特定農場的生產過程、環保措施和社區參與。這種參與可以增加消費者對農產品的信任和忠誠度。此外,互動技術還可以應用在農村電商平臺、農產品加工和農村旅游等,以推動農村經濟發展和農民收入增加。

農業教育和培訓?；芋w驗提供農業知識和技能的培訓。通過虛擬現實(VR)或增強現實(AR)技術,農業科技工作者和農業專業學生可以參與農業實踐的模擬和互動,了解作物生長過程、災害管理和農業機械操作等?？梢暬夹g用于農業教育和決策支持系統,通過開發交互式的農業可視化工具,向種植戶、農業專家和政策制定者提供直觀的信息展示和決策輔助。這些工具可以幫助用戶理解復雜的農業數據,預測農田生產潛力,并評估不同農業管理方案的效果。

4 結 論

互動展示技術在農業上的應用空間非常廣泛。目前互動技術能夠達到的效果也比較突出?；诱故痉绞皆谵r業中雖具有廣闊的應用前景,但目前在農業實踐中的普及程度仍然有限。這與專業限制、技術成本、農村地區的基礎設施和數字鴻溝等因素有關。因此,進一步推廣和普及互動展示方式在農業中的應用,需要政府、農業機構以及農業科技與媒體專業人員的合作,打破相關的壁壘,為農業從業者、農業科研機構提供相關支持。

互動展示促進受眾之間的交流和合作。受眾可以共同參與互動活動,進行討論、分享意見和經驗,增強彼此之間的互動和合作能力。這種互動性有助于建立更加積極的學習氛圍,激發受眾的思考和創造力,從而提高農業種植、科研、教育和培訓的檔次和水平。