【摘要】：花卉植物可視化是現(xiàn)代數(shù)字林業(yè)研究中不可或缺的組成部分,從早期的花卉植物模型構(gòu)建到花卉植物形態(tài)模擬,已經(jīng)形成了比較完善的研究體系。隨著人機(jī)交互的全面普及,人們不再滿足于簡(jiǎn)單的花卉植物展示功能,而將研究重心轉(zhuǎn)向可視化交互功能的實(shí)現(xiàn),提出了各種各樣基于交互的花卉植物可視化系統(tǒng)。然而,這一類系統(tǒng)主要通過簡(jiǎn)單的二維或三維人機(jī)交互來實(shí)現(xiàn)部分模型參數(shù)的改變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬植物的模擬,缺少人為的主動(dòng)介入。如何基于不斷發(fā)展的人機(jī)交互技術(shù),超越現(xiàn)有的簡(jiǎn)單交互方式,擴(kuò)展花卉植物可視化交互的深度和維度,成為了新的研究熱點(diǎn)。隨著近年來體感交互相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展和花卉植物可視化仿真技術(shù)研究的不斷深入,針對(duì)現(xiàn)有基于交互的花卉植物可視化系統(tǒng)中存在的問題,在分析了體感交互技術(shù)在林業(yè)工程領(lǐng)域應(yīng)用的可行性后,本文提出了基于體感交互的花卉植物交互式可視化方法及其研究框架,并給出了基于體感交互的花卉植物交互式可視化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)建立基于體感交互的花卉植物交互式可視化系統(tǒng)所面臨的“虛擬手精確抓取”和“動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別”兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,主要的研究?jī)?nèi)容如下:(1)提出了基于體感交互的花卉植物交互式可視化實(shí)現(xiàn)方法,即通過對(duì)人手的感知,采用虛擬手和動(dòng)態(tài)手勢(shì)在Unity3D提供的三維虛擬場(chǎng)景中直接對(duì)花卉植物進(jìn)行操縱的方法。相比現(xiàn)行的基于交互的花卉植物可視化系統(tǒng),本文將體感交互技術(shù)與花卉植物可視化模擬緊密結(jié)合,在實(shí)現(xiàn)平臺(tái)、人機(jī)交互與花卉植物可視化展示等方面實(shí)現(xiàn)了沉浸化,為花卉植物可視化交互提供了全新的思路與維度體驗(yàn)。(2)針對(duì)虛擬手與花卉植物交互存在的精確抓取問題,本文構(gòu)建了適用于花卉植物可視化交互的Leap Motion虛擬手模型,并提出了一種基于虛擬手的精確抓取交互方法。首先通過對(duì)真實(shí)手與虛擬手之間的姿態(tài)映射及其兩者的碰撞檢測(cè)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了虛擬手的實(shí)時(shí)交互模擬;其次提出了基于物理和視覺信息相結(jié)合的抓取算法,能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定的抓取花卉植物模型;最后根據(jù)人手運(yùn)動(dòng)學(xué)約束對(duì)虛擬手與物體的相互穿透進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了虛擬手的精確抓取交互。(3)針對(duì)花卉植物可視化交互過程中的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別問題,本文利用Leap Motion作為輸入設(shè)備,提出了一種改進(jìn)HMM-PSO算法的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別方法。首先利用兩個(gè)Leap Motion從不同角度獲取人手運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理;其次構(gòu)建了一種適應(yīng)于花卉植物可視化交互的新特征向量;最后利用改進(jìn)的HMM-PSO分類器進(jìn)行動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別。本文的改進(jìn)方法能夠高效、準(zhǔn)確的識(shí)別手勢(shì),并實(shí)時(shí)操作花卉植物進(jìn)行模擬,滿足了花卉植物交互式可視化系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。為驗(yàn)證基于體感交互的花卉植物交互式可視化方法的可行性和有效性,選擇Unity3D這一成熟的開發(fā)引擎、結(jié)合體感設(shè)備Leap Motion和Oculus Rift搭建了虛擬場(chǎng)景和展示平臺(tái),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)。經(jīng)用戶測(cè)試表明,采用虛擬手抓取交互和動(dòng)態(tài)手勢(shì)交互的結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維虛擬環(huán)境中的花卉植物直接交互以及沉浸式立體可視化展示。本文的研究解決了建立花卉植物交互式可視化系統(tǒng)所面臨的“虛擬手精確抓取”與“動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別”兩個(gè)關(guān)鍵問題,為推進(jìn)花卉植物模擬向可視化交互方向發(fā)展,提高花卉植物可視化模擬提供了新的思路和方法,也為林業(yè)工程與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【圖文】：

２基于體感交互的花卉植物交互式可視化系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)逡逑的可行性，并有效減少虛擬手與花卉植物之間的滲透。基于體感設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)集提逡逑新的特征向量作為手勢(shì)識(shí)別輸入，結(jié)合改進(jìn)ＨＭＭ－ＰＳＯ算法對(duì)ＨＭＭ參數(shù)進(jìn)行優(yōu)逡逑化，最終提高動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效、逼真的花卉植物交互式可視化過逡逑仿真。逡逑（４）可視化應(yīng)用層主要是在實(shí)際工程中有效應(yīng)用本文提出的方法，在花卉植物逡逑可視化的構(gòu)建過程中，主要包括虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)交互效果的渲染和花卉植物可視化交互逡逑模型操控兩項(xiàng)任務(wù)。逡逑基于上述四層的功能描述，設(shè)計(jì)了最終的框架，具體如圖２－２所示。逡逑

基于體感交互的花卉植物交互式可視化關(guān)鍵技術(shù)研宄逡逑２．２．３系統(tǒng)仿真工作流程逡逑本文提出的系統(tǒng)通過Ｌｅａｐ邋Ｍｏｔｉｏｎ手勢(shì)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)在檢測(cè)到相應(yīng)用戶執(zhí)行的某個(gè)逡逑交互手勢(shì)后，，觸發(fā)具體操作任務(wù)。具體流程如下圖２－３所示。逡逑Ｉ邐邐邐邐邐—邐，逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S712

【參考文獻(xiàn)】

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1 張毅;姚圓圓;羅元;;基于B參數(shù)的改進(jìn)HMM動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別算法[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年S1期

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本文編號(hào)：2650326