本文關(guān)鍵詞：基于Kinect的虛擬果樹(shù)交互式修剪研究

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【摘要】：果樹(shù)修剪是果樹(shù)管理過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù),可以有效促進(jìn)果樹(shù)生長(zhǎng),保持良好樹(shù)體結(jié)構(gòu),提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)。目前,新一代果農(nóng)和果樹(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)果樹(shù)修剪技術(shù)多通過(guò)書(shū)籍、視頻、科技人員指導(dǎo)等,然而,果樹(shù)修剪技術(shù)性強(qiáng)、修剪方法靈活,且其不可逆性決定了初學(xué)者少有機(jī)會(huì)實(shí)際操作,難以掌握正確的修剪方法。因此,研究并設(shè)計(jì)一個(gè)方便直觀、易于操作、過(guò)程可逆的果樹(shù)修剪訓(xùn)練平臺(tái)具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文在分析傳統(tǒng)果樹(shù)修剪技術(shù)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上,引入Kinect體感設(shè)備,研究虛擬果樹(shù)枝條快速修剪方法、自然人機(jī)交互技術(shù)在虛擬果樹(shù)修剪上的實(shí)現(xiàn)方法,開(kāi)發(fā)基于手勢(shì)交互的虛擬果樹(shù)修剪系統(tǒng)。本文的主要工作和結(jié)論如下:(1)虛擬果樹(shù)枝條快速修剪方法研究。分析比較幾種常見(jiàn)三維拾取方法,根據(jù)已有三維果樹(shù)模型特點(diǎn)及虛擬果樹(shù)修剪對(duì)拾取精度的需求,提出一種結(jié)合幀緩沖區(qū)對(duì)象的射線拾取方法。首先通過(guò)創(chuàng)建幀緩沖區(qū)對(duì)象,構(gòu)建用戶不可見(jiàn)的虛擬屏幕,獲取選中枝干單元索引,然后計(jì)算該枝干單元與拾取射線之間的交點(diǎn),從而得到拾取點(diǎn)的空間位置。最后,結(jié)合拾取點(diǎn)的坐標(biāo)及果樹(shù)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),尋找符合自然剪枝效果的待修剪枝條集合,修改果樹(shù)模型數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了虛擬果樹(shù)枝條的快速、準(zhǔn)確修剪。該方法以空間中的點(diǎn)為拾取精度,且避免了傳統(tǒng)射線拾取法中大量的三維空間物體的求交運(yùn)算,可有效提高運(yùn)算速度與枝條拾取精度。(2)虛擬修剪控制手勢(shì)交互設(shè)計(jì)。結(jié)合虛擬果樹(shù)修剪應(yīng)用需求和人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)了9種虛擬修剪控制手勢(shì)。通過(guò)Kinect獲取人體骨骼數(shù)據(jù),用狀態(tài)機(jī)匹配識(shí)別手勢(shì)類(lèi)型,建立不同手勢(shì)與鼠標(biāo)和鍵盤(pán)事件之間的映射關(guān)系,當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別出用戶手勢(shì)后,根據(jù)控制指令觸發(fā)相應(yīng)操作事件,實(shí)現(xiàn)了控制手勢(shì)交互代替鼠標(biāo)和鍵盤(pán)交互。并針對(duì)光標(biāo)抖動(dòng)造成細(xì)小枝條選擇和修剪失敗的問(wèn)題,提出了骨骼平滑和對(duì)象捕捉的處理方法。(3)虛擬果樹(shù)交互式修剪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文以Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái),使用C++和C#語(yǔ)言完成虛擬果樹(shù)修剪模塊和人機(jī)交互模塊的算法實(shí)現(xiàn),采用WPF框架進(jìn)行系統(tǒng)界面設(shè)計(jì),構(gòu)建了手勢(shì)交互的虛擬果樹(shù)修剪系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含虛擬修剪練習(xí)、果樹(shù)修剪知識(shí)和系統(tǒng)介紹三個(gè)模塊。對(duì)系統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別率和交互實(shí)時(shí)性進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,基于Kinect的虛擬果樹(shù)修剪系統(tǒng)手勢(shì)識(shí)別平均準(zhǔn)確率為97%,手勢(shì)控制指令的響應(yīng)時(shí)間在32.5~193.1ms之間,能夠滿足虛擬果樹(shù)修剪應(yīng)用需求,為初學(xué)者學(xué)習(xí)果樹(shù)修剪技術(shù)提供了一種方便直觀、低成本的新途徑。
【關(guān)鍵詞】：虛擬果樹(shù) Kinect 交互式修剪 人機(jī)交互 虛擬現(xiàn)實(shí)
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S66;S224
【目錄】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-19
• 1.1 研究背景和意義11-12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 虛擬植物研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 虛擬植物修剪研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.3 人機(jī)交互研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 虛擬果樹(shù)修剪亟待解決的問(wèn)題15-16
• 1.4 研究?jī)?nèi)容16
• 1.5 研究方法及技術(shù)路線16-17
• 1.5.1 研究方法16
• 1.5.2 技術(shù)路線16-17
• 1.6 論文組織結(jié)構(gòu)17-19
• 第2章 虛擬果樹(shù)修剪方法研究19-30
• 2.1 三維果樹(shù)模型19-20
• 2.2 OpenGL三維渲染理論20-21
• 2.3 拾取技術(shù)分析21-22
• 2.4 枝條拾取與修剪方法22-29
• 2.4.1 基于幀緩沖區(qū)對(duì)象的枝干單元拾取23-25
• 2.4.2 射線法求取拾取點(diǎn)25-26
• 2.4.3 枝條修剪方法26-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 第3章 虛擬果樹(shù)修剪人機(jī)交互設(shè)計(jì)30-42
• 3.1 Kinect相關(guān)技術(shù)30-32
• 3.1.1 Kinect結(jié)構(gòu)30
• 3.1.2 Kinect骨骼信息的獲取30-32
• 3.1.3 Kinect開(kāi)發(fā)接口32
• 3.2 虛擬果樹(shù)修剪人機(jī)交互方案設(shè)計(jì)32-34
• 3.3 手勢(shì)識(shí)別方法研究34-37
• 3.3.1 手勢(shì)識(shí)別方法分析34-36
• 3.3.2 基于狀態(tài)機(jī)匹配的手勢(shì)識(shí)別36-37
• 3.4 模擬鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作37-39
• 3.5 骨骼平滑與對(duì)象捕捉39-41
• 3.5.1 骨骼運(yùn)動(dòng)的平滑39-40
• 3.5.2 三維對(duì)象捕捉40-41
• 3.6 本章小結(jié)41-42
• 第4章 虛擬果樹(shù)交互式修剪實(shí)現(xiàn)與分析42-57
• 4.1 軟硬件環(huán)境42
• 4.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)42-44
• 4.2.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)42-43
• 4.2.2 虛擬果樹(shù)修剪系統(tǒng)流程43-44
• 4.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)44-53
• 4.3.1 虛擬果樹(shù)修剪模塊實(shí)現(xiàn)44-45
• 4.3.2 人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)45-47
• 4.3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及應(yīng)用實(shí)例47-53
• 4.4 系統(tǒng)性能試驗(yàn)與結(jié)果分析53-56
• 4.4.1 試驗(yàn)條件53
• 4.4.2 手勢(shì)識(shí)別正確率試驗(yàn)53-55
• 4.4.3 交互實(shí)時(shí)性試驗(yàn)55-56
• 4.5 本章小結(jié)56-57
• 第5章 結(jié)論與展望57-60
• 5.1 結(jié)論57
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)57
• 5.3 展望57-60
• 參考文獻(xiàn)60-65
• 致謝65-66
• 作者簡(jiǎn)介66

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