【摘要】：花卉植物可視化是現(xiàn)代數字林業(yè)研究中不可或缺的組成部分,從早期的花卉植物模型構建到花卉植物形態(tài)模擬,已經形成了比較完善的研究體系。隨著人機交互的全面普及,人們不再滿足于簡單的花卉植物展示功能,而將研究重心轉向可視化交互功能的實現(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)主要通過簡單的二維或三維人機交互來實現(xiàn)部分模型參數的改變,從而實現(xiàn)對虛擬植物的模擬,缺少人為的主動介入。如何基于不斷發(fā)展的人機交互技術,超越現(xiàn)有的簡單交互方式,擴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。隨著近年來體感交互相關技術的快速發(fā)展和花卉植物可視化仿真技術研究的不斷深入,針對現(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在林業(yè)工程領域應用的可行性后,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)的總體設計。在此基礎上,對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“動態(tài)手勢識別”兩項關鍵技術進行了深入研究,主要的研究內容如下:(1)提出了基于體感交互的花卉植物交互式可視化實現(xiàn)方法,即通過對人手的感知,采用虛擬手和動態(tài)手勢在Unity3D提供的三維虛擬場景中直接對花卉植物進行操縱的方法。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與花卉植物可視化模擬緊密結合,在實現(xiàn)平臺、人機交互與花卉植物可視化展示等方面實現(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。(2)針對虛擬手與花卉植物交互存在的精確抓取問題,本文構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。首先通過對真實手與虛擬手之間的姿態(tài)映射及其兩者的碰撞檢測優(yōu)化實現(xiàn)了虛擬手的實時交互模擬;其次提出了基于物理和視覺信息相結合的抓取算法,能夠準確、穩(wěn)定的抓取花卉植物模型;最后根據人手運動學約束對虛擬手與物體的相互穿透進行了優(yōu)化,實現(xiàn)了虛擬手的精確抓取交互。(3)針對花卉植物可視化交互過程中的動態(tài)手勢識別問題,本文利用Leap Motion作為輸入設備,提出了一種改進HMM-PSO算法的動態(tài)手勢識別方法。首先利用兩個Leap Motion從不同角度獲取人手運動數據并進行數據融合處理;其次構建了一種適應于花卉植物可視化交互的新特征向量;最后利用改進的HMM-PSO分類器進行動態(tài)手勢識別。本文的改進方法能夠高效、準確的識別手勢,并實時操作花卉植物進行模擬,滿足了花卉植物交互式可視化系統(tǒng)的人機交互功能。為驗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、結合體感設備Leap Motion和Oculus Rift搭建了虛擬場景和展示平臺,設計并實現(xiàn)了原型系統(tǒng)。經用戶測試表明,采用虛擬手抓取交互和動態(tài)手勢交互的結合,可實現(xiàn)對三維虛擬環(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“動態(tài)手勢識別”兩個關鍵問題,為推進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)實相結合的研究奠定了堅實的基礎。
【圖文】：

２基于體感交互的花卉植物交互式可視化系統(tǒng)框架設計逡逑的可行性，并有效減少虛擬手與花卉植物之間的滲透�；隗w感設備獲取的數據集提逡逑新的特征向量作為手勢識別輸入，結合改進ＨＭＭ－ＰＳＯ算法對ＨＭＭ參數進行優(yōu)逡逑化，最終提高動態(tài)手勢識別效率，實現(xiàn)實時、高效、逼真的花卉植物交互式可視化過逡逑仿真。逡逑（４）可視化應用層主要是在實際工程中有效應用本文提出的方法，在花卉植物逡逑可視化的構建過程中，主要包括虛擬場景實時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任務。逡逑基于上述四層的功能描述，設計了最終的框架，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鍵技術研宄逡逑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手勢驅動，系統(tǒng)在檢測到相應用戶執(zhí)行的某個逡逑交互手勢后，，觸發(fā)具體操作任務。具體流程如下圖２－３所示。逡逑Ｉ邐邐邐邐邐—邐，逡逑
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S712

【參考文獻】

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1 張毅;姚圓圓;羅元;;基于B參數的改進HMM動態(tài)手勢識別算法[J];華中科技大學學報(自然科學版);2015年S1期

2 劉瑤;余旭;黃智興;;基于Kinect傳感器的動態(tài)手勢實時識別[J];西南大學學報(自然科學版);2015年08期

3 胡弘;晁建剛;林萬洪;楊進;熊穎;;Leap Motion虛擬手構建方法及其在航天訓練中的應用[J];載人航天;2015年03期

4 龐小月;郭睿楨;姚乃W

本文編號：2650326