CN112987931B - 一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法 - Google Patents
一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，属于森林经理学技术领域。包括森林经营交互场景和肢体动作模型构建两大方面，森林经营交互类型含有：U I交互、伐木、修枝及补植，虚拟森林经营工具含有：手模型、油锯模型、锄头模型及高枝剪模型，森林经营交互类型与虚拟森林经营工具组成森林经营交互场景，森林经营交互场景与肢体动作模型组成基于肢体动作交互的森林经营交作业模拟，肢体动作模型含有：伐木动作模型、修枝动作模型、补植动作模型及U I交互动作模型。本发明基于虚拟现实与可视化平台CAVE2，模拟场景具有沉浸感强，交互自然的特点，适合交互频繁，交互类型多样的森林经营可视化模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，属于森林经理学技术领域。
背景技术
森林经营是精准提升森林质量的重要手段，在森林生长周期中，合理的森林经营作业对于提升林木干形和森林蓄积量有重要作用。但由于森林生长周期漫长，在现实中开展森林经营模拟较为困难，且实现培训森林经营作业存在一定的安全隐患，而应用计算机模拟森林经营作业能在一定程度上能弥补这些不足。
目前常见的森林经营模拟提供给用户的交互方式较为简单，大多通过键盘、鼠标或手柄进行漫游交互，难以满足森林经营作业方法模拟的交互需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法。
一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法,含有以下步骤：利用CAVE2系统的红外追踪模块，研建应用于森林经营作业模拟的肢体动作交互模型，实现沉浸感强、交互自由的伐木、补植和修枝森林经营作业可视化模拟。
本发明的优点是基于虚拟现实与可视化平台CAVE2，研建了基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，模拟场景具有沉浸感强，交互自然的特点，适合交互频繁，交互类型多样的森林经营可视化模拟。
本发明的基于人机交互的虚拟现实技术为森林经营作业模拟提供了新的思路，在森林经营作业模拟中不仅可以提供逼真的森林环境，而且交互方式形象、直观，使用户身临其境。其中，沉浸式虚拟现实与可视化系统CAVE2具有沉浸感强、交互自由，虚拟仿真范围广，可多人同时观察虚拟场景的特点，在森林经营模拟方面具有较大的优势。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1a森林经营工具之一示意图。
图1b森林经营工具之二示意图。
图1c森林经营工具之三示意图。
图1d森林经营工具之四示意图。
图2虚拟森林场景。
图3森林经营作业模拟。
图4为本发明的基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法总体技术流程图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。
实施例1：如图1a、图1b、图1c、图1d、图2、图3及图4所示，一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法,含有以下步骤：针对现有森林经营可视化模拟存在沉浸感、交互性差的问题，本发明利用CAVE2系统的红外追踪模块，研建应用于森林经营作业模拟的肢体动作交互模型，实现沉浸感强、交互自由的伐木、补植和修枝等森林经营作业可视化模拟。
如图4所示，一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法,含有以下步骤：包括森林经营交互场景和肢体动作模型构建两大方面，森林经营交互类型含有：UI交互、伐木、修枝及补植，虚拟森林经营工具含有：手模型、油锯模型、锄头模型及高枝剪模型，森林经营交互类型与虚拟森林经营工具组成森林经营交互场景，森林经营交互场景与肢体动作模型组成基于肢体动作交互的森林经营交作业模拟，肢体动作模型含有：伐木动作模型、修枝动作模型、补植动作模型及UI交互动作模型。
1.森林经营交互场景包括:
(1)森林经营作业交互类型:
根据森林经营作业交互需求，构建交互类型表，如表1所示。
表1交互类型
| 森林经营作业交互类型 |
| UI交互 |
| 补植 |
| 伐木 |
| 修枝 |
(2)虚拟森林经营工具包括：
根据表1，构建森林经营作业对应的工具模型：手模型(图1a)对应三维UI信息查询，油锯模型(图1b)对应伐木作业，锄头模型(图1c)对应补植作业，高枝剪模型(图1d)对应修枝作业。
2.肢体动作交互模型包括：
(1)UI交互肢体动作模型包括：
UI界面便于直观显示森林信息，是交互式森林经营模拟的重要组成部分，传统的二维UI界面不适用于CAVE2，因此选择三维UI界面来展示林木信息。肢体的上下左右运动与UI选择项的上下左右移动对应；肢体的旋转与UI点击对应。
基于以上分析，构建映射UI操作的肢体动作模型如下。
肢体动作包括：
Dis表示肢体在当前帧的运动距离，
UI_Dis表示肢体运动距离集合；
Dir表示肢体在当前帧的运动方向，
UI_Dir表示肢体运动方向的集合。
UI_Dis+＝[Dis]，
UI_Dir+＝[Dir]，
约束条件：Orientation_Dis(UI_Dis)表示肢体动作在上下左右方向的移动距离，minDis为UI选择项移动需要的最小距离；Rotation_Angle(UI_Dir)判断肢体动作旋转的角度，minAngle为UI按钮点击需要的最小旋转角度。
Orientation_Dis(UI_Dis)＞minDis，
Rotation_Angle(UI_Dir)＞minAngle
(2)伐木肢体动作模型包括：
肢体动作包括：Dis表示肢体在当前帧的运动距离，preDis表示上一帧的距离，Log_FarDis为远离集合，Log_NearDis为靠近集合，Log_AllDis为远离与靠近的集合，Dir为肢体在当前帧的运动方向，Log_Dir为肢体运动方向集合。
Log_FarDis+＝[Dis＞preDis]，
Log_NearDis+＝[Dis＜preDis]，
Log_AllDis+＝[Log_FarDis，Log_NearDis]，
Log_Dir+＝[Dir]
约束条件：Diff(Log_FarDis，Log_NearDis)表示远离集合与靠近集合数据量的差值，maxDiff为允许的数据量最大差值；Num(Log_AllDis)表示肢体动作重复的次数，minNum为需要重复的最少次数；Angle(Log_Dir)表示肢体动作与使用者的角度变化，maxAngle表示允许肢体动作偏离的最大角度。
Diff(Log_FarDis，Log_NearDis)＜maxDiff，
Num(LogAllDis)＞minNum，
Angle(Log_Dir)＜maxAngle。
(3)修枝肢体动作模型包括：
森林经营作业中，修枝是一项十分重要的经营措施，对林木生长和材质有较大的影响，修枝主要使用高枝剪实现。当枝径较小时，可以直接剪落；当枝径较大时，需要进行切割，切割树枝的动作与伐木类似，但不考虑切割的次数。
基于以上分析，构建修枝操作的肢体动作模型如下。
肢体动作包括：Dis表示肢体在当前帧的运动距离，preDis表示上一帧的距离，Prune_FarDis为远离集合，Prune_NearDis为靠近集合，Dir为肢体在当前帧的运动方向，Prune_Dir为肢体运动方向集合。
Prune_FarDis+＝[Dis＞preDis]，
Prune_NearDis+＝[Dis＜preDis]，
PruneDir+＝[Dir]。
约束条件：Diff(Prune_FarDis，Prune_NearDis)表示远离集合与靠近集合数据量的差值，maxDiff为允许的数据量最大差值；Angle(Pruene_Dir)表示肢体动作与使用者的相对角度变化，maxAngle表示允许肢体动作偏离的最大角度；Branch_Size表示枝径；minSize为实施修枝操作需要的最小枝径。
Diff(Prune_FarDis，Prune_NearDis)＜maxDiff，
Angle(Prune_Dir)＜maxAngle，
Branch_Size＞minSize。
(5)补植肢体动作模型包括：
森林经营中，补植点与周围林木需要一定间距；使用锄头工具进行补植时，肢体运动轨迹在空间中近似于抛物线，与使用者的距离先远后近；肢体在空间中与地面的距离减小，肢体与水平面的夹角由正变为负。
基于以上分析，构建补植操作的肢体动作模型如下：
肢体动作包括：Dis表示肢体在当前帧的运动距离，Replant_Dis表示肢体运动距离的集合；Dir表示肢体在当前帧的运动方向，Replant_Dir表示肢体运动方向的集合。
Replant_Dis+＝[Dis]，
Replant_Dir+＝[Dir]。
约束条件：Far2Near(Replant_Dis)判断肢体运动距离使用者是否先远后近；Vertical_Dis(Replant_Dis)判断肢体与地面的距离是否持续减小；Pos2Neg(Replant_Dir)判断肢体与水平面的夹角是否由正变负；Horizontal_Angle(Replant_Dir)表示肢体水平方向角度的最大变化量，maxAngle表示允许肢体在水平方向上的偏离角度；Replant_Time表示种植工具与地面接触时长，minTime为需要接触的最少时长；Replant_Point表示运动轨迹与周围林木的距离，minDis为需要的最小补植间距。
Far2Near(Replant_Dis)，
Vertical_Dis(Replant_Dis)，
Pos2Neg(Replant_Dir)，
Horizontal_Angle(Replant_Dir)＜maxAngle，
Replant_Time＞minTime，
Replant_Point(Repplant_Dis)＞minDis。
实施例2：
一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，含有以下步骤：
步骤1、利用Unity3d渲染引擎，搭建一个待经营作业的虚拟三维森林场景，如图2所示。
步骤2、使用虚拟经营工具，做出对应的肢体动作，执行森林经营作业方法，如图3所示。
步骤3、重复执行个森林经营作业方法18次，统计本发明构建的肢体动作模型的执行效率，统计结果如表2所示。
表2肢体动作映射森林经营措施执行
由表2可知，通过一次肢体动作基本上可以实现森林经营作业，单次作业总体成功率达到86％，各肢体动作模型均可正确映射到森林经营作业方法上。单次完成经营作业的次数：UI交互(18)>补植作业(16)>伐木作业(15)>修枝作业(13)。
从实施案例可以看出，基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法可以有效地执行森林经营作业，与森林仿真场景交互自然，模拟过程形象直观，效果良好。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法,其特征在于含有以下步骤：利用CAVE2系统的红外追踪模块，研建应用于森林经营作业模拟的肢体动作交互模型，实现伐木、补植和修枝森林经营作业可视化模拟，
包括森林经营交互场景和肢体动作模型构建两大方面，森林经营交互类型含有：UI交互、伐木、修枝及补植，虚拟森林经营工具含有：手模型、油锯模型、锄头模型及高枝剪模型，森林经营交互类型与虚拟森林经营工具组成森林经营交互场景，森林经营交互场景与肢体动作模型组成基于肢体动作交互的森林经营交作业模拟，肢体动作模型含有：伐木动作模型、修枝动作模型、补植动作模型及UI交互动作模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，其特征在于肢体动作交互模型包括UI交互肢体动作模型，
UI界面便于直观显示森林信息，是交互式森林经营模拟的重要组成部分，传统的二维UI界面不适用于CAVE2，因此选择三维UI界面来展示林木信息；肢体的上下左右运动与UI选择项的上下左右移动对应；肢体的旋转与UI点击对应；
构建映射UI操作的肢体动作模型如下：
肢体动作包括：
Dis表示肢体在当前帧的运动距离，
UI_Dis表示肢体运动距离集合；
Dir表示肢体在当前帧的运动方向，
UI_Dir表示肢体运动方向的集合；
UI_Dis+＝[Dis]，
UI_Dir+＝[Dir]，
约束条件：Orientation_Dis(UI_Dis)表示肢体动作在上下左右方向的移动距离，minDis为UI选择项移动需要的最小距离；Rotation_Angle(UI_Dir)判断肢体动作旋转的角度，minAngle为UI按钮点击需要的最小旋转角度；
Orientation_Dis(UI_Dis)＞minDis，
Rotation_Angle(UI_Dir)＞minAngle。
3.根据权利要求1所述的一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，其特征在于肢体动作交互模型包括伐木肢体动作模型，
肢体动作包括：Dis表示肢体在当前帧的运动距离，preDis表示上一帧的距离，Log_FarDis为远离集合，Log_NearDis为靠近集合，Log_AllDis为远离与靠近的集合，Dir为肢体在当前帧的运动方向，Log_Dir为肢体运动方向集合；
Log_FarDis+＝[Dis＞preDis]，
Log_NearDis+＝[Dis＜preDis]，
Log_AllDis+＝[Log_FarDis，Log_NearDis]，
Log_Dir+＝[Dir]
约束条件：Diff(Log_FarDis，Log_NearDis)表示远离集合与靠近集合数据量的差值，maxDiff为允许的数据量最大差值；Num(Log_AllDis)表示肢体动作重复的次数，minNum为需要重复的最少次数；Angle(Log_Dir)表示肢体动作与使用者的角度变化，maxAngle表示允许肢体动作偏离的最大角度；
Diff(Log_FarDis，Log_NearDis)＜maxDiff，
Num(LogAllDis)＞minNum，
Angle(Log_Dir)＜maxAngle。
4.根据权利要求1所述的一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，其特征在于肢体动作交互模型包括修枝肢体动作模型，
修枝主要使用高枝剪实现；当枝径较小时，可以直接剪落；当枝径较大时，需要进行切割，切割树枝的动作与伐木类似，但不考虑切割的次数；
构建修枝操作的肢体动作模型如下：
肢体动作包括：Dis表示肢体在当前帧的运动距离，preDis表示上一帧的距离，Prune_FarDis为远离集合，Prune_NearDis为靠近集合，Dir为肢体在当前帧的运动方向，Prune_Dir为肢体运动方向集合；
Prune_FarDis+＝[Dis＞preDis]，
Prune_NearDis+＝[Dis＜preDis]，
Prune_Dir+＝[Dir]；
约束条件：Diff(Prune_FarDis，Prune_NearDis)表示远离集合与靠近集合数据量的差值，maxDiff为允许的数据量最大差值；Angle(Prune_Dir)表示肢体动作与使用者的相对角度变化，maxAngle表示允许肢体动作偏离的最大角度；Branch_Size表示枝径；minSize为实施修枝操作需要的最小枝径；
Diff(Prune_FarDis，Prune_NearDis)＜maxDiff，
Angle(Prune_Dir)＜maxAngle，
Branch_Size＞minSize。
5.根据权利要求1所述的一种基于肢体动作交互的森林经营作业模拟方法，其特征在于肢体动作交互模型包括补植肢体动作模型，
森林经营中，补植点与周围林木需要一定间距；使用锄头工具进行补植时，肢体运动轨迹在空间中近似于抛物线，与使用者的距离先远后近；肢体在空间中与地面的距离减小，肢体与水平面的夹角由正变为负；
构建补植操作的肢体动作模型如下：
肢体动作包括：Dis表示肢体在当前帧的运动距离，Replant_Dis表示肢体运动距离的集合；Dir表示肢体在当前帧的运动方向，Replant_Dir表示肢体运动方向的集合；
Replant_Dis+＝[Dis]，
Replant_Dir+＝[Dir]；
约束条件：Far2Near(Replant_Dis)判断肢体运动距离使用者是否先远后近；Vertical_Dis(Replant_Dis)判断肢体与地面的距离是否持续减小；Pos2Neg(Replant_Dir)判断肢体与水平面的夹角是否由正变负；Horizontal_Angle(Replant_Dir)表示肢体水平方向角度的最大变化量，maxAngle表示允许肢体在水平方向上的偏离角度；Replant_Time表示种植工具与地面接触时长，minTime为需要接触的最少时长；Replant_Point表示运动轨迹与周围林木的距离，minDis为需要的最小补植间距；
Far2Near(Replant_Dis)，
Vertical_Dis(Replant_Dis)，
Pos2Neg(Replant_Dir)，
Horizontal_Angle(Replant_Dir)＜maxAngle，
Replant_Time＞minTime，
Replant_Point(Replant_Dis)＞minDis。
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