-
森林经营是林业研究的重点内容[1-6],目前诸多研究利用计算机模拟森林经营[7-20],既有经营前后的森林状态二维图表对比[7-13],也有森林三维场景经营前后的画面对比[14-19],都能不同程度地表达森林经营的效果。这些相关研究主要利用了计算机计算能力和直观展示效果,较少考虑森林经营中频繁的作业过程的模拟与交互。不同的森林经营目标会采用不同的作业方法[21-27],而实地培训森林经营作业存在一定的安全隐患,且成本高,周期长,受环境影响较大,因此,应用计算机模拟森林经营作业能在一定程度上弥补这些不足。
目前常见的森林景观仿真系统提供给用户侧的交互方式则较为简单,大都通过键盘、鼠标或手柄进行漫游交互,难以满足森林经营作业仿真模拟的各种交互需要。基于人机交互的虚拟现实技术[28-34]为森林经营作业的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,沉浸式虚拟现实系统[34-38]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,在森林经营作业仿真模拟方面具有较大的优势。系统可以利用红外跟踪传感模块实时获取感光物体的空间坐标和方向信息,根据肢体动作的追踪来判断用户的交互需求。本研究利用红外追踪技术,研建应用于森林经营作业仿真模拟的肢体动作交互模型,结合补植、修枝和伐木等作业过程,在森林仿真场景开展森林经营作业试验。
HTML
-
森林经营三维仿真场景基于Unity3D渲染引擎构建,在沉浸式虚拟现实与可视化模拟系统(CAVE2)中显示。CAVE2是目前国际上最新一代的虚拟现实与可视化模拟系统,由显示系统、图形图像处理系统、红外追踪系统、多声道音频系统、中央控制系统等组成,配备偏振光3D眼镜、感光物体和交互手柄等设备。显示系统由72块显示屏拼接而成,形成320度的环形空间,可以展示二维或三维画面,具有分辨率高、沉浸感强等特点。图形图像处理系统由一台主节点和18个分节点组成,进行集群图形图像处理和并行渲染运行。红外追踪系统由10个红外跟踪单元和相关追踪软件组成,红外追踪系统实时获取感光物体的相对距离,获得感光物体的空间坐标和方向。感光物体固定在交互手柄上,通过初始设置,可以将现实中的用户位置和虚拟场景中的摄像头坐标和方向联系起来,实现与场景的漫游交互功能。CAVE2系统组成如图1所示。
-
森林三维仿真场景中,除了由手柄控制的漫游交互类型外,根据林木信息、林分信息等,制定UI信息交互类型;参照中华人民共和国国家标准制定的《森林抚育规程》[38],《森林采伐作业规程》[39]和《造林技术规程》[40],选择用户侧交互性强的经营措施,如目标树选择、补植等,制定森林经营措施交互类型。具体交互类型如表1所示。
UI信息交互类型
UI type of information
interaction森林经营措施交互类型
Interaction of forest
management measures查看林木信息
View forest information选择目标树
Select target tree查看林分空间结构信息
View stand spatialstructure information补植 Replanting 查看林分信息
View stand information伐木 Logging 查看森林健康状况
View forest health修枝 Pruning Table 1. Interaction type
-
森林仿真场景为森林场景和森林经营相关工具构建,森林场景构建分为地形建模和林木建模。地形建模:使用30 m分辨率的地形数据(图2a)和纹理数据(图2b)在Unity3D中生成三维地形(图2c)。林木建模:根据森林经营作业仿真模拟的交互需要,以及树木形态结构的多样性特征等因素,构建枝干分离的林木三维基础模型(图2d)。根据林分调查数据(湖南省黄丰桥国有林场某样地,立地指数为18),构建森林仿真场景。
根据表1,构建森林经营作业需要的工具模型:手(图3a)、油锯(图3b)、锄头(图3c)和高枝剪(图3d)。手用于操作UI界面和选择目标树,油锯用于伐木作业,锄头用于补植作业,高枝剪用于修枝作业。
1.1. 沉浸式虚拟现实与可视化模拟系统(CAVE2)
1.2. 森林场景仿真
1.2.1. 森林三维仿真场景交互类型
1.2.2. 森林仿真场景构建
-
将基于Unity3D构建的森林仿真场景导入到CAVE2平台中运行,森林经营仿真场景如图6所示。
为了验证本研究构建的肢体动作能否准确映射到森林经营措施中,是否符合森林经营的作业要求,邀请了15名研究生(10人具有林学背景)和3名涉及森林经营的研究者,使用虚拟经营工具,在仿真场景中根据经营措施做出相应的肢体动作(图7),直至操作成功,统计结果如表2所示。图7a为控制手的移动;图7b为选择后出现的林木信息界面;图7c为油锯模型与树木接触,准备进行伐木操作;图7d为伐木操作完成后,树木倒下;图7e为高枝剪与树枝接触,准备进行修枝操作;图7f为修枝操作完成后,树枝落下;图7g为锄头模型出现,准备进行移植操作;图7h为锄头模型接触地面,出现移植标记点;图7i为锄头离开地面,生成树木模型,移植操作完成。
完成作业需要的次数
Times to complete
the operation伐木
Logging修枝
Pruning补植
ReplantingUI操作
UI operation一次 Once 15 13 16 18 二次 Twice 2 2 2 0 二次以上 More than twice 1 3 0 0 Table 2. Body movement mapping forest management measures implementation
由表2可知,大部分使用者只需做一次肢体动作便可成功完成森林经营作业,单次作业成功率达到86%,各项肢体动作均可正确映射到森林经营措施上。单次完成经营作业的人数:UI操作(18) > 补植(16) > 伐木(15) > 修枝(13)。其中,一次性完成作业人数最少的是修枝动作,有13人,3人需要两次以上。经分析,一是因为树枝的可接触范围小,容易产生接触中断;二是因为肢体动作幅度变化大,有些运动轨迹点会偏离,易造成坐标和方向误判,伐木操作也有类似的问题。补植操作因为涉及到了时间判断,而人们对时间的感受不同,也会造成时间误判。UI操作因为仅需判断手的起点和终点的相对方向,无其他约束条件,单次作业成功率可达100%。
-
将上述研究结果进行森林经营作业仿真模拟评价,评价结果如表3所示。由表3可知,构建的森林经营仿真场景沉浸感强,满足人机交互需要的流畅度;映射经营措施的肢体动作总体表现良好,交互评价良好率达到91%,可以满足森林经营模拟的交互要求。评价最高的是UI交互动作和场景沉浸感,18个使用者均给予良好评价,是完成作业需要次数最少的;评价最低的是映射修枝的肢体动作,仅有14个使用者给予良好评价,是完成作业需要次数最多。总的趋势为完成作业需要的肢体动作次数越少,使用者评价越高。
交互指标
Interaction index良好
Good一般
Fair差
Poor场景沉浸感及流畅度
Scene immersion and fluency15+3 0 0 映射伐木的肢体动作
Mapping the body action to logging14+2 1+1 0 映射修枝的肢体动作
Mapping the body action to pruning13+1 2+2 0 映射补植的肢体动作
Mapping the body action to replanting14+2 1+1 0 UI交互动作
UI interaction action15+3 0 0 Table 3. Evaluation of interactive process of forest management