基于Kinect的虚拟果树交互式修剪研究

发布时间：2017-10-28 05:32

  本文关键词：基于Kinect的虚拟果树交互式修剪研究

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【摘要】：果树修剪是果树管理过程中的关键技术,可以有效促进果树生长,保持良好树体结构,提高果实产量和品质。目前,新一代果农和果树专业学生学习果树修剪技术多通过书籍、视频、科技人员指导等,然而,果树修剪技术性强、修剪方法灵活,且其不可逆性决定了初学者少有机会实际操作,难以掌握正确的修剪方法。因此,研究并设计一个方便直观、易于操作、过程可逆的果树修剪训练平台具有重要应用价值。本文在分析传统果树修剪技术教学方式的基础上,引入Kinect体感设备,研究虚拟果树枝条快速修剪方法、自然人机交互技术在虚拟果树修剪上的实现方法,开发基于手势交互的虚拟果树修剪系统。本文的主要工作和结论如下:(1)虚拟果树枝条快速修剪方法研究。分析比较几种常见三维拾取方法,根据已有三维果树模型特点及虚拟果树修剪对拾取精度的需求,提出一种结合帧缓冲区对象的射线拾取方法。首先通过创建帧缓冲区对象,构建用户不可见的虚拟屏幕,获取选中枝干单元索引,然后计算该枝干单元与拾取射线之间的交点,从而得到拾取点的空间位置。最后,结合拾取点的坐标及果树模型拓扑结构,寻找符合自然剪枝效果的待修剪枝条集合,修改果树模型数据,实现了虚拟果树枝条的快速、准确修剪。该方法以空间中的点为拾取精度,且避免了传统射线拾取法中大量的三维空间物体的求交运算,可有效提高运算速度与枝条拾取精度。(2)虚拟修剪控制手势交互设计。结合虚拟果树修剪应用需求和人机交互设计原则,设计了9种虚拟修剪控制手势。通过Kinect获取人体骨骼数据,用状态机匹配识别手势类型,建立不同手势与鼠标和键盘事件之间的映射关系,当系统识别出用户手势后,根据控制指令触发相应操作事件,实现了控制手势交互代替鼠标和键盘交互。并针对光标抖动造成细小枝条选择和修剪失败的问题,提出了骨骼平滑和对象捕捉的处理方法。(3)虚拟果树交互式修剪系统的设计与实现。本文以Visual Studio 2010为开发平台,使用C++和C#语言完成虚拟果树修剪模块和人机交互模块的算法实现,采用WPF框架进行系统界面设计,构建了手势交互的虚拟果树修剪系统。该系统包含虚拟修剪练习、果树修剪知识和系统介绍三个模块。对系统的手势识别率和交互实时性进行试验,结果表明,基于Kinect的虚拟果树修剪系统手势识别平均准确率为97%,手势控制指令的响应时间在32.5~193.1ms之间,能够满足虚拟果树修剪应用需求,为初学者学习果树修剪技术提供了一种方便直观、低成本的新途径。
【关键词】：虚拟果树 Kinect 交互式修剪 人机交互 虚拟现实
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S66;S224
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 虚拟植物研究现状12-13
• 1.2.2 虚拟植物修剪研究现状13-14
• 1.2.3 人机交互研究现状14-15
• 1.3 虚拟果树修剪亟待解决的问题15-16
• 1.4 研究内容16
• 1.5 研究方法及技术路线16-17
• 1.5.1 研究方法16
• 1.5.2 技术路线16-17
• 1.6 论文组织结构17-19
• 第2章 虚拟果树修剪方法研究19-30
• 2.1 三维果树模型19-20
• 2.2 OpenGL三维渲染理论20-21
• 2.3 拾取技术分析21-22
• 2.4 枝条拾取与修剪方法22-29
• 2.4.1 基于帧缓冲区对象的枝干单元拾取23-25
• 2.4.2 射线法求取拾取点25-26
• 2.4.3 枝条修剪方法26-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 虚拟果树修剪人机交互设计30-42
• 3.1 Kinect相关技术30-32
• 3.1.1 Kinect结构30
• 3.1.2 Kinect骨骼信息的获取30-32
• 3.1.3 Kinect开发接口32
• 3.2 虚拟果树修剪人机交互方案设计32-34
• 3.3 手势识别方法研究34-37
• 3.3.1 手势识别方法分析34-36
• 3.3.2 基于状态机匹配的手势识别36-37
• 3.4 模拟鼠标和键盘操作37-39
• 3.5 骨骼平滑与对象捕捉39-41
• 3.5.1 骨骼运动的平滑39-40
• 3.5.2 三维对象捕捉40-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第4章 虚拟果树交互式修剪实现与分析42-57
• 4.1 软硬件环境42
• 4.2 系统框架设计42-44
• 4.2.1 系统逻辑架构42-43
• 4.2.2 虚拟果树修剪系统流程43-44
• 4.3 系统功能设计与实现44-53
• 4.3.1 虚拟果树修剪模块实现44-45
• 4.3.2 人机交互模块实现45-47
• 4.3.3 系统实现功能及应用实例47-53
• 4.4 系统性能试验与结果分析53-56
• 4.4.1 试验条件53
• 4.4.2 手势识别正确率试验53-55
• 4.4.3 交互实时性试验55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 结论与展望57-60
• 5.1 结论57
• 5.2 创新点57
• 5.3 展望57-60
• 参考文献60-65
• 致谢65-66
• 作者简介66

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1 王丹;基于Kinect的虚拟果树交互式修剪研究[D];西北农林科技大学;2016年

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