朱念福，張懷清*，崔澤宇，楊廷棟，王林龍，劉 華

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 北京 100091；2.國(guó)家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營(yíng)與生長(zhǎng)模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科技信息研究所 北京 100091)

森林經(jīng)營(yíng)是林業(yè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容[1-6]，目前諸多研究利用計(jì)算機(jī)模擬森林經(jīng)營(yíng)[7-20]，既有經(jīng)營(yíng)前后的森林狀態(tài)二維圖表對(duì)比[7-13]，也有森林三維場(chǎng)景經(jīng)營(yíng)前后的畫面對(duì)比[14-19]，都能不同程度地表達(dá)森林經(jīng)營(yíng)的效果。這些相關(guān)研究主要利用了計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和直觀展示效果，較少考慮森林經(jīng)營(yíng)中頻繁的作業(yè)過(guò)程的模擬與交互。不同的森林經(jīng)營(yíng)目標(biāo)會(huì)采用不同的作業(yè)方法[21-27]，而實(shí)地培訓(xùn)森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)存在一定的安全隱患，且成本高，周期長(zhǎng)，受環(huán)境影響較大，因此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)能在一定程度上彌補(bǔ)這些不足。

目前常見(jiàn)的森林景觀仿真系統(tǒng)提供給用戶側(cè)的交互方式則較為簡(jiǎn)單，大都通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)或手柄進(jìn)行漫游交互，難以滿足森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)仿真模擬的各種交互需要?；谌藱C(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[28-34]為森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)的模擬提供了新的思路，在森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)模擬中不僅可以提供逼真的森林環(huán)境，而且交互方式形象、直觀，使用戶身臨其境。其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[34-38]具有沉浸感強(qiáng)、交互自由，虛擬仿真范圍廣，可多人同時(shí)觀察虛擬場(chǎng)景的特點(diǎn)，在森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)仿真模擬方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)可以利用紅外跟蹤傳感模塊實(shí)時(shí)獲取感光物體的空間坐標(biāo)和方向信息，根據(jù)肢體動(dòng)作的追蹤來(lái)判斷用戶的交互需求。本研究利用紅外追蹤技術(shù)，研建應(yīng)用于森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)仿真模擬的肢體動(dòng)作交互模型，結(jié)合補(bǔ)植、修枝和伐木等作業(yè)過(guò)程，在森林仿真場(chǎng)景開(kāi)展森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)試驗(yàn)。

1 森林經(jīng)營(yíng)場(chǎng)景仿真

1.1 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化模擬系統(tǒng)（CAVE2）

森林經(jīng)營(yíng)三維仿真場(chǎng)景基于Unity3D 渲染引擎構(gòu)建，在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化模擬系統(tǒng)（CAVE2）中顯示。CAVE2 是目前國(guó)際上最新一代的虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化模擬系統(tǒng)，由顯示系統(tǒng)、圖形圖像處理系統(tǒng)、紅外追蹤系統(tǒng)、多聲道音頻系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)等組成，配備偏振光3D 眼鏡、感光物體和交互手柄等設(shè)備。顯示系統(tǒng)由72 塊顯示屏拼接而成，形成320 度的環(huán)形空間，可以展示二維或三維畫面，具有分辨率高、沉浸感強(qiáng)等特點(diǎn)。圖形圖像處理系統(tǒng)由一臺(tái)主節(jié)點(diǎn)和18 個(gè)分節(jié)點(diǎn)組成，進(jìn)行集群圖形圖像處理和并行渲染運(yùn)行。紅外追蹤系統(tǒng)由10 個(gè)紅外跟蹤單元和相關(guān)追蹤軟件組成，紅外追蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取感光物體的相對(duì)距離，獲得感光物體的空間坐標(biāo)和方向。感光物體固定在交互手柄上，通過(guò)初始設(shè)置，可以將現(xiàn)實(shí)中的用戶位置和虛擬場(chǎng)景中的攝像頭坐標(biāo)和方向聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)與場(chǎng)景的漫游交互功能。CAVE2 系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 CAVE2 系統(tǒng)Fig.1 CAVE2 system

1.2 森林場(chǎng)景仿真

1.2.1 森林三維仿真場(chǎng)景交互類型 森林三維仿真場(chǎng)景中，除了由手柄控制的漫游交互類型外，根據(jù)林木信息、林分信息等，制定UI 信息交互類型；參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的《森林撫育規(guī)程》[38]，《森林采伐作業(yè)規(guī)程》[39]和《造林技術(shù)規(guī)程》[40]，選擇用戶側(cè)交互性強(qiáng)的經(jīng)營(yíng)措施，如目標(biāo)樹(shù)選擇、補(bǔ)植等，制定森林經(jīng)營(yíng)措施交互類型。具體交互類型如表1 所示。

表1 交互類型Table 1 Interaction type

1.2.2 森林仿真場(chǎng)景構(gòu)建 森林仿真場(chǎng)景為森林場(chǎng)景和森林經(jīng)營(yíng)相關(guān)工具構(gòu)建，森林場(chǎng)景構(gòu)建分為地形建模和林木建模。地形建模：使用30 m 分辨率的地形數(shù)據(jù)（圖2a）和紋理數(shù)據(jù)（圖2b）在Unity3D 中生成三維地形（圖2c）。林木建模：根據(jù)森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)仿真模擬的交互需要，以及樹(shù)木形態(tài)結(jié)構(gòu)的多樣性特征等因素，構(gòu)建枝干分離的林木三維基礎(chǔ)模型（圖2d）。根據(jù)林分調(diào)查數(shù)據(jù)（湖南省黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)某樣地，立地指數(shù)為18），構(gòu)建森林仿真場(chǎng)景。

圖2 森林仿真場(chǎng)景Fig.2 Forest simulation scene

根據(jù)表1，構(gòu)建森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)需要的工具模型：手（圖3a）、油鋸（圖3b）、鋤頭（圖3c）和高枝剪（圖3d）。手用于操作UI 界面和選擇目標(biāo)樹(shù)，油鋸用于伐木作業(yè)，鋤頭用于補(bǔ)植作業(yè)，高枝剪用于修枝作業(yè)。

圖3 森林經(jīng)營(yíng)工具模型Fig.3 Forest management tool models

2 肢體動(dòng)作交互模型

當(dāng)手持感光物體在CAVE2 內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)時(shí)獲取用戶肢體動(dòng)作的空間運(yùn)動(dòng)軌跡（圖4）。通過(guò)分析，運(yùn)動(dòng)軌跡有以下3 點(diǎn)規(guī)律：

圖4 肢體動(dòng)作Fig.4 Body action

（1）感光物體的空間坐標(biāo)變化較大，方向基本不變。

（2）感光物體的方向變化較大，空間坐標(biāo)基本不變。

（3）感光物體的空間坐標(biāo)和方向均有較大的變化。

參照森林經(jīng)營(yíng)措施作業(yè)過(guò)程，對(duì)伐木、修枝、補(bǔ)植和三維UI 界面對(duì)應(yīng)的肢體動(dòng)作分別進(jìn)行定義。

2.1 伐木操作的肢體動(dòng)作模型

油鋸是伐木的常用工具，油鋸在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的使用方式復(fù)雜，不考慮油鋸使用過(guò)程中會(huì)多次變更切割點(diǎn)和切割方向，簡(jiǎn)化油鋸的伐木過(guò)程：油鋸與樹(shù)干接觸，鋸齒切割樹(shù)干，油鋸前后移動(dòng)，無(wú)明顯方向變化。

考慮仿真場(chǎng)景中油鋸與使用者的相對(duì)距離變化來(lái)表示伐木操作，并通過(guò)現(xiàn)實(shí)中手臂伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真場(chǎng)景中的距離變化。油鋸與使用者的距離變化（如圖5 所示案例）較為復(fù)雜，有以下問(wèn)題需要考慮：

圖5 距離變化Fig.5 Distance variation

（1）同一肢體動(dòng)作，不同的人的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，同一人的運(yùn)動(dòng)軌跡也不會(huì)完全相同，因此定量分析較為困難。

（2）油鋸遠(yuǎn)離使用者和靠近使用者的速度不同且復(fù)雜多變。

（3）大小不同的林木需要不同的采伐時(shí)間。

（4）肢體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，方向變化不大。

通過(guò)定性分析，有以下規(guī)律可以采用：

（1）油鋸先是遠(yuǎn)離使用者，然后靠近使用者，根據(jù)林木大小重復(fù)若干次，可以用重復(fù)肢體動(dòng)作來(lái)表示。

（2）油鋸與使用者的距離有最大值（最大距離因人而異，2～3 m）和最小值（0 m），若只保留數(shù)值不同的浮點(diǎn)數(shù)（保留一位小數(shù)），需要存儲(chǔ)的距離數(shù)據(jù)是有限的，因此可以逐條數(shù)據(jù)分析，并且與使用者的動(dòng)作速度和動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)無(wú)關(guān)，具有較好的穩(wěn)定性。

基于以上分析，構(gòu)建伐木操作的肢體動(dòng)作模型如下。

（1）肢體動(dòng)作：Dis表示肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)距離，preDis表 示上一幀的距離，Log_FarDis為遠(yuǎn)離集合，Log_NearDis為靠近集合，Log_AllDis為遠(yuǎn)離與靠近的集合，Dir為肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)方向，Log_Dir為肢體運(yùn)動(dòng)方向集合。

（2）約束條件:Diff(Log_FarDis,Log_NearDis)表示遠(yuǎn)離集合與靠近集合數(shù)據(jù)量的差值，maxDif f為允許的數(shù)據(jù)量最大差值；Num(Log_AllDis)表示肢體動(dòng)作重復(fù)的次數(shù)，minNum為需要重復(fù)的最少次數(shù)；Angle(Log_Dir)表示肢體動(dòng)作與使用者的角度變化，maxAngle表示允許肢體動(dòng)作偏離的最大角度。

2.2 修枝操作的肢體動(dòng)作模型

森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)中，修枝是一項(xiàng)十分重要的經(jīng)營(yíng)措施，對(duì)林木生長(zhǎng)和材質(zhì)有較大的影響，修枝主要使用高枝剪實(shí)現(xiàn)。當(dāng)枝徑較小時(shí)，可以直接剪落；當(dāng)枝徑較大時(shí)，需要進(jìn)行切割，切割樹(shù)枝的動(dòng)作與伐木類似，但不考慮切割的次數(shù)?；谝陨戏治觯瑯?gòu)建修枝操作的肢體動(dòng)作模型如下。

（1）肢體動(dòng)作：Dis表示肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)距離，preDis表 示上一幀的距離，Prune_FarDis為遠(yuǎn)離集合，Prune_NearDis為靠近集合，Dir為肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)方向，Prune_Dir為肢體運(yùn)動(dòng)方向集合。

（2）約束條件：Di f f(Prune_FarDis,Prune_NearDis) 表示遠(yuǎn)離集合與靠近集合數(shù)據(jù)量的差值，maxDif f為允許的數(shù)據(jù)量最大差值；Angle(Prune_Dir)表 示肢體動(dòng)作與使用者的相對(duì)角度變化，maxAngle表示允許肢體動(dòng)作偏離的最大角度；Branch_S ize表示枝徑；minS ize為實(shí)施修枝操作需要的最小枝徑。

2.3 補(bǔ)植操作的肢體動(dòng)作模型

森林經(jīng)營(yíng)中，補(bǔ)植點(diǎn)與周圍林木需要一定間距；使用鋤頭工具進(jìn)行補(bǔ)植時(shí)，肢體運(yùn)動(dòng)軌跡在空間中近似于拋物線，與使用者的距離先遠(yuǎn)后近；肢體在空間中與地面的距離減小，肢體與水平面的夾角由正變?yōu)樨?fù)。基于以上分析，構(gòu)建補(bǔ)植操作的肢體動(dòng)作模型如下。

（1）肢體動(dòng)作：Dis表示肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)距離，Replant_Dis表示肢體運(yùn)動(dòng)距離的集合；Dir表示肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)方向，Replant_Dir表示肢體運(yùn)動(dòng)方向的集合。

（2）約束條件：Far2Near(Replant_Dis)判斷肢體運(yùn)動(dòng)是否先遠(yuǎn)后近；Vertical_Dis(Replant_Dis)判斷肢體與地面的距離是否持續(xù)減??；Pos2Neg(Replant_Dir)判斷肢體與水平面的夾角是否由正變負(fù)；Horizontal_Angle(Replant_Dir)表示肢體水平方向角度的最大變化量，maxAngle表示允許肢體在水平方向上的偏離角度；Replant_Time表示種植工具與地面接觸時(shí)長(zhǎng)，minTime為需要接觸的最少時(shí)長(zhǎng)；Replant_Point表示運(yùn)動(dòng)軌跡與周圍林木的距離，minDis為需要的最小補(bǔ)植間距。

2.4 UI 操作的肢體動(dòng)作模型

UI 界面便于直觀顯示森林信息，是交互式森林經(jīng)營(yíng)模擬的重要組成部分，傳統(tǒng)的二維UI 界面不適用于CAVE2，因此選擇三維UI 界面來(lái)展示林木信息。肢體的上下左右運(yùn)動(dòng)與UI 選擇項(xiàng)的上下左右移動(dòng)對(duì)應(yīng)；肢體的旋轉(zhuǎn)與UI 點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)?；谝陨戏治?，構(gòu)建映射UI 操作的肢體動(dòng)作模型如下。

（1）肢體動(dòng)作：Dis表示肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)距離，UI_Dis表示肢體運(yùn)動(dòng)距離集合；Dir表示肢體在當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)方向，UI_Dir表示肢體運(yùn)動(dòng)方向的集合。

（2）約束條件：Orientation_Dis(UI_Dis)表示肢體動(dòng)作在上下左右方向的移動(dòng)距離，minDis為UI選擇項(xiàng)移動(dòng)需要的最小距離；Rotation_Angle(UI_Dir)判斷肢體動(dòng)作旋轉(zhuǎn)的角度，minAngle為UI 按鈕點(diǎn)擊需要的最小旋轉(zhuǎn)角度。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

將基于Unity3D 構(gòu)建的森林仿真場(chǎng)景導(dǎo)入到CAVE2 平臺(tái)中運(yùn)行，森林經(jīng)營(yíng)仿真場(chǎng)景如圖6 所示。

圖6 森林經(jīng)營(yíng)仿真場(chǎng)景Fig.6 Forest management simulation scene

為了驗(yàn)證本研究構(gòu)建的肢體動(dòng)作能否準(zhǔn)確映射到森林經(jīng)營(yíng)措施中，是否符合森林經(jīng)營(yíng)的作業(yè)要求，邀請(qǐng)了15 名研究生（10 人具有林學(xué)背景）和3 名涉及森林經(jīng)營(yíng)的研究者，使用虛擬經(jīng)營(yíng)工具，在仿真場(chǎng)景中根據(jù)經(jīng)營(yíng)措施做出相應(yīng)的肢體動(dòng)作（圖7），直至操作成功，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。圖7a 為控制手的移動(dòng)；圖7b 為選擇后出現(xiàn)的林木信息界面；圖7c 為油鋸模型與樹(shù)木接觸，準(zhǔn)備進(jìn)行伐木操作；圖7d 為伐木操作完成后，樹(shù)木倒下；圖7e 為高枝剪與樹(shù)枝接觸，準(zhǔn)備進(jìn)行修枝操作；圖7f 為修枝操作完成后，樹(shù)枝落下；圖7g 為鋤頭模型出現(xiàn)，準(zhǔn)備進(jìn)行移植操作；圖7h 為鋤頭模型接觸地面，出現(xiàn)移植標(biāo)記點(diǎn)；圖7i 為鋤頭離開(kāi)地面，生成樹(shù)木模型，移植操作完成。

圖7 森林經(jīng)營(yíng)措施Fig.7 Forest management measures

由表2 可知，大部分使用者只需做一次肢體動(dòng)作便可成功完成森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)，單次作業(yè)成功率達(dá)到86%，各項(xiàng)肢體動(dòng)作均可正確映射到森林經(jīng)營(yíng)措施上。單次完成經(jīng)營(yíng)作業(yè)的人數(shù)：UI 操作（18）>補(bǔ)植（16）>伐木（15）>修枝（13）。其中，一次性完成作業(yè)人數(shù)最少的是修枝動(dòng)作，有13 人，3 人需要兩次以上。經(jīng)分析，一是因?yàn)闃?shù)枝的可接觸范圍小，容易產(chǎn)生接觸中斷；二是因?yàn)橹w動(dòng)作幅度變化大，有些運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)會(huì)偏離，易造成坐標(biāo)和方向誤判，伐木操作也有類似的問(wèn)題。補(bǔ)植操作因?yàn)樯婕暗搅藭r(shí)間判斷，而人們對(duì)時(shí)間的感受不同，也會(huì)造成時(shí)間誤判。UI 操作因?yàn)閮H需判斷手的起點(diǎn)和終點(diǎn)的相對(duì)方向，無(wú)其他約束條件，單次作業(yè)成功率可達(dá)100%。

表2 肢體動(dòng)作映射森林經(jīng)營(yíng)措施執(zhí)行Table 2 Body movement mapping forest management measures implementation

3.2 分析評(píng)價(jià)

將上述研究結(jié)果進(jìn)行森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)仿真模擬評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，構(gòu)建的森林經(jīng)營(yíng)仿真場(chǎng)景沉浸感強(qiáng)，滿足人機(jī)交互需要的流暢度；映射經(jīng)營(yíng)措施的肢體動(dòng)作總體表現(xiàn)良好，交互評(píng)價(jià)良好率達(dá)到91%，可以滿足森林經(jīng)營(yíng)模擬的交互要求。評(píng)價(jià)最高的是UI 交互動(dòng)作和場(chǎng)景沉浸感，18 個(gè)使用者均給予良好評(píng)價(jià)，是完成作業(yè)需要次數(shù)最少的；評(píng)價(jià)最低的是映射修枝的肢體動(dòng)作，僅有14 個(gè)使用者給予良好評(píng)價(jià)，是完成作業(yè)需要次數(shù)最多?？偟内厔?shì)為完成作業(yè)需要的肢體動(dòng)作次數(shù)越少，使用者評(píng)價(jià)越高。

表3 森林經(jīng)營(yíng)交互過(guò)程評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of interactive process of forest management

4 討論

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化模擬系統(tǒng)CAVE2 在森林經(jīng)營(yíng)仿真模擬方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)目前經(jīng)營(yíng)作業(yè)模擬普遍存在的交互性差，缺乏自然、真實(shí)感的交互體驗(yàn)，以及較難處理頻繁作業(yè)能力等問(wèn)題，研建了一套基于肢體動(dòng)作映射森林經(jīng)營(yíng)措施的交互方法。該方法主要利用了CAVE2 可以實(shí)時(shí)獲取感光物體的坐標(biāo)和方向，將坐標(biāo)和方向變化與森林經(jīng)營(yíng)措施作業(yè)過(guò)程的肢體動(dòng)作聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了基于肢體動(dòng)作交互的森林經(jīng)營(yíng)模擬。模擬過(guò)程形象直觀，效果良好。經(jīng)營(yíng)措施與虛擬的經(jīng)營(yíng)工具建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便擴(kuò)展交互需求，適合交互頻繁，交互類型多樣的森林經(jīng)營(yíng)可視化模擬。

研建的交互方法簡(jiǎn)化了森林經(jīng)營(yíng)措施作業(yè)過(guò)程，模型考慮一只手的肢體動(dòng)作過(guò)程，操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。由于森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)設(shè)備的多樣性，以及森林經(jīng)營(yíng)措施的復(fù)雜性，在今后的研究中，可以研究使用雙手等更多肢體動(dòng)作的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)，以更自然和靈活多樣的交互方式來(lái)開(kāi)展各種森林經(jīng)營(yíng)措施作業(yè)的模擬。

5 結(jié)論

本研究基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化系統(tǒng)CAVE2，在構(gòu)建的森林三維仿真場(chǎng)景中模擬森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)過(guò)程，構(gòu)建了表示伐木、修枝和補(bǔ)植作業(yè)的肢體動(dòng)作模型。通過(guò)森林經(jīng)營(yíng)仿真場(chǎng)景試驗(yàn)，得到以下結(jié)果：（1）肢體動(dòng)作模型可以較為真實(shí)、自然地模擬伐木、整枝和補(bǔ)植等交互性強(qiáng)的森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)過(guò)程，單次完成經(jīng)營(yíng)作業(yè)模擬成功率達(dá)到86%，具有良好的穩(wěn)定性，滿足應(yīng)用需求；（2）構(gòu)建的森林經(jīng)營(yíng)仿真場(chǎng)景沉浸感強(qiáng)，具有較好的森林經(jīng)營(yíng)交互流暢度和用戶參與程度，交互評(píng)價(jià)良好率達(dá)到91%。因此，基于肢體動(dòng)作交互的森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)模擬，可以形象、直觀地表達(dá)和分析復(fù)雜的森林經(jīng)營(yíng)措施實(shí)施過(guò)程，有助于加深使用者對(duì)森林經(jīng)營(yíng)的理解，提高森林經(jīng)營(yíng)輔助決策水平。