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基于CAVE2的森林虚拟仿真系统应用研究
时间:2019-10-27    评论:0
    来源:林业资源管理
    作者:李永亮,沈康,张怀清,杨廷栋,李思佳,张鸿
    单位:中国林业科学研究院资源信息研究所
        中南林业科技大学

    摘要:将 CAVE2沉浸式虚拟仿真硬件与森林经营管理需求相结合,设计与实现了基于 CAVE2的森林虚拟仿真系统,为开展森林经营管理活动提供了虚拟仿真平台、分析了 CAVE2硬件系统性能与特征,提出了研发系统总体结构、分别设计了树木形态结构、森林景观、森林生长与森林经营模拟 4个系统模块功能与实现流程,利用Unity三维开发引擎,实现了软件系统的研发、以杉木人工林样地为实验对象,开展了系统应用、结果表明:该方法有效实现了 CAVE2虚拟现实硬件系统与 Unity可视化模拟软件系统的集成,可在沉浸式三维虚拟仿真环境内开展交互式森林经营与生长预估可视化模拟、该森林虚拟仿真系统具有沉浸感与交互性,可为森林管理提供新的科研与应用平台,可用于指导森林经营实践。

    0 引言

    森林是重要的国家战略资源,关乎百姓福祉、如何有效地经营管理森林、最大化地利用森林,一直是林业工作者关注的问题、近年来,高新技术的林业应用,为林业科研与实践提供了新途径、带来了新契机。

    其中,虚拟仿真技术作为一种新兴的技术手段,得到了长足的发展,其应用领域也越来越广,至今已有少数研究将其与森林管理工作相结合,直观地模拟了森林环境、森林生长、森林经营,并且通过身临其境的交互环境给林业工作者带来了新的工作体验和极大的便利。

    虚拟仿真平台按其显示方式可以划分为头盔式、投影式、手持式和自由立体式[1],虽然形式多样,但与林业工作结合的应用研究还处于初级阶段、国内外众多研究集中在森林三维可视化模拟技术与系统方面,如树木、林分模型模拟系统[2-7]、林分生长可视化模拟系统[8-13]、森林经营可视化模拟系统[14-20],以及森林场景模拟系统[21-25]等、大多数研究与系统只关注于森林三维可视化模拟中的某一问题或者功能,而集成多功能的森林三维可视化模拟系统少之又少。

    CAVE2由伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的电子可视化实验室(EVL)开发,该实验室是著名的跨学科研究实验室,开创了 CAVE的发展先河、作为新一代虚拟仿真解决方案,CAVE2构建出了大型320°环绕 3D立体显示环境,这种构建方式能够将实际采集到或模拟仿真出的环境图像进行数据处理,以特殊的立体显示方式呈现出来、观察者在观察立体的环境视觉景象的同时,系统配备了多个红外跟踪传感单元,可对观察者行为进行监测跟踪,并根据采集到的观察者位置、手势、移动方式、观察方向等数据,实时调整所呈现的环境视觉景象,使其随观察者的移动而改变显示内容、显示深度、显示角度,为观察者提供完全沉浸式的交互体验,

    CAVE2性能特征非常适合应用于沉浸式森林环境模拟中,但基于 CAVE2虚拟仿真平台搭建的森林虚拟仿真系统还未见详细报道。

    以中国林业科学研究院资源信息研究所可视化实验室引进的自由立体式 CAVE2虚拟仿真环境为硬件平台,设计、开发森林虚拟仿真软件系统,实现硬件与软件有效集成,建立基于 CAVE2的森林虚拟仿真系统、以湖南省攸县黄丰桥国有林场试验样地为例,开展系统应用、通过系统的设计与实现,以期为进一步改变林业工作方式、提高林业管理科技水平提供技术支撑与解决方案。

    1 CAVE2结构及工作原理

    CAVE2系统是一套 320°的环形虚拟仿真设备,直径为 7.27m,由视景仿真显示系统、控制处理系统、追踪系统、音频系统、沉浸式立体眼镜、活动手柄等组成。

    视景仿真显示系统为 18列,每列由 4个带有偏振片的 PLANAR显示屏无缝拼接而成,每块显示屏的分辨率为 1960×1080个像素,总共约 1亿 5千万个像素,基于此设计的 CAVE2系统能给用户带来沉浸式的视觉体验;控制处理系统由 18个服务器(每个服务器驱动一列显示屏)、外加一个主控制服务器以及音视频处理系统组成,主控制服务器用来对视景仿真显示单元所显示图像数据进行同步化控制,使每个显示单元所显示的图像无缝衔接成整体的环境视觉景象;追踪系统由屏幕上方排列的 10个 Vicon Bonita红外跟踪传感单元组成,用户手中持有反射的标记小球用于红外跟踪传感单元追踪使用者的位置;音频系统由 7个扬声器和 1个低音器组成,通过数模转换器与声音处理器相连;偏振光 3D眼镜用于立体显示视景仿真显示系统画面,其显示方式优于主动快门式3D立体眼镜,在观看 3D图像时不易产生视觉疲劳和眼睛紧张,与其他 3D显示技术相比,具有更高的亮度和对比度,另外,此种眼镜更轻、更经济、不需要电池;活动手柄用于人机交互、

    CAVE2的工作示意、环形结构分别如图 1、图 2所示。


 图1 CAVE2工作示意


 2 CAVE2环形结构

    2 系统设计与实现

    2.1 总体结构

    基于 Unity开发平台开展系统三维景观布设与渲染等研发工作,将自主构建的林木三维可视化模型导入 Unity图形编辑器,在编辑器中完成对森林、地形、河流、道路等多种实体模型资源的调用,并对环境光照(直射光、反射光、漫射光等)和模型纹理进行优化;结合 VisualStudio2017开发平台,使用脚本开发环境,设计森林虚拟仿真软件系统中的业务逻辑,建立基本业务的基类及接口,方便扩展;基于 DirectX绘图编程 API,以具备 Unity平台兼容性为格式标准,构建林木形态结构三维模型;SQLite用于存储各类渲染数据,含三维模型数据、地理信息数据、业务逻辑数据等,为系统提供数据支撑;利用 ArcEngine处理森林资源调查矢量数据、地理矢量与栅格数据,为森林三维可视化模型构建提供所需资源数据;建立 Unity软件系统与 CAVE2硬件系统集成接口,以 CAVE2作为虚拟森林三维图像立体显示与交互平台。

    基于以上总体设计思路,将基于 CAVE2的森林虚拟仿真系统设计为5个层面(图3),即支撑层、系统层、持久层、业务层与表现层、涉及数据管理、数据流转、数据处理、数据显示等各个方面,以支撑系统功能。


图 3 基于 CAVE2的森林虚拟仿真系统结构

    2.2 系统功能

    主要设计树木形态结构模拟、森林景观模拟、森林生长模拟以及森林经营模拟等4个系统功能(表1)。


表 1 基于 CAVE2的森林虚拟仿真系统功能


    2.2.1 树木形态结构模拟

    根据树木形态结构参数(仰角、冠长、方位角、枝下高,分枝级数、枝径比等),结合参数化建模方法,运用分形算法和冠型曲线,针对不同树种特征建立树木形态结构三维模型、其中,利用削度方程与干形曲线,建立单轴分枝林木树干三维模型;结合纹理贴图技术,实现不同树种林木三维模型的树干与叶片纹理映射、建模流程与效果分别如图 4、图 5所示。


图 4 树木形态结构建模流程


图 5 树木形态结构模拟

    2.2.2 森林景观模拟

    森林景观模拟是森林生长、森林经营模拟的前提,可为其提供虚拟仿真环境与实施平台、为适应不同数据源、多种景观要素真实渲染等需求,设计森林景观模拟包括 3个方面,即多源多尺度森林场景构建、自然景观要素模拟和人工景观要素建模(表 2)。


表 2 森林景观模拟功能

    针对样地每木检尺数据、森林资源调查数据、遥感监测数据,分别提出林木位置以及林木主要形态结构特征因子(胸径、树高、冠幅、冠高、枝下高等)测算方法,含林分整体特征到林木特征估算算法、基于遥感数据的林木特征提取算法等、考虑不同尺度森林场景渲染效率,建立高精度林木三维模型调度渲染、林木 LOD模型分页动态调度渲染、地形 LOD模型渲染等方法,以适应多尺度森林场景渲染的需求、结合 3dsMax,Maya等三维建模软件建立的房屋、指示牌等人工景观要素,以及天空、水面、气象条件等实时可视化模拟方法,形成集多景观要素为一体的森林景观模拟软件模块、森林景观模拟流程与效果如图 6、图 7、图 8所示。


图 6 森林景观模拟流程

 图7 地形 LOD模型


图 8 森林景观可视化模拟(林木 防火道 湖泊等)

    2.2.3 森林生长模拟

    以建立的生长模型库中的生长预测估计值作为林木生长数据驱动,结合 Unity关键帧动画渲染方法,提出森林生长动态可视化模拟方法,实现森林生长动态可视化模拟、具体包含的模块有:生长模型库、自然整枝动态可视化模拟、林分自稀疏可视化模拟、各模块功能如表 3所示。


表 3 森林生长模拟功能

    参照常用的森林生长模型建立森林生长模型数据库,以 SQLite数据库进行存储;基于 C#语言开发的生长模型解析器,实现森林生长模型的选择、解析与运算、其中,估算的林木生长特征可包括胸径、树高、4方向冠幅、4方向冠高、4方向枝下高(4方向是指东、西、南、北 4个方向)。

    根据林木形态结构特征因子的连年生长量,建立林木三维模型变化关键帧;经过关键帧间插值数据补足,建立林木生长动态关键帧动画;使用林木形态结构多样性模型(林木三维模型由树干、东西南北 4方向树冠等 5部分组成),实现差异性林木生长动态可视化模拟、利用纹理编辑技术,实现叶片与枝干随时间变化由绿至干枯过程的纹理变化模拟;采用粒子系统,生成叶片,可视化模拟叶片下落过程;通过对枝干进行刚体设置,可视化模拟枝干下落过程;建立林分内林木单株控制体制与方法,基于纹理编辑技术,实现林分自稀疏过程可视化模拟、森林生长模拟流程与效果如图 9、图 10、图 11所示。


 图9 森林生长模拟流程


 图10 枝干掉落过程可视化模拟


图 11 森林生长可视化模拟

    2.2.4 森林经营模拟

    此功能与实际森林经营管理活动紧密相关,具有广阔的科研与应用前景、其设计应从森林资源调查数据、森林经营实践出发,遵循森林经营技术方法、设计的主要模块有小班三维可视化管理、经营措施可视化模拟、经营方案可视化模拟等 3个模块、各模块功能如表 4所示。


表 4 森林经营模拟功能

    在 Unity创建三维虚拟地形的基础上,利用ArcEngine二次开发工具,从森林资源调查数据(林相图、森林分布图)中,获取小班边界节点及其坐标,根据节点坐标,在三维虚拟场景内绘制小班边界,实现林业小班由二维形式向三维形式的转变;在三维虚拟场景内,结合交互式手柄,设计小班边界节点交互式实时拾取、移动、新建算法,以及新生小班边界节点排序算法,实现小班三维可视化编辑与绘制、利用交互式手柄,设计森林经营措施定义(经营措施类型、经营强度、经营技术方法定义等)及造林、采伐、更新、补植等经营措施实施人机交互接口,开发经营措施实施过程与结果可视化模型,实现三维虚拟场景内森林经营措施可视化模拟;参照森林经营方案文本以及经营小班资源现状,针对每个小班建立小班经营规划,研发三维虚拟场景内森林经营方案可视化表达方法,实现经营方案实时调度与渲染,实时直观展现大区域小班经营规划,完成森林经营方案数字化与可视化,支持森林经营方案文本格式输出、森林经营模拟流程与效果分别如图 12、图 13、图 14所示。


 图12 森林经营模拟流程

 13 小班三维可视化编辑 -切割

 图14 交互式森林经营措施 -补植

    3 系统应用

    以 2012年在湖南攸县黄丰桥国有林场调查的一块 40m×40m杉木人工纯林样地为应用对象,样地中心点坐标为 27°19′37″N,113°45′34″E、测定样地内每株林木胸径、树高、4方向冠幅、冠高、枝下高,采用全站仪测定每株林木相对位置坐标。

    根据林木形态结构特征因子,从树种三维模型库中载入杉木高精度三维实体模型,构建样地三维虚拟场景(图 15)。样地于 2015年进行实地间伐,间伐强度为 20%,调用森林经营模拟模块,可视化模拟样地间伐措施(图 16)。

图 15 样地虚拟仿真场景(2012年)

图 16 间伐过程可视化模拟(2015年)

    利用森林生长模拟模块,调用单木生长模型估算样地 2020年林木生长量,同时,利用关键帧动画,实现林木生长动态可视化模拟(图 17)。

图 17 样地生长预估可视化模拟(2020年)

    其中,采用基于生长量修正法的杉木人工林单木胸径连年生长量模型估计胸径生长量((1)式);采用胸径与树高、地位指数关系模型估算树高生长量((2)式);使用基于空间结构单元建立的冠幅((3)式)、枝下高((4)式)、冠高((5)式)生长模型实现树冠特征因子生长预估[26-28]。


    (1)—(5)式中:SI为地位指数;D为胸径;H为树高;RS为相对植距;RD为相对优势度;C为冠幅大小;Age为林龄;Hb为枝下高;Hc为冠高;Ph为水平空间结构参数;Pv为垂直空间结构参数。

    4 结论与讨论

    1)本系统基于 CAVE2虚拟仿真平台有效实现了大量森林数据到沉浸式三维图像的转变,有效整合了林业科研与生产主要关注的树木形态结构、森林景观、森林生长以及森林经营业务内容,可在沉浸式虚拟仿真环境内可视化模拟树木形态结构、直观感受森林景观状况、模拟森林生长动态、辅助森林经营决策,是一种新的森林认知与管理途径。

    2)在系统交互硬件的支持下,通过设计开发人机交互接口,本系统支持利用交互式方式在沉浸式三维环境内开展自由视角森林三维虚拟景观漫游、森林生长模型选择、小班三维可视化编辑以及森林经营措施定义与实施等活动,有效突破了时间与空间的限制,可以改变林业传统的作业模式,增强管理者对森林经营管理活动的参与和干预能力、

    3)沉浸感是森林虚拟仿真系统的一大特征,如何进一步增强真实感森林虚拟仿真模型构建以及复杂森林三维景观实时渲染能力,充分发挥 CAVE2虚拟仿真硬件的沉浸感优势,提升用户沉浸感是本系统后续应加强的一个方面;另外,高技术的发展使得人机交互方式得到了全新的发展,交互方式也越来越直接和便捷,如何将语音、肢体动作等自然交互手段应用到森林虚拟仿真系统中,研发新的交互内容与案例,提高系统交互能力,将是本系统长期关注的研究重点。

     参考文献(略)
标签:CAVE森林
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