手势识别方法研究论文

手势是指在人的意识支配下,人手作出的各类动作,如手指弯曲、伸展和手在空间的运动等,可以是收稿日期: 2000 - 05 - 15基金项目: 行业基金项目(院编96311)作者简介: 曾芬芳(1940 - ) ,女,湖南益阳人,华东船舶工业学院教授。执行某项任务,也可以是与人的交流,以表达某种含义或意图。基于手势识别的三维交互输入技术,常用的有基于数据手套的和基于视觉(如摄象机) 的手势识别。人手有20 多个关节,其手势十分复杂,在VR(Virtual Reality) 中的交互过程,需分析手势的形成并识别其含义。如用户以自然方式抓取环境中的物体,同时还可以对用户产生相关的感知反馈,如对具有力反馈的手套,就能使人感知到抓取的物体的重量,对有触觉反馈的手套,能感知到用户所碰到的物体的质感,如毛毯有多粗糙等。所以计算机要能对人手运动的灵活、复杂的手势进行识别是一项艰难而又十分有意义的任务。手势的分类早在40 年代,心理学家Quek[7 ] . ,Pavlovic[8 ]等人从人机接口的角度对手势进行研究,按其功能分为:手的运动无意识的手运动有意识的手运动(手势交流手势表动作表符号(手语)引用手语(如表示数字)情态手势执行任务(如抓握锤) 手势不但由骨胳肌肉驱动,而且还受人的信念、意识的驱使,它涉及到人的思维活动的高级行为。人机交互的研究目的之一是使机器对人类用户更方便,从用户产生手势到系统“感知”手势的过程[9 ]如图1 所示。图1 系统“感知”手势的过程Fig. 1 Process of sensing gesture by the system手的运动,是手势的表现形式。用户的操作意图是用户要完成任务的内容, 即用户心理活动(概念手势) G ,经过运动控制(变换) ,用手势运动H 表达。由经感受设备(变换Thi) 将手的运动H 变换为系统的输入信息I ,所以从G到I的映射过程为:Tgh : G → H , 即H > Tgh ( G)Thi : H → I , 即I > Thi ( H)Tgi : G → I , 即I > Thi ( Tgh ( G) ) > Tgi ( G)其中, Tgh 为人体运动控制传送函数; Thi为输入设备传送函数。手势识别的任务就是从系统输入I 推断、确定用户意图G ,显然是以上映射的逆过程。即G = T- 1gi ( I) ( 1 )H = T- 1hi ( I) ( 2 )G = T- 1gh ( H) ( 3 )其中, T- 1gi , T- 1hi , T- 1gh 是Tgi , Thi , Tgh 的逆变换。所以手势识别可以采用H = T- 1hi ( I) 时输入信息I ,得到手的运动H ,再由G = T- 1gh ( H) 手势的表示推断用户手势的概念意图,也可直接从G = T- 1gi ( I) 求得概念手势G。手势识别分为静态手势和动态手势的识别,目前的研究大都是在线静态手势识别,如Lee 研究的就是静态孤立手势[10 ] 。动态手势识别难度大,一般采用关键帧方法,记录每个手势的始和终状态及手势的运动轨迹,然后用内插算法重建帧,但仍需给予限制,如Davis研究的动态手势识别就规定开始时手必须朝上等。 手势的语法信息是通过手的构形、手的运动变化来传递。为了给用户提供必要的视觉反馈信息, 使其在交互过程中看到自己的手(图2 是用3DSMAX 绘制) ,同时也为了分析交互过程中手和虚拟对象之间的相互作用关系,必须建立手几何模型和运动学模型。 人手是一个多肢节系统, 由27 块骨骼组成, 可看成由4 个相邻手指、一个大拇指和手掌组成, 每个手指由指段和关节组成。因此手是一种由关节相连的结构, 随着关节运动, 手的形状在不断变化。这种变化可以通过指段和关节的状态空间位置的变化来描述[11 ] 。每一个手指( Ⅱ - Ⅴ) 具有四个自由度,其中手指的基部(MP) 有两个自由度,弯曲和旋转,手指的中间关节处(PIP)和末端关节处(DIP) 分别各有一个自由度,主要是弯曲运动。大拇指除了与其他四个手指一样具有四个自由度外, 还有一个外展运动,所以大拇指具有五个自由度(拇指和手掌之间的一节也可不考虑) 。外加手掌的前后左右运动二个自由度。所以手运动总共具有23 个自由度,即状态空间为23 维。从上述的分析可知,除大拇指外每个手指都具有四个自由度,从而可以建立一条链,以协调手指的机构及运动。整个手可以以手掌为基础链接五个手指( Ⅰ - Ⅴ) ,在指段MP 上链接指段PIP ,再链接指段DIP ,每条链可以获取四个参数。从而五个手指以手掌为根节点构成一个树型结构,树中的每一个节点代表一个关节,关节通过指段具有相互关联的运动特性。212 手势的输入手势的输入是实现手势交互的前提。它要求能够有效地跟踪手的运动, 又要方便用户手的运动, 既要求准确确定手的位置、方位、手指弯曲角度,又要求对手的运动限制很少。就目前而言, 手势的输入有基于数据手套的和基于视觉(摄象机) 等两种方式。21211 基于数据手套的手势输入基于数据手套的手势输入[12 ] ,是根据戴在手上的具有位置跟踪器的数据手套利用光纤直接测量手指弯曲和手的位置来实现手势输入的。本文使用5DT 公司生产的不带位置跟踪器的5th Glove 右手数据手套,每个手指中间关节有一个传感器用于测量手指的平均屈伸度,在手腕部位还有一个2 轴倾斜传感器测量手的转动(绕Z 轴旋转) 和倾斜(绕X 轴旋转) 两个角度,以探测手的上下摆动和旋转。该手套共带有七个传感器,因此同一时刻只能读出七个角度值。5th Glove 还提供命令、报告数据、连续数据、模拟鼠标等工作方式,可定义一指、二指和三指( Z 轴) 等手势来控制虚拟手的飞行、视点、运动速度等。5th Glove 数据手套通过串行接口与微机连接在一起,以传送手运动信号,从而控制手动作。它能将用户手的姿势(手势) 转化为计算机可读的数据, 因而使手去抓取或推动虚拟物体。人手在运动过程中会碰撞物体,所以在系统中,虚拟手的交互操作除了实现抓取和释放物体等功能外, 还需实现了碰撞的检测。21212 基于视觉的手势输入基于视觉的手势输入是采用摄象机捕获手势图象,再利用计算机视觉技术对捕获的图象进行分析,提取手势图象特征,从而实现手势的输入。这种方法使用户手的运动受限制较少,同时用户还可以直接看到手的图象。基于视觉的输入所输入的原始数据是手的图象,采用重建三维模型来构建手势图象,调节模型参数如手指弯曲角度的夹角等,以合成手的三维图形。根据手生成的图形和已获得的手图象匹配,所得到的模型参数就构成了手势。1995 年,Lee J intae 和Kunii Tosiyasv l. 研究用立体图像数据自动分析三维手势[4 ] 。它用摄像机拍摄手的运动图像,使用轮廓提取边界特征进行识别的方法,成功地提取27 个交互作用手参数,实现了三维手势的重构。其实早在1981 年, Kroeger 采用两个摄象机实现了一个获取手势的系统,它通过用户的手在与鼠标垫一般大小的“镜象盒”的3D 空间中来完成交互。两个镜子被放在大约与前平面成45 度角的位置上,两个镜子代替单个镜子产生了一个虚拟视点,加上两垂直平面上的两个摄象机共三个视点相交成直角,以提供给用户一个确定的工作空间,在这个空间内允许用户与计算机交互。

Acconeer的60GHZ  PCR雷达传感器用于手势识别，不同于摄像头和红外线，无需开孔、可以穿透塑料外壳隐藏式安装。

手势识别雷达

虚拟现实(VR)是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，下面是我为大家精心推荐的关于虚拟现实的科技论文2500字，希望能够对您有所帮助。

直觉交互界面与虚拟现实

摘要：为了研发更高水准的直觉交互界面，有必要引入虚拟现实技术，借助具备沉浸性、交互性和想象性的人机交互环境来获得真正意义上的直觉体验。通过特定的物理器件装置，以及先进的手势识别技术，使用者不必学习专门的操作命令，就可以与计算机进行交流并获得实时的反馈，而独特的沉浸式环境更能创造出人机一体的融合感。结果表明，虚拟现实技术有效地提升了用户的体验度，大大简化了操作的复杂性，而且可以应用于从娱乐到专业制造等各种场合，是直觉交互界面的有力驱动平台。

关键词：直觉交互;人机交互;虚拟现实

中图分类号：J0-05 文献标识码：A

本文是在“人―计算机” 交互(Human-Computer Interaction)的意义上来谈论“交互”。随着计算机技术几十年来突飞猛进的发展，计算机已经完全进入了日常生活的方方面面，其影响无处不在，人机之间的互动操作问题也越发显得重要。由于计算机尚未能摆脱冯・诺依曼体系的根本制约，与人类思维模式之间的鸿沟依然如同天堑，人机交互问题的一个重要着眼点就在于如何尽量地缩小人类使用者的操作模式与计算机的操作模式之间的差别。这意味着我们仍在不断地摸索和探讨，去提供更优秀的交互界面，使人可以顺畅地、高效率地与计算机进行对话。

一直以来，交互设计思维首要强调的就是以人为本，换而言之就是让设计物适应人，而非人适应设计物。这种观点在计算机还是国防机密的年代中显得有些奢侈，人们只能痛苦地训练自己去迎合机器(例如，使用完全机器式的编程语言与计算机交谈)。在当下，相对廉价的个人计算机都可以提供可观的计算能力，因此交互界面的设计原则也就顺应了这样的思路，去尽可能地将界面做得人性化，让人用得舒服，而繁重的计算则交给计算机在幕后默默地处理。

正是在这样的大背景下，“直觉”一词吸引了大家的目光。毕竟相对于日常物件，计算机的交互界面还是太不人性了，依旧保持着冰冷的面孔。如果能将我们习以为常的动作引入与计算机的交互之中，在不知不觉中将完成与计算机的沟通，那么这样的人机界面才能称得上是以人为本。而在呈现直觉界面方面，新兴的虚拟现实技术则提供了最有价值的工具。

本文正是拟探讨直觉交互界面及其与虚拟现实技术间的关系，为了完成这样的任务，首先我们要对人机交互意义上的直觉作出一个明确的定义，它实际上与大众文化中的“直觉”概念有着相当的差别。之后我们将谈论如何将上述意义上的直觉与虚拟现实结合起来，并提供具体的案例分析来支撑我们的探讨。

一、直觉交互界面

直觉(Intuition)这个概念属于大众词汇，但实际上不同的学科对直觉都有着不同的定义。本文研究的对象是人机交互，因此将在“凭着直觉去与计算机进行交互” (interaction with computer by intuition)这个上下文中去探讨它。首先要注意到，交互是双方面的，也即人与计算机在进行着双向的互动，但直觉却是人才能拥有的，也是仅仅用来修饰人的判断与感觉的，因此直觉人机交互关心的是以人为中心的交互场景中各参与元素对人是否直觉。从人的角度考虑交互界面，这实际也就奠定了“以人为本”在理论上的基础性质。

一般而言，人们对直觉的交互有着如下诉求：它不需要经过有意识的思考便能做出。例如在翻动一页书的时候，人不需要去有意识地考虑该用多大的力气，手指该走怎样的空间路线，或有意识地等待书页翻动之后出现的非常规情况并作出反应，等等。在这个意义上，一本实体书的交互界面是直觉的。依据以上诉求，Blackler等人的研究指出，直觉是“基于已往经验的无意识的反应”[1]。这个定义强调了两个要点：基于以往经验和无意识。关于直觉往往是无意识的(下意识的)举动，这一点几乎已成共识，这里就不再展开论述。需要厘清的是“基于已往经验”这一点。

在日常生活中，人们或许并不认为直觉与已往经验之间会有什么关联。相反，许多人会认为，如果不需要经验就能进行某种操作，那么这种操作显然更符合直觉。特别地，中国传统文化中的“直觉”概念充满了反智主义的特征，直接将“直觉”与“本能”联系起来，往往意味着“不需要通过知识或经验便可以下意识地完成”。但这实际上是一种错误的观点，它不但误解了人的本能，而且未能认识到已往经验的真实存在及其影响。事实上，现代理论表明，人类绝大多数行动――简单的或复杂的――都是后天习得的，并非先天刻印于脑中。如果仅凭本能，人几乎无法完成什么人机交互操作：拿按钮这种最简单的人机界面元素来说，如果没有事先通过各种例子认识到存在按钮这种东西并且按下它之后会启动某些关联反应，使用者甚至都无法做出按下按钮的行为。或者用[2]的话来说，所有行动都承载着理论――后天习得的理论。

将直觉与已往经验联系起来，这不仅揭示了直觉在人机交互中的真正面貌，而且指出了设计人机交互界面时的一条基础准则：由于不同的人有着不同的生活经验与知识水平，那么他们的已有经验也是不同的，这也就意味着每种类型的人都有着他们对“直觉交互界面”的不同衡量标准。有一个简单的例子可以说明这一点。

考虑一款在电脑上运行的收音机软件，它的作用是播放网络上的各类实时音频流(包括传统电台的在线音频流)。图 1模拟半导体收音机的调频指针窗口，从传统眼光而论这样的界面便是直觉的。然而，对于没有用过半导体收音机的新一代年轻人而言，他们由于频繁地接触电脑，反而会觉得图2的界面是直觉的，因为这样的界面使用的是为电脑用户所熟知的UI(User Interface，用户界面)元素，包括菜单、按钮、列表框和滚动条等等。

习惯半导体收音机操作的用户多半用不惯新式界面，而习惯新式界面、没使用过半导体收音机的用户却很可能对传统界面不知所以。这个例子充分说明了，在考虑直觉交互界面的时候，必须考虑用户群体的已往经验，依据不同的已往经验去断定直觉因素。并不存在唯一的、普适的、通用的直觉界面，这给了设计师以极大的挑战，但同时也是极大的创新动力。 此外，虽然直觉的定义没有直接体现对审美的考虑，但审美和直觉显然是互有关联的[3]。由于直觉使用与交互过程中唤起的先前知识有关，那么审美判断作为人类感知过程的起点之一，恰是诱发直觉的重要因素。一个富于美感的界面，可以抵消用户使用过程中的不安感和隔膜感，并在潜意识上促使和鼓励用户做出交互行为并保证交互行为的持续性和统一性。上面的例子也表明，对于传统用户，设计精美、极富质感的模拟界面有效地抵消了传统用户对电脑软件的不适感，方便他们使用，并且大大降低了潜在的学习成本。而对于年轻用户，他们也可以在自己熟悉的控件界面中运作自如，拉近了老技术(传统流媒体)与新技术间的距离。简而言之，具备良好审美特性的直觉界面具有重要的价值与意义，体现了人机交互界面的发展趋势。

二、直觉界面与虚拟现实

自上世纪70年代起，虚拟现实(Virtual Reality)技术的发展异常迅猛，从专业研究到商业应用乃至家用娱乐都可见其身影。从根本上而言，虚拟现实恰是交互界面直觉化的总趋势的一个反映，因为人机交互演进的内在逻辑在于，呈现和交互手段总在致力于让用户以更直观、更自然、更简便的操控方式去获得更丰富、更多态、更实时的数据资源。

简而言之，虚拟现实提供了一个具有沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)的虚拟数字富媒体环境;用户不仅可以如同设身处地一般沉浸在它所提供的丰富多彩的虚拟环境中，更可以通过各种创新的途径来与环境中的元素进行互动。沉浸性、交互性和想象性，正是虚拟现实的三个基本特征[4]：一是沉浸性，通过各种技术手段让用户产生“身临其境”的感觉，包括视觉(利用人的立体视觉原理产生虚拟的三维纵深感)、听觉(利用立体声产生虚拟物体的方位感)、触觉(通过力觉设备使用户以为在与真实的物理实体打交道)等等;二是交互性，用户可以实时地与虚拟现实系统中的各种物体进行互动操作，用户的操作不再局限于传统的键盘、鼠标或游戏杆，还包括先进的数据手套、穿着式回馈服等等;三是想象性，给用户呈现的虚拟现实场景具有超越现实场景的特殊魅力，真正做到某种意义上的“心想事成”。

从虚拟现实的上述特征可以看出，它的基本出发点就是要超越传统人机交互界面的非人性化的一面，不仅要让用户尽量溶入整个交互场景中(沉浸性)，而且要让用户以更直觉的方式去操作计算机(交互性)：首先，虚拟现实技术能够有效地将计算机交互界面直觉化，提供与日常场景尽量类似的界面，完全基于人类日常的视觉直觉。其次，虚拟现实技术能够有效地消除人机交互之间的阻隔，让用户能够通过日常的动作和行为与计算机交互。

从上文的概念分析可知，判定直觉程度要看与使用者本身的已知经验，而且使用情境和审美等其他因素也要考虑在内。虚拟现实技术本身提供了多种多样的方法，但具体的构建和应用也要遵循这样的准则。下一节将提供几个应用案例来说明这些，并综合讨论如何真正地利用虚拟现实技术去设计直觉交互界面。

三、应用案例及讨论

以虚拟现实技术为基础的直觉交互界面被广泛应用于各种层次、各种领域的实践应用之中，其目标用户群体不仅包括非专业人士(普通民众)，也包括熟悉计算机但希望寻求更直观的交互操作方式的专业人士。对于前者，他们需要能够尽量降低学习和记忆成本、兼或附带娱乐趣味性的人机界面。而对于后者，操控感良好的直觉界面可以大大提升生产率和成品率，并推动整个生产流程的优化。

日本大阪大学人机工程实验室的伊藤雄一等人研发了ActiveCube(动态积木)[5]，这个作品将直觉界面引入儿童和青少年认知学习及娱乐之中，并辅以虚拟现实或增强现实设备以提升其应用价值。每个积木都是一个边长五厘米的塑料立方体;积木里面有一块可编程集成电路，控制着一系列可选的感应器或小型设备，包括超声感应器(感知外界物体的接近)、坐标感应器(三维坐标的相对角度)、触觉感应器(最多可装两个，每个可以感应八个方向的触觉)、红外感应器、灯和电动机等。因此，每个积木实际上已经是一个独立的玩具，可以感知环境并产生相应的动态行为。更绝妙的是，这些积木还能彼此连接，连接起来的各个部分之间也可以互相通信，构成整体行为。儿童使用者不需要额外教学就可以通过直觉使用它们。这样的直觉操作界面，很好地避免了其内部的复杂结构对使用者的影响，小学低年级学生就可以独立操作。

ActiveCube的一大特色在于可以在虚拟现实场景里使用。在这种情形中，红外感应器捕捉搭建好的积木形态，并将符合此形态的虚拟物品显示出来。应用了虚拟现实技术之后，规整的积木可以任意变换成为植物、动物、日常器具等，不仅视觉效果有可观的提升，还借此允许用户进行进一步的玩耍和操控。

ActiveCube还可以在虚拟现实场景里使用。在这种情形中，红外感应器捕捉搭建好的积木形态，并将符合此形态的虚拟物品显示出来。由于ActiveCube本身只是一个简单的立方体，其六面自由连接功能限制了表面的装饰性，最后的拼装效果不一定能吸引儿童用户的兴趣。而应用了虚拟现实技术之后，古板规整的积木可以任意变换成为植物、动物、日常器具等，不仅视觉效果有可观的提升，还借此允许用户进行进一步的玩耍和操控。在上面的例子中，外表相对简陋的十字架形积木摇身一变，可成为精美的飞机，并随着积木在实际环境中的位移而在现实设备上呈现相应的飞行轨迹。

另一个实例来自于工业设计领域。当下的设计师一般都有较高的学历和较专业的计算机技能，但进行三维产品建模的时候，复杂的软件界面依然是最重要的阻碍因素，更遑论键盘加鼠标的操控方式根本就与人手的自然行为大相径庭，严重干扰了设计师的思维和创作习惯。荷兰Delft大学工业设计工程团队在这方面进行了大量研究，提出了新的解决方案，其关键就在于引入直观的手势来与计算机交互，于虚拟现实环境中完成建模工作[6-7]。

一般而言，手势比面部表情和眼动更易于捕捉和识别，又比全身姿势更易于实施(特别是在狭小空间中)，因此比较受直觉界面研究者的青睐[8]409-420。但手势也分为几个细类，不一定都适合用于人机交互。Hummels指出了三类手势，第一类是从计算机角度去定义的手势，因而非常便于计算机识别，但需要使用者去刻意学习和掌握，称不上直觉。第二类与之相反，指的是人类日常生活中的手势，优点是非常直观，但计算机程序需要特别的设计才能对其进行识别。综合了以上两种类别之优点而又尽量规避其不足的第三类手势称为描述性手势，原本自身也有着应用范围过窄的缺憾，但辅以虚拟现实技术，便可以成为有效的途径以联通设计师和计算机。 为了提高描述性手势的效果，研究人员特地设计了一个虚拟现实实验环境，见图3。在此环境中，普通设计师作为被试，不受拘束地使用他们惯常的手势进行设计创作，而这些以直觉为基础挥舞出来的手势被动作感应器记录下来，最后进行统计分析。通过这样的过程，研究人员能够采集到和分析出最适合虚拟现实环境的直觉手势。最后，对设计师而言非常直觉、对计算机而言又是相当便于识别的手势方案即可得到确定。设计师在此系统中，可以像往常操作日常物体(胶泥或板材等)一样与计算机辅助设计软件进行人机对话，不仅直觉高效，而且得益于虚拟现实环境，整个设计流程形同真实体验，大大提高了设计效率。

四、结论与展望

一直以来，“以人为本”都是人机交互设计领域的核心口号之一。但本文的分析指出，这绝不能是一句抽象的口号，而必须落实到具体的应用情境之中。另一方面，近年来关于“用户体验”的声音不绝于耳[9]，它本质上也是“以人为本”的精神的一种体现，但这个提法也存在着过于含糊的缺点，导致了许多不同的理论都以它为逻辑基础。实际上，只要明确了“人”(也即“用户”)的特定性，问题也就解决了。既然不同的人和不同的用户其自身情况多有差异，同样着眼于“以人为本”或“增进用户体验”的产品，也就必须随着人/用户的不同而给出不同的解决方案，提供不同的交互界面，才能在交互过程中让使用者满意。

直觉概念得到了厘清，但这显然并不意味着直觉交互设计的种种问题也就有了答案。如何让某种交互界面更少地占用使用者的逻辑意识(也即做到“无意识地或下意识地被使用”)，以及如何明确地定性定量分析特定用户的已往经验，并以之支持交互界面的设计，这依然是非常复杂的问题。幸而在各领域学者的努力下，此领域已有许多成功的理论或实践得以依循。在这方面最重要的一项就是关于直觉交互中的手势问题，它旨在解决人机交互场景中用什么有效的手势去操作计算机。由于手势不受传统输入设备的限制，它天然地与虚拟现实技术结合在一起[8]409-420。此外，针对现在方兴未艾的商业以及家用娱乐虚拟现实应用，直觉交互界面也是其中的研发热点。限于研究的深度及文章篇幅，本文遗憾地未能在这些方面展开论述，希望能在后继研究中逐步展开。

最后要强调的是，随着普适计算(ubiquitous computing)这个概念在强大的计算机硬件的支持下渐渐变为现实，设计和实现各种直觉交互界面已成为人机交互的核心任务。普适计算要求计算机设备可以感知周围环境的变化并执行相应的任务，在这一过程中如果交互界面做不到直觉易用，那么其计算机人性化的核心价值也就无从体现了。由此，直觉交互界面的理论与实践必将日益凸显其无比的重要性和关键性。

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