基于Kinect體感設(shè)備投籃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐濤　黃賢立　嚴(yán)霞　林瓅

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，自然的圖形用戶界面應(yīng)運(yùn)而生，結(jié)合微軟推出的體感設(shè)備Kinect，以及游戲引擎Unity3D，可以快速搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過腳本定義投籃手勢(shì)識(shí)別算法，完成投籃手勢(shì)的識(shí)別，并利用算法算出籃球拋出時(shí)的初速度，交給Unity3D的物理引擎計(jì)算出籃球的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而完成整個(gè)虛擬的投籃過程。

關(guān)鍵詞：Kinect；體感；手勢(shì)識(shí)別；Unity3D；投籃系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.266

0 引言

根據(jù)馮·諾依曼（John von Neumann，1903～1957）的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)分為五大部分——運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備?，F(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍是馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)，只是做了一些改進(jìn)而已，并沒有從根本上突破馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的束縛。對(duì)于計(jì)算機(jī)的研究和使用人員來說，計(jì)算機(jī)的發(fā)展最終需要解決的問題就是輸入和輸出的問題。如何對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行高效準(zhǔn)確的輸入，以及如何讓計(jì)算機(jī)通過算法，進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，輸出人們想要的結(jié)果，一直是計(jì)算機(jī)研究的一個(gè)重要課題。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，自然的用戶界面（NUI） 隨之出現(xiàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的用戶輸入方式——鼠標(biāo)鍵盤，自然的用戶界面顯得更加人性化。比如語音輸入，手勢(shì)識(shí)別等。顯然，自然的用戶界面更加符合人們的行為習(xí)慣。自然的用戶界面更加健康，它可以讓對(duì)計(jì)算機(jī)的輸入變成與一個(gè)人的交流，讓用戶可以有更加身臨其境的感覺。

1 現(xiàn)實(shí)生活中體感手勢(shì)的運(yùn)用

人們?cè)谌粘５慕浑H中，經(jīng)常會(huì)用到一些手勢(shì)，來使得對(duì)問題的表述更加具有表現(xiàn)力。這些手勢(shì)不僅僅只是手指的動(dòng)作，也不能理解為手部的動(dòng)作。手勢(shì)是一個(gè)廣泛的概念，它包含了有含義、有意義的肢體動(dòng)作。這也就是說，一個(gè)踢腿的動(dòng)作，也可以被定義為手勢(shì)。敲擊鍵盤不是一個(gè)手勢(shì)，因?yàn)槭种缚焖俚陌聪履骋粋€(gè)按鍵既不容易被觀察到，也不能直觀地表達(dá)其含義。

然而，手勢(shì)不只是用在交際表達(dá)中，人們?cè)谌粘５纳钪?，也無處不用到手勢(shì)。例如，在擰開飲料瓶蓋的時(shí)候，需要用手握緊瓶蓋，另一只抓緊瓶身，通過手腕、手臂的共同協(xié)作，完成擰下瓶蓋的動(dòng)作。擰下瓶蓋的動(dòng)作，就是一個(gè)手勢(shì)。我們可以忽略在完成這些動(dòng)作過程中所使用到、接觸到的實(shí)際存在的物體，而把注意力轉(zhuǎn)移到肢體本身。假設(shè)物體并不存在的，讓你筆畫著空氣來完成一個(gè)擰瓶蓋的動(dòng)作，讓另外一個(gè)人去猜你現(xiàn)在正在做的動(dòng)作，是否他一眼就能看出你正在演示擰瓶蓋的動(dòng)作呢？

2 基于Kinect體感設(shè)備的籃球系統(tǒng)

2.1 手勢(shì)的識(shí)別

如果“猜”出你所做手勢(shì)的是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，那么就涉及到計(jì)算機(jī)的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)。讓計(jì)算機(jī)去完成一個(gè)手勢(shì)的識(shí)別、判斷是非常困難的。首先，我們要設(shè)法獲取人體的相關(guān)信息，這涉及到圖形、圖像識(shí)別技術(shù)、深度數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。通過微軟研制的Kinect，其攝像頭在收集了人體的視頻信息之后，通過算法的處理，可以把人的肢體信息凝練為20個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)。它可以準(zhǔn)確標(biāo)定人體的這20個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)這20個(gè)點(diǎn)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。在程序及算法設(shè)計(jì)中，人的肢體運(yùn)動(dòng)，會(huì)使得身體各個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值發(fā)生改變。通過設(shè)置合理的數(shù)值，當(dāng)骨骼節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)差值超過某個(gè)設(shè)定值的時(shí)候，觸發(fā)某一個(gè)狀態(tài)位或一系列狀態(tài)位的改變，從而完成一個(gè)手勢(shì)或者一系列手勢(shì)的判定。例如，完成一個(gè)完整的投籃手勢(shì)，需要先抬起手臂。以右手為例，抬起右手意味著右手腕節(jié)點(diǎn)的y坐標(biāo)值超過了右肩膀節(jié)點(diǎn)的y坐標(biāo)值，也就是實(shí)際空間中的右手高度，高于右肩膀高度。此時(shí)，應(yīng)該觸發(fā)抬手狀態(tài)位的改變，告訴系統(tǒng)，投擲者的手臂已經(jīng)抬起，準(zhǔn)備進(jìn)行下一步的判斷與計(jì)算。

當(dāng)然，在手臂放下之后，要把抬手狀態(tài)位還原，告訴系統(tǒng)，投擲者的手臂已經(jīng)放下，不能繼續(xù)進(jìn)行投擲算法，不然系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤投擲判斷。由此，抬手狀態(tài)的觸發(fā)就相當(dāng)于投擲算法的第一個(gè)開關(guān)，整個(gè)投籃手勢(shì)也是由一系列手勢(shì)構(gòu)成的。

2.2 運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算

籃球在空間中的運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)球體的物理運(yùn)動(dòng)，需要物理引擎來提供物理算法，通常的游戲引擎都會(huì)帶有物理引擎，我們使用Unity3D游戲引擎中的物理引擎，來完成籃球運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算。這樣，我們只需要把籃球被拋出時(shí)的方向和速度提供給物理引擎，就可以完成籃球運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算了。

現(xiàn)實(shí)中，人完成投籃動(dòng)作，就是給籃球一個(gè)加速度。通過手部用力，讓籃球和手擁有相同的速度。當(dāng)手部停止加速，開始減速，籃球也就不再加速，并且脫離手部，不再和手有接觸。籃球擁有了初始速度，就開始拋物運(yùn)動(dòng)。這里我們忽略空氣阻力的作用。在三維空間中，需要把加速度及速度分解到相互垂直的三個(gè)方向上，也就是三維坐標(biāo)系中，計(jì)算三個(gè)方向上的加速度，最終提交給Unity3D的物理引擎，形成一個(gè)和速度進(jìn)行計(jì)算。手部三個(gè)方向上的加速度，可以通過速度計(jì)算公式獲得。Kinect提供給我們每秒30幀的骨骼節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)位置變化，一個(gè)方向上坐標(biāo)的差值除以時(shí)間，就可以得到此方向上的速度，進(jìn)一步就可以得到此方向上的加速度。

2.3 模型的構(gòu)建

最后，我們?cè)赨nity3D中創(chuàng)建場(chǎng)景，添加籃球架的模型，并添加腳本判斷籃球是否投進(jìn)，進(jìn)行計(jì)分，并給籃球和籃框添加碰撞器，當(dāng)籃球碰觸籃框時(shí)，進(jìn)行碰撞的檢測(cè)和碰撞結(jié)果的計(jì)算，模擬真實(shí)的投籃環(huán)境，構(gòu)成一個(gè)完整的投籃系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈緒榜，劉澤響，王茹.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模型[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007，30（05）：731-736.

[2]張茫茫，傅紅.基于實(shí)體用戶界面與自然用戶界面結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].研究論文，2013，31（28）：99-102.

[3]曹雛清，李瑞峰，趙立軍.基于深度圖像技術(shù)的手勢(shì)識(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（08）：16-21.

[4]朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（10）：36-40.

作者簡介：徐濤（1993-），男，江蘇人，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。