Leap motion簡介

王小青 傅俊飛

摘 要：leap motion是當(dāng)前市面上較新的且正在進(jìn)一步研發(fā)的一項科技創(chuàng)新。本文對leap motion做了一個功能和原理上的簡要介紹，同時通過了解它的應(yīng)用和前景進(jìn)行個人觀點上的解析。

關(guān)鍵詞：leap motion；體感控制；可交互空間

眾所周知的《鋼鐵俠》里有這樣一個片段：主角在自己的實驗室內(nèi)有個虛擬的可視化3D實驗臺，通過空中的抓取、縮放、組合，對虛擬網(wǎng)絡(luò)物體進(jìn)行操作。也許，這樣的技術(shù)情況現(xiàn)在還達(dá)不到，但是如今市面上的新技術(shù)leap motion卻使我們對該情況的實現(xiàn)更近了一步。

1 Leap Motion簡介

Leap Motion是體感控制器制造公司Leap發(fā)布的體感控制器，于2013年5月13日正式上市。而2013年7月22日發(fā)布了具有更高的軟硬件結(jié)合能力的新版的Leap Motion。

2014年8月30日Leap Motion正式在中國登陸，中文名為“厲動”，取義于“不明覺厲，動人心弦”。

我們與電腦之間的開闊空間，現(xiàn)在通過leap motion可成為雙手的舞臺。我們在空間內(nèi)隨意抓取、揮動就能對相應(yīng)Mac 或 PC進(jìn)行隔空且流暢自如地操作。同時，不管你手指每一次的移動多細(xì)微，或幅度多大，Leap Motion 體感控制器都能精確的追蹤到。從技術(shù)上來說，就是通過對手指動作的識別形成一個可交互式 的3D 空間。

我們不妨想一想：只需在空中揮動手指就可進(jìn)行瀏覽網(wǎng)頁、繪畫、游戲等一系列網(wǎng)絡(luò)操作。還可以通過leap motion體驗新的學(xué)習(xí)方式，比如直接用雙手探索宇宙，觸摸星星，彈奏空氣樂器，讓知識體驗感十足。這是多么神奇且激動人心的景象。

Leap Motion體感控制器在提供廣闊視野的同時，還利用了紅外夜視能力以增強(qiáng)現(xiàn)實感，使得虛擬和真實世界間的切換沒有遲滯感，更順滑。它動作感應(yīng)的保真度是其他景深攝像頭望塵莫及的：精度高、延遲低。

同時，Leap Motion官方已在其官網(wǎng)上出售VR設(shè)備專用的開發(fā)者底座。開發(fā)者們借助這款外設(shè)能更方便地把Leap Motion體感控制器附加到VR設(shè)備上。而且，配套的Beta版本SDK已向開發(fā)者們?nèi)骈_放，同時它能和舊款的Leap Motion控制器完美的匹配。在leap motion的體驗會上，一個由幾名高中生團(tuán)組成的團(tuán)隊，展示了獨立基于leap motion體感控制器開發(fā)的機(jī)器車；一支國內(nèi)的開發(fā)團(tuán)隊展示了基于leap motion體感控制器開發(fā)的3D全息顯示設(shè)備（Depth-VR）。

Leap Motion通過揮舞手指或手掌來和計算機(jī)進(jìn)行交互。而這一款顛覆傳統(tǒng)、新人耳目的設(shè)備，雖然能力非常新奇，但外形實際上還是非常低調(diào)的。它擁有規(guī)格為79 x 30 x 11mm的機(jī)身，頂部有紅外傳感器，是黑色的光滑面板。畢竟它的硬件設(shè)備主要是是兩個攝像頭傳感器，更多支持該技術(shù)的是如何通過復(fù)雜的算法將多樣而復(fù)雜的手指、手掌活動轉(zhuǎn)化為有效合理的數(shù)據(jù)，并能無失真的反映手指運動。

Leap Motion 控制器并不會替代鍵盤、鼠標(biāo)等外部輸入設(shè)備，而是協(xié)同工作。當(dāng)需要運行該軟件時，將它插入Mac 或 PC 中即可。

當(dāng)然，動作追蹤的能力所依靠的不僅是硬件，leap motion的能力只有依靠基于它打造的軟件才能實現(xiàn)。

2 Leap Motion的特點

1、Leap Motion 傳感器可以無一遺漏地捕捉我們?nèi)?10 只手指的所有動作，精度高達(dá) 0.01毫米。它比現(xiàn)今已有的運動控制技術(shù)精確的多很多。這使得我們可以在小至一英尺寬的立方體空間中，繪制迷你作品。

2、Leap Motion擁有150°超寬幅度的空間視場，我們可以像在真實世界中那樣，隨意地在3D空間內(nèi)移動雙手，不會有所拘束感，伸展范圍大。在其應(yīng)用中，可伸手抓住物體，移動、旋轉(zhuǎn)它們，甚至可以更改視角。

3、Leap Motion 控制器能夠以每秒 200 幀以上的速度追蹤我們的手部移動，這個速度比顯示屏刷新速度還要快，使得屏幕上的動作與我們的實際首部移動完美同步。

3 Leap Motion的原理

結(jié)構(gòu)上，Leap 傳感器內(nèi)置有兩個攝像頭，它們會從不同角度捕捉畫面，通過復(fù)雜的軟件算法重建出手指在真實三維空間的運動信息。能檢測到的范圍大致處于傳感器上25到 600 mm間，呈一個倒四棱錐體的空間。

首先，Leap Motion會建立一個如下圖的直角坐標(biāo)系，以傳感器的中心作為坐標(biāo)的原點， X 軸平行于傳感器，指向屏幕右方。坐標(biāo)軸Y 軸垂直指向空間上方。Z 軸指向背離計算機(jī)屏幕的方向。單位為毫米：

使用過程中，傳感器向Mac或PC定期發(fā)送手指的運動信息，每份信息稱為幀 （ frame ）。每幀信息包含：所有手掌的列表、信息；所有手指的列表、信息；手持工具（例如一枝筆）的列表、信息；所有可指向?qū)ο螅ㄒ簿褪撬惺种负凸ぞ哌@種可以作為有效操作點）的列表及信息。

leap 傳感器會先給所有對象分配一個唯一標(biāo)識（ID）。根據(jù)ID，通過 Frame：：hand（ ） ， Frame：：finger（ ） 等函數(shù)，可查詢每個運動對象的信息。

Leap 根據(jù)當(dāng)前幀和前一幀檢測到的數(shù)據(jù)，生成旋轉(zhuǎn)的軸向向量、旋轉(zhuǎn)的角度、平移向量、縮放因子等數(shù)據(jù)，并分析出運動信息。例如，如果檢測到兩只手同時朝一個方向移動，那么可記為平移；若像握著球一樣轉(zhuǎn)動，則認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)；如果兩只手靠近或分開，那么就是縮放。

4 Leap Motion的應(yīng)用

Airspace應(yīng)用程序商店中包括游戲、音樂、教育、藝術(shù)等分類，可用于leap motion的體驗。

在游戲上，通過在空中手指的揮動，切水果，割繩子游戲更顯魅力，暢快自如、無所阻礙地游戲，讓游戲愛好者盡情享受其中的爽快與自由。

在音樂應(yīng)用上，有一款名為AirHarp的應(yīng)用，可讓用戶彈奏數(shù)字琴弦，還可通過手指向前移動增強(qiáng)混響。AirHarp能幫我們適應(yīng)、調(diào)節(jié)手指在空中的控制動作的準(zhǔn)確性。還有一款聰明的小應(yīng)用Chordion Conductor，可以讓用戶通過不同的音色、樂器、節(jié)奏和其他設(shè)置來自主制作歌曲。

在教育性應(yīng)用方面，leap motion更突顯出其魅力。Cyber Science 3D可以讓我們通過拆分人類的頭骨更體驗性地辨別每一塊骨頭。我們還可以通過Frog Dissection應(yīng)用解剖一只數(shù)字青蛙，通過這樣模擬化的操作，從而學(xué)習(xí)到許多動物生物學(xué)的相關(guān)知識。

5 總結(jié)

關(guān)于leap motion的興起和應(yīng)用，也許它的設(shè)計并不是我們生活的必須，但是卻能豐富我們的休閑娛樂生活，讓人類的生活品質(zhì)在科技的作用下有所提高。也正是這樣一類產(chǎn)品的發(fā)展和出現(xiàn)，推動了科技的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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[3] 《Kinect體感程式設(shè)計入門》 王森 碁峰資訊股份有限公司 2012.9.1