基于人工智能動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)的筆記本改良設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法建立研究

姜昱健　應(yīng)夢(mèng)　尾方義人

摘要：在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)中經(jīng)常會(huì)使用到觀察法，隨著人工智能人體姿態(tài)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，可以大幅度提升對(duì)肢體動(dòng)作的量化效率。文章以筆記本改良為研究對(duì)象，通過(guò)使用二維姿勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)，采集使用者在翻動(dòng)筆記本動(dòng)作時(shí)肢體關(guān)鍵位置信息，幫助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者有效地發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)行為觀察法難以發(fā)現(xiàn)的動(dòng)作細(xì)節(jié)，探索新的客觀評(píng)價(jià)方法，促進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)的更迭速度。

關(guān)鍵詞：行為分析；評(píng)價(jià)方法；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言筆記本被頻繁地使用于日常生活中。筆記本翻動(dòng)這個(gè)看似簡(jiǎn)單的動(dòng)作，因受尺骨神經(jīng)麻痹、頸椎神經(jīng)麻痹等病癥的影響，都會(huì)造成翻動(dòng)動(dòng)作不順暢。

根據(jù)日本人間生活工學(xué)研究中心的體感測(cè)量數(shù)據(jù)得知，年輕人翻動(dòng)紙張的速度是高齡者的1.5～2倍。高齡者在紙張翻動(dòng)時(shí)指尖與紙張的摩擦力相比于年輕人有所降低，在筆記本紙張的選擇上更傾向粗糙的紙張。

指尖與紙張間的摩擦力降低的原因是高齡者隨著年齡增加，皮膚分泌功能減退，皮脂腺及汗腺分泌減少，導(dǎo)致皮膚萎縮變薄、含水量降低，故皮膚干燥，嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量［1］。

根據(jù)德國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究表明，老年人皮膚干燥發(fā)生概率在29.5%～85.5%，其中32.0%發(fā)生于手部［2］。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題點(diǎn)，對(duì)人們?cè)谌粘Ｉ罘瓌?dòng)筆記本行為展開(kāi)觀察分析。翻動(dòng)紙張時(shí)的動(dòng)作可以分為兩大類：（1）通過(guò)指尖皮膚與紙張的摩擦卷起紙張。（2）手指從筆記本的邊緣處抬起紙張進(jìn)行翻動(dòng)。當(dāng)通過(guò)指尖皮膚與紙張摩擦的翻動(dòng)方式失敗時(shí)，會(huì)改為從筆記本邊緣抬起紙張的翻動(dòng)動(dòng)作，但從筆記本邊緣抬起紙張翻動(dòng)時(shí)會(huì)遇到紙張黏合的情況，這時(shí)使用者會(huì)采用指尖捻動(dòng)的動(dòng)作將紙張分開(kāi)。

筆者對(duì)日常使用的筆記本進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)點(diǎn)為：將筆記本邊緣做斜切處理，避免指尖抬起紙張時(shí)黏合情況的發(fā)生，從而提升翻起單頁(yè)紙張的成功率。在后續(xù)使用者的使用感受反饋中，確實(shí)得到了筆記本更易用、更容易翻起的正面反饋。然而，這些反饋僅僅停留在主觀評(píng)價(jià)層面。如何對(duì)筆記本改良進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)量化分析評(píng)價(jià)成為本研究的課題。

對(duì)上肢行為進(jìn)行量化分析，首先要對(duì)關(guān)節(jié)位置進(jìn)行定位，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)比目前已有的各種上肢姿態(tài)測(cè)定手段，非接觸式測(cè)定方法相比于接觸式測(cè)定方法具有高效性、低花費(fèi)的特征［3］。因此，本研究使用美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)在2017年開(kāi)發(fā)的二維姿勢(shì)檢測(cè)開(kāi)源系統(tǒng)OpenPose，采集翻動(dòng)筆記本動(dòng)作時(shí)肢體關(guān)鍵位置信息，幫助發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)行為觀察法難以發(fā)現(xiàn)的動(dòng)作細(xì)節(jié)，尋找改良前后筆記本與上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律間的關(guān)系［4］。

1筆記本易用性試驗(yàn)判別指標(biāo)的選取右手肘、右手手腕、左手肘、左手手腕在圖像中的投影點(diǎn)分別計(jì)做P3=［x3，y3］、P4=［x4，y4］、P6=［x6，y6］、P7=［x7，y7］，肢體關(guān)鍵點(diǎn)位置如圖1所示。使用關(guān)節(jié)坐標(biāo)點(diǎn)位創(chuàng)建密度圖，通過(guò)顏色出現(xiàn)的位置形成關(guān)節(jié)坐標(biāo)的活動(dòng)范圍，顏色的深淺呈現(xiàn)坐標(biāo)的疏密程度，可直觀地了解關(guān)節(jié)關(guān)鍵點(diǎn)的活動(dòng)范圍及運(yùn)動(dòng)軌跡。

連續(xù)翻動(dòng)紙張動(dòng)作，在動(dòng)作流暢的情況下是一種周期性運(yùn)動(dòng)。筆記本在翻動(dòng)過(guò)程中會(huì)遇到阻礙。例如：因紙張黏合無(wú)法一次性完成翻動(dòng)動(dòng)作，在上肢動(dòng)作上的體現(xiàn)為動(dòng)作流暢性不足。因此，本試驗(yàn)選取雙手手腕間的距離變化作為動(dòng)作流暢性的輔助判別指標(biāo)。

左右手腕連線：

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1試驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境低成本獲取關(guān)節(jié)位置信息也為此試驗(yàn)的目的之一。因此，本試驗(yàn)采用生活中容易獲得的拍攝設(shè)備：手機(jī)后置攝像頭。拍攝畫面分辨率為1 920×1 080，拍攝幀數(shù)為30 fps。

試驗(yàn)環(huán)境選擇獨(dú)立開(kāi)闊的室內(nèi)空間，最大限度地避免非試驗(yàn)相關(guān)人員及嘈雜環(huán)境對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的影響。拍攝設(shè)備放置于試驗(yàn)參與者的正前上方1.5m處，拍攝設(shè)備與被試者之間無(wú)任何遮擋物，保證畫面可以完整拍攝到被試者的頭、肩、肘、腕，形成在當(dāng)下拍攝方向的正投影。

2.2被試者選取10名20—30歲成年人作為試驗(yàn)對(duì)象。習(xí)慣用手均為右手，均身體健康、無(wú)肢體運(yùn)動(dòng)障礙及肢體病痛歷史，在試驗(yàn)過(guò)程中可以保持穩(wěn)定坐姿。測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)參與者均無(wú)疲勞狀態(tài)。

2.3試驗(yàn)準(zhǔn)備 第一，準(zhǔn)備被改良過(guò)的與未被改良過(guò)的筆記本各一本，在筆記本內(nèi)相同頁(yè)數(shù)的內(nèi)頁(yè)貼上貼紙進(jìn)行標(biāo)記，以此作為筆記本翻動(dòng)的目標(biāo)頁(yè)，試驗(yàn)者翻動(dòng)到目標(biāo)頁(yè)即視為此試驗(yàn)條件下的動(dòng)作結(jié)束。

第二，確保OpenPose能夠正確識(shí)別頭、肩、肘、腕關(guān)鍵點(diǎn)后，開(kāi)始試驗(yàn)拍攝。每個(gè)試驗(yàn)者分別以空手、手中持筆兩種狀態(tài)翻動(dòng)改良與未被改良過(guò)的筆記本，共4種試驗(yàn)條件，如表1所示。

3對(duì)比分析由密度圖發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)者4，5，6，7，10在空手狀態(tài)和持筆狀態(tài)下分別翻動(dòng)未被改良的筆記本與改良后的筆記本的運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)相似，如圖2所示。結(jié)合視頻

發(fā)現(xiàn)密度圖狀態(tài)相似的原因是試驗(yàn)者4，5，6，7，10均采用從筆記本下方對(duì)紙張進(jìn)行分離翻動(dòng)，如圖3所示，也就意味著對(duì)筆記本側(cè)面進(jìn)行的斜切改良處理，在這些試驗(yàn)者使用筆記本的時(shí)候不會(huì)發(fā)生作用。

試驗(yàn)者8的密度圖在所有試驗(yàn)者中變化最為復(fù)雜，如圖4所示。結(jié)合視頻發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)者8在同一試驗(yàn)條件下均使用了兩種以上的翻動(dòng)姿勢(shì)，如圖5所示。試驗(yàn)者8在采用圖6中第二種翻動(dòng)姿勢(shì)的時(shí)候，斜切改良過(guò)的邊緣反而減弱了紙張翻動(dòng)的順暢性。

對(duì)于翻動(dòng)習(xí)慣是從筆記本側(cè)面進(jìn)行的試驗(yàn)者，由密度圖可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)者1在使用未被改良后的筆記本時(shí)，右手腕部運(yùn)動(dòng)方向相較于使用改良后的筆記本時(shí)發(fā)生了縱向的位置變化，如圖6所示。也就意味著筆記本翻動(dòng)過(guò)程中有手臂向前伸展的動(dòng)作發(fā)生，結(jié)合視頻得知，試驗(yàn)者是從側(cè)面翻動(dòng)紙張失敗，從而選擇從紙張更易分離的筆記本上緣進(jìn)行翻動(dòng)。使用改良后的筆記本時(shí)，右手腕部關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍有所減小，呈現(xiàn)規(guī)律性的左右運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)于改良筆記本的對(duì)比試驗(yàn)以及結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)改良有進(jìn)一步的啟發(fā)與參照，后續(xù)的筆記本改良需盡可能地適應(yīng)不同翻動(dòng)習(xí)慣的用戶，適合從筆記本上邊緣、下邊緣翻動(dòng)紙張的用戶。人工智能動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低成本且高效的數(shù)據(jù)化肢體運(yùn)動(dòng)分析，為圖4試驗(yàn)者8的肘腕密度及雙腕間距離變化

產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域提供新的思路及客觀的技術(shù)支持。相較于依靠產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者的眼睛及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)行為觀察法，人工智能動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)能夠更有效地發(fā)現(xiàn)容易被忽略的動(dòng)作細(xì)節(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，加速產(chǎn)品的迭代。

參考文獻(xiàn)

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［3］姜昱健，應(yīng)夢(mèng)，尾方義人.輔助器具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中肢體姿態(tài)的測(cè)定方法研究［J］.藝術(shù)設(shè)計(jì)研究，2021（1）：28-30.

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（編輯 王永超）

Research on the establishment of the evaluation method of the improved design of the

book based on the artificial intelligence dynamic capture technologyJiang? Yujian， Ying? Meng， Ogata? Yoshito

（Kyushu University， Fukuoka 8158540， Japan）Abstract：? The observation method is often used in product development and product performance evaluation， and with the development of artificial intelligence human posture recognition technology， the efficiency of quantifying limb movements can be substantially improved. This paper takes the book improvement as the research object， by using a two-dimensional posture detection system to collect information on the key position of the user’s limbs when flipping the book action， to help product developers efficiently discover action details that are difficult to find by traditional behavioral observation methods， explore new objective evaluation methods， and promote the speed of change during product development.

Key words： behavior analysis; evaluation methods; product design