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举起手来!一切由你掌控!

2016-11-24
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被称为互联网女皇的玛丽·米克尔曾经总结道,人机交互技术每十年就会发生一次重大的变革。如果我们以苹果2007年在iPhone中使用触控屏作为人机交互技术上一次断代标志——这次变革终结了人们由PC延续下来的键鼠“崇拜”——那么今天我们正好处在又一个“新”十年的节点上。


人们一直在追求与机器的“对话”能够像人与人之间的交流那样准确和自然。据分析,在人类获取的信息中,有80%以上来自于视觉,因此让机器具有一种“视觉”能力,能够识别用户的动作并作出回应,一直是人机交互追求的境界。所以3D手势(或可扩展为“姿态”)识别,就成为了下一代人机交互技术的候选者之一。和以往的机器视觉技术不同,3D手势识别在二维信息的基础上,加上了对第三维“深度”的识别,使其能够承载的信息量以及用户体验的提升空间大大增加。



图1,Kinect改变了游戏中人机交互模式


在3D手势识别技术的应用中,不得不提的就是与微软XBOX 360游戏机配套推出的体感外设Kinect。为了能够追踪游戏玩家在z轴上的距离,第一代Kinect采用了所谓“结构光”的技术,其原理是将激光通过光栅投射到被测物体上,由于激光落点经过光栅折射产生的位移与被测物体与激光器的距离相关,所以通过监测激光落点位移的变化就可以推算出物体距离的远近。采用这种3D手势识别技术,彻底改变了用户参与游戏的方式,让肢体的运动取代了操纵杆的摇摆。


从此,各种3D手势识别技术逐渐发展起来。一种更为简便的光飞时间(Time of Flight, ToF)技术成为结构光技术在Kinect上的继任者。ToF系统会将一束红外光发射到物体上,通过一个CMOS图像传感器测量红外光往返于摄像头和被测物体之间的时间,由此来计算物体的“深度”信息。基于ToF技术,谷歌推出了Tango项目,旨在让手机和平板电脑能够具备三维感知的能力,联想已经率先将Tango的成果应用到了首款AR手机PHAB2 Pro中。



图2,Leap Motion公司多角成像技术应用在VR人机交互中


近年来,随着VR/AR的升温,多角成像技术成为开发者的另一种选择,这是与人类双目成像原理作为相似的技术,它用两个或者两个以上的摄像头同时采集图像,通过比对这些不同摄像头在同一时刻获取图像的差别,经过专门的算法计算三维深度信息。与其他两种技术相比,多摄像头成像对硬件的要求最低,但是在软件算法上要求开发者具备足够的实力,可以算是“简约而不简单”了。



图3,基于电场感应原理的近场3D手势识别技术


上述三种3D手势识别技术,可以统归为“光学识别”的范畴。言下之意,目前市场上也活跃着一些非光学的3D手势识别技术,比如Microchip公司的GestIC技术。这是一种基于电场感应原理的近场3D手势识别技术,其原理是在空间中形成一个电场,手部的运动会对电场造成扰动,通过在电场周围的电极可以感应到电场的变化,从而对3D空间中的手势做出解读和判断。这种技术的作用距离虽然有限,但是没有环境光依赖、视角限制等这些光学识别技术先天的“缺陷”,更为重要的是在功耗方面的优势——据称与光学方案相比其能耗可节省90%以上。Microchip在GestIC配套的MGC3X30系列芯片中,集成了Colibri手势识别软件,目前可以识别接近、多方向滑动、凌空轮转、3D位置追踪、接近、多点触控和点击等诸多3D手势。


从原理上看,电磁感应3D识别技术与2D的触控技术有些像“近亲”,对于开发者来说“上手”会比较快,从研发和时间成本上看,都会是一个很有吸引力的方案。


就像乔布斯当年执拗地要消除所有的物理按键,无论是哪种3D手势识别技术,都会让未来人类对机器的操控更为“无形”——举起手,你就可以掌控一切。



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