李文杰，吳黎明，鄧耀華

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006)

責(zé)任編輯:魏雨博

互動(dòng)投影系統(tǒng)是一種新型的多媒體展示平臺(tái)，采用先進(jìn)的投影顯示、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別、人工智能技術(shù)來(lái)營(yíng)造一種奇幻動(dòng)感的交互體驗(yàn)。與傳統(tǒng)的觸摸屏不同，互動(dòng)投影系統(tǒng)在顯示方面可以以微小的體積提供數(shù)十倍尺寸大小的縮放，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果。在此之外，與傳感器件的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)不需要其他介質(zhì)，利用磁性跟蹤[1]、慣性跟蹤[2]、聲波跟蹤[3]以及視覺(jué)跟蹤[4]等技術(shù)，用戶(hù)既可以直接使用語(yǔ)音進(jìn)行交互，也可以使用自然手勢(shì)與投影區(qū)域上的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行無(wú)線交互。目前互動(dòng)投影系統(tǒng)的主流研究存在兩個(gè)發(fā)展方向:計(jì)算機(jī)視覺(jué)互動(dòng)、力學(xué)感應(yīng)互動(dòng)[5]。以力學(xué)感應(yīng)技術(shù)為主的投影互動(dòng)系統(tǒng)是在人們身體的交互部位上附帶力學(xué)傳感器用于采集交互人不同交互手勢(shì)下的肌肉與神經(jīng)信息，該技術(shù)可識(shí)別多種交互手勢(shì)，且識(shí)別率高，但傳感設(shè)備費(fèi)用昂貴，攜帶不方便，靈活性差。以背投方式的投影——攝像互動(dòng)系統(tǒng)[6]因其投影和屏幕連為一體，需要紅外對(duì)管等傳感設(shè)備等原因，同時(shí)占用空間較大，限制了應(yīng)用設(shè)備的使用環(huán)境。而正投方式的投影——攝像互動(dòng)系統(tǒng)是采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)互動(dòng)的典型應(yīng)用，因其投影儀和攝像設(shè)備嵌為一體的設(shè)計(jì)理念，具有易攜帶和易轉(zhuǎn)移的特性，且具有可應(yīng)用于任意環(huán)境的多種投影界面等優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足了人們應(yīng)用靈活性方面的需求。

1 正投式投影——攝像交互的優(yōu)勢(shì)

據(jù)調(diào)研報(bào)告分析，現(xiàn)如今大部分投影交互系統(tǒng)的市場(chǎng)份額由正投式投影交互系統(tǒng)占領(lǐng)，主要以電子白板為主，但隨著人們對(duì)人機(jī)交互過(guò)程中的舒適感和界面友好性的追求和重視，電子白板市場(chǎng)份額呈下降趨勢(shì)，以激光筆為交互輔助設(shè)備的交互技術(shù)[7-8]因其無(wú)法滿(mǎn)足準(zhǔn)確度和靈活性要求的原因無(wú)法被大規(guī)模推廣應(yīng)用，而無(wú)輔助設(shè)備的人機(jī)交互技術(shù)的研究成為主流。目前比較成熟并獲得推廣的應(yīng)用有背投觸摸[9]、虛擬翻書(shū)[10]、全息互動(dòng)[11]、地面互動(dòng)等。這些以背投式交互技術(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用充分考慮人機(jī)交互的舒適感，具有友好的人機(jī)互動(dòng)界面，且交互干擾小、定位識(shí)別精確、實(shí)時(shí)性高。但在這些應(yīng)用中，投影儀與投影屏幕合為一體，投影儀與投影面位置相對(duì)固定，同時(shí)采用背投的方式進(jìn)行投影，投影系統(tǒng)占用空間較大，難以擺放，大大限制了應(yīng)用設(shè)備的使用環(huán)境，設(shè)備安裝固定無(wú)法滿(mǎn)足隨時(shí)隨地轉(zhuǎn)移使用，情況如圖1所示。

以力學(xué)感應(yīng)技術(shù)為主的投影互動(dòng)系統(tǒng)[12]主要是在人們身體的交互部位上附帶力學(xué)傳感器用于采集交互人不同交互手勢(shì)下的手部肌肉和神經(jīng)反應(yīng)信息，該技術(shù)可識(shí)別多種交互手勢(shì)，且識(shí)別率高，但傳感設(shè)備費(fèi)用昂貴，攜帶不方便，靈活性差，早期和目前的力學(xué)傳感交互如圖2、圖3所示。

圖1 背投觸摸

而滿(mǎn)足任意環(huán)境下應(yīng)用的正投式的投影——攝像互動(dòng)系統(tǒng)[13]，因其投影儀和視覺(jué)設(shè)備嵌為一體的設(shè)計(jì)理念，具有易攜帶和易轉(zhuǎn)移特性，可用于多種投影界面下，滿(mǎn)足了人們應(yīng)用靈活性方面的需求。同時(shí)交互方式無(wú)需攜帶特定的電子設(shè)備，具有良好的人機(jī)交互特性，滿(mǎn)足人們交互的舒適感和方便性需求。故針對(duì)任意環(huán)境下的正投式投影——攝像系統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)的研究是未來(lái)該領(lǐng)域取得技術(shù)突破的關(guān)鍵。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)在無(wú)輔助設(shè)備，正投環(huán)境下的投影——攝像系統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了艱苦的探索和研究。因其在識(shí)別過(guò)程中具有復(fù)雜動(dòng)態(tài)背景和投影光線等干擾因素，故與傳統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)相比具有更高的挑戰(zhàn)性。意大利學(xué)者Hiroki Goto[14]等人提出利用手勢(shì)膚色在改進(jìn)的HSV顏色空間和YCbCr兩種顏色空間下具有顏色聚類(lèi)特性對(duì)交互手勢(shì)與背景進(jìn)行分割，并采用幀差法消除背景，設(shè)計(jì)閾值減除與交互手勢(shì)運(yùn)動(dòng)頻率不一致的干擾源，并采用模板匹配的方式識(shí)別指尖。該研究相對(duì)于利用單一顏色空間提取膚色要精確，根據(jù)交互手勢(shì)運(yùn)動(dòng)頻率的先驗(yàn)知識(shí)去除背景干擾也是一大創(chuàng)新，且模板匹配方法對(duì)指尖識(shí)別率較高。從外界環(huán)境出發(fā)，該方法的識(shí)別策略與傳統(tǒng)手勢(shì)識(shí)別類(lèi)似，只適用于投影內(nèi)容單一、投影光線未對(duì)手勢(shì)皮膚的顏色采集造成噪聲以及投影背景未出現(xiàn)類(lèi)交互手勢(shì)的情況。從手勢(shì)本身分析，手勢(shì)為非剛性物體，具有空間上的多種變形，模板匹配的方法容易造成指尖的誤檢。系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

瑞士研究人員Huan Du[15]提出了一種虛擬鍵盤(pán)交互系統(tǒng)，使用投影儀在桌面上投射出與真實(shí)尺寸大小相同的的虛擬鍵盤(pán)，利用3D攝像頭捕獲敲擊鍵盤(pán)的手的深度信息，判斷手指的位置和敲擊動(dòng)作，如圖5所示。該研究采用幀差法定位手指區(qū)域，結(jié)合指尖具有特殊夾角的特征定位手指，最后利用構(gòu)建類(lèi)雙目的結(jié)構(gòu)獲取手指的深度以捕捉手指敲擊虛擬鍵盤(pán)的動(dòng)作。該應(yīng)用系統(tǒng)較為新穎，但在復(fù)雜背景和投影光線雙重干擾的情況下，基于雙目的手勢(shì)識(shí)別算法運(yùn)算量大，文中敘述的系統(tǒng)只能針對(duì)靜態(tài)背景(固定的投影虛擬鍵盤(pán))下的手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)于動(dòng)態(tài)的復(fù)雜背景沒(méi)有進(jìn)行討論，實(shí)際應(yīng)用范圍小。

2011年，美國(guó)蘋(píng)果公司[16]提出把包括一個(gè)全息成像和一個(gè)類(lèi)似Kinect的3D空間手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)申請(qǐng)為專(zhuān)利，系統(tǒng)能在用戶(hù)前方生成一個(gè)不可視的3D空間，在這個(gè)空間里面用戶(hù)能對(duì)全息投影進(jìn)行操作，或者將用戶(hù)的手投影到屏幕上以操作虛擬部件，如投影鍵盤(pán)等，如圖6所示。但截至到目前，蘋(píng)果公司并未投產(chǎn)該款電子設(shè)備。

圖6 蘋(píng)果投影互動(dòng)專(zhuān)利

國(guó)內(nèi)方面，2008年6月浙江大學(xué)的陳成錢(qián)[17]采用紅外攝像技術(shù)解決投影光線對(duì)手勢(shì)膚色的干擾問(wèn)題，利用膚色模型和自然手勢(shì)的輪廓、手指長(zhǎng)寬比、以及指尖夾角等人體固有特征，將二維輪廓轉(zhuǎn)化為一維波形求極值，并結(jié)合采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法識(shí)別手指。該方法使用紅外燈源正面照射觸摸界面，對(duì)觸摸界面的材質(zhì)、燈源位置、光強(qiáng)要求太高，且未考慮手勢(shì)是非剛性的物體，只能識(shí)別手指，無(wú)法解決多樣性的非剛性手勢(shì)問(wèn)題。

2010年10月張正友、高睿[18]等人實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)移動(dòng)電子設(shè)備基于投影儀攝像的人機(jī)交互系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)三維交互投影面的隨時(shí)變換，系統(tǒng)如圖7所示。該系統(tǒng)可以在單攝像頭激光投影系統(tǒng)中完成3D的自然交互。該系統(tǒng)利用激光投影儀可以對(duì)投影空間進(jìn)行逐行投射掃描的優(yōu)勢(shì)，利用平行投射光反射回來(lái)的信息使用高速攝像機(jī)記錄下場(chǎng)景中物體的深度信息，精確度高達(dá)1～2 cm。不過(guò)該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的要求極高，不管是精確投射平行光線且具有反射特性穩(wěn)定的激光投影機(jī)，還是高采集速度的攝像設(shè)備，都需要投入較高的成本。

圖7 移動(dòng)三維交互場(chǎng)

2011年5月中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的朱中的[19]首次考慮到了動(dòng)態(tài)背景中出現(xiàn)類(lèi)似于交互手勢(shì)對(duì)識(shí)別的干擾問(wèn)題，從光度學(xué)反射角度出發(fā)，根據(jù)人手皮膚的血紅素和黑血素本身對(duì)不同波段光具有不同反射強(qiáng)度的特點(diǎn)區(qū)別于投影屏幕具有統(tǒng)一反射特性來(lái)定位和分割手勢(shì)，最后通過(guò)徑向?qū)ΨQ(chēng)變換算法定位指尖。該方法新穎獨(dú)特，但受投影環(huán)境光照影響較大，且只能識(shí)別指尖，未涉及復(fù)雜手勢(shì)的識(shí)別，應(yīng)用范圍有限。

2012年筆者結(jié)合利用交互手勢(shì)被投影光線遮擋在投影屏幕上產(chǎn)生的背影作為交互指令[20]。該方法新穎獨(dú)特，利用陰影的顏色特性進(jìn)行手勢(shì)分割相對(duì)于膚色更加簡(jiǎn)單，且交互范圍更大。同時(shí)采用高斯模型跟蹤交互手指，最后結(jié)合徑向?qū)ΨQ(chēng)變換算法和指尖具有一定角度的特性定位指尖。相對(duì)于之前的算法，該方法運(yùn)算量小、定位精準(zhǔn)，但對(duì)于投影內(nèi)容出現(xiàn)類(lèi)手勢(shì)陰影容易出現(xiàn)誤判。

3 技術(shù)研究難點(diǎn)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)正投式投影——攝像互動(dòng)系統(tǒng)的研究給予了極大的關(guān)注，然而目前還存在一些技術(shù)難題:

1)正投式投影交互過(guò)程中，存在交互人阻擋投影光線而形成的投影背影、投影內(nèi)容存在與交互手勢(shì)相同或類(lèi)似的投影物、多操作目標(biāo)和多操作交互人之間等干擾影響因素;

2)大多研究工作都集中于手勢(shì)識(shí)別算法的優(yōu)化上，而未把交互手勢(shì)作為系統(tǒng)整體的一部分進(jìn)行考慮，正如觸摸筆操作觸摸屏一樣，忽略交互人的感知機(jī)制和感知能力，從而系統(tǒng)無(wú)法理解人的交互操作意圖;

3)從機(jī)器視覺(jué)的角度出發(fā)，為了將手勢(shì)從動(dòng)態(tài)的背景中提取分割出來(lái)，對(duì)變化背景適應(yīng)性差，要求用戶(hù)攜帶具有特殊顏色的物體以利于標(biāo)定或采用特殊黑光源的方式[21];

4)數(shù)據(jù)量的處理十分龐大，處理算法復(fù)雜，傳統(tǒng)的軟硬件設(shè)備難以滿(mǎn)足復(fù)雜背景下多維和多交互人手勢(shì)識(shí)別運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求。

這些技術(shù)難題對(duì)交互手勢(shì)的識(shí)別率以及拒識(shí)率有很大程度的影響，因此在交互過(guò)程中容易出現(xiàn)交互不友好，使人們產(chǎn)生交互的頓挫感。

故如何根據(jù)人類(lèi)的交互習(xí)慣等先驗(yàn)知識(shí)，簡(jiǎn)化識(shí)別算法，提高運(yùn)行效率，并建立交互手勢(shì)與正投式投影——攝像系統(tǒng)的一體化模型，增強(qiáng)人機(jī)虛實(shí)互動(dòng)的感知體驗(yàn)是未來(lái)該領(lǐng)域技術(shù)研究的突破方向。

4 研究解決思路

針對(duì)正投環(huán)境復(fù)雜背景下的投影——攝像多點(diǎn)觸摸多方式柔性互動(dòng)建模方法的技術(shù)難點(diǎn)，研究建立純手勢(shì)與投影屏幕交互的智能感知機(jī)制[22]，建立任意投影面下的多方式交互判別策略，構(gòu)建滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、魯棒性要求的投影——攝像交互系統(tǒng)是該領(lǐng)域技術(shù)研究的目標(biāo)。主要方向著重研究基于正投式復(fù)雜背景下對(duì)干擾因素進(jìn)行分析并約簡(jiǎn)，并在該基礎(chǔ)上，針對(duì)多交互人、多維、多方式的交互情況構(gòu)建通用語(yǔ)義表達(dá)模型，根據(jù)特定的模型識(shí)別算法，利用硬件高速運(yùn)行效率開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的IP核以及構(gòu)建多核并行協(xié)同處理策略，以期滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。具體可分解為以下問(wèn)題的研究:

1)投影攝像復(fù)雜背景下人機(jī)交互增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)建模

正投式投影攝像系統(tǒng)在交互過(guò)程中，存在交互人阻擋投影光線而形成的投影背影、投影背景存在與交互手勢(shì)相同的內(nèi)容、多操作目標(biāo)和多操作交互人之間等干擾影響因素。通過(guò)視覺(jué)的方式獲取和判別交互人真正的操作指令是交互的最終目的，而對(duì)這些干擾影響因素進(jìn)行客觀分析是獲取操作指令的前提。且交互人在操作交互指令的過(guò)程中，包涵著本人強(qiáng)烈的行為意識(shí)，存在豐富的已知信息，如何設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析方法對(duì)互動(dòng)控制影響因素進(jìn)行約簡(jiǎn)是解決難點(diǎn)的重要步驟;為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸等真實(shí)的交互體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多交互目標(biāo)與投影屏幕的無(wú)縫融合滿(mǎn)足交互人的真實(shí)感知體驗(yàn)是難點(diǎn)的重要關(guān)鍵問(wèn)題。而虛擬目標(biāo)和真實(shí)交互動(dòng)作的無(wú)縫實(shí)時(shí)融合是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域中所要實(shí)現(xiàn)的具體目標(biāo)。先根據(jù)場(chǎng)景幾何特征確定投影屏幕目標(biāo)與交互手勢(shì)之間的關(guān)系，然后通過(guò)投影補(bǔ)償?shù)姆椒▽⑻摂M交互手勢(shì)投影至屏幕，與交互目標(biāo)形成特定的空間位置關(guān)系。精確、快速的幾何配準(zhǔn)方法是手勢(shì)與投影屏幕虛實(shí)融合和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，例如解決圖8中手勢(shì)交互中與屏幕的融入問(wèn)題。

圖8 手勢(shì)融入和手勢(shì)假融入

2)投影攝像復(fù)雜背景下多方式柔性互動(dòng)建模方法研究

在投影——攝像人機(jī)交互技術(shù)研究中，研究人員的焦點(diǎn)大多集中于傳統(tǒng)手勢(shì)單一交互方式的研究，如手勢(shì)的平面拉伸、縮放、旋轉(zhuǎn)等。而隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用和推廣以及人們對(duì)真實(shí)體驗(yàn)需求的上升，不僅存在簡(jiǎn)單的平面交互的情況，虛擬物體的三維操作，而且多交互人的協(xié)同操作等交互方式也將成為未來(lái)研究的必然趨勢(shì)。故在投影攝像復(fù)雜背景下對(duì)交互目標(biāo)平面多點(diǎn)的特征提取，三維平面的多點(diǎn)特征提取，多目標(biāo)特征提取等基礎(chǔ)上，分析各種方式特征的統(tǒng)一特性，構(gòu)建多方式柔性互動(dòng)控制通用語(yǔ)義表達(dá)模型，實(shí)現(xiàn)通用的操作指令是另一關(guān)鍵性問(wèn)題。雙手實(shí)時(shí)交互的多維方式的實(shí)時(shí)交互[23]的實(shí)現(xiàn)不但需要實(shí)時(shí)地正確識(shí)別動(dòng)態(tài)復(fù)雜手勢(shì)，而且需要通過(guò)提取各種方式的交互特征，辨別同種手勢(shì)不同平面、不同維度的交互動(dòng)作，并需要建立雙手多方式運(yùn)動(dòng)的語(yǔ)義模型(類(lèi)似中國(guó)科學(xué)院馬義勇博士構(gòu)建的手語(yǔ)模型[24])，對(duì)雙手行為的顯式或隱喻語(yǔ)義進(jìn)行正確的判斷。故如何設(shè)計(jì)快速匹配算法識(shí)別靜態(tài)手勢(shì)，并在該基礎(chǔ)上針對(duì)動(dòng)態(tài)手勢(shì)涉及到時(shí)間及空間上下文問(wèn)題，不同的手勢(shì)具有不同的軌跡軸及時(shí)間軸與空間軸的復(fù)合處理因素設(shè)計(jì)具有時(shí)序建模能力的動(dòng)態(tài)識(shí)別算法是另一技術(shù)解決思路。

3)投影攝像復(fù)雜背景下柔性互動(dòng)控制多核協(xié)同計(jì)算研究

投影攝像復(fù)雜背景下多方式柔性互動(dòng)系統(tǒng)涉及到背景噪聲的約簡(jiǎn)、多目標(biāo)的識(shí)別、目標(biāo)行為的分析以及視覺(jué)觸控命令的執(zhí)行等一系列較為復(fù)雜的過(guò)程，系統(tǒng)運(yùn)算復(fù)雜度極大，傳統(tǒng)的軟硬件處理方式無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。故可從多核協(xié)同計(jì)算的方向?qū)で笸黄疲槍?duì)各種交互方式特定的特征提取識(shí)別算法，采用硬件代替軟件的優(yōu)化方式，封裝專(zhuān)用的IP處理核提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。然后，在此基礎(chǔ)上，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)模式，從多個(gè)硬件IP核的功能依賴(lài)關(guān)系和數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系、分立目標(biāo)的移動(dòng)與多目標(biāo)的行為目的之間的聯(lián)系等方面著手分析，制定可提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的多核協(xié)同調(diào)度策略。故如何針對(duì)各種交互方式特定的特征提取識(shí)別算法并設(shè)計(jì)封裝專(zhuān)用的IP處理核提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)各算法處理順序制定可提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的多核協(xié)同調(diào)度策略是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的實(shí)時(shí)性和可靠性方面的解決思路。

5 小結(jié)

近年來(lái)，隨著基于機(jī)器視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，人們對(duì)虛擬投影交互應(yīng)用的需求日漸增加，其中包括企事業(yè)單位的會(huì)議交流、軍事模擬布局、餐飲服務(wù)業(yè)的點(diǎn)餐服務(wù)、手機(jī)投影互動(dòng)等領(lǐng)域。而目前該技術(shù)的研究遇到了發(fā)展瓶頸，本文從正投式投影——攝像交互技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀出發(fā)，理清目前技術(shù)的發(fā)展情況和技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)投影互動(dòng)案例進(jìn)行歸納，總結(jié)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)各技術(shù)難題從交互流程順序上進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分解:首先從人機(jī)交互感知體驗(yàn)出發(fā)提出人機(jī)交互增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)建模思路，從而以便仿真和評(píng)價(jià)用戶(hù)體驗(yàn)虛實(shí)融合的真實(shí)感知，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互無(wú)縫虛實(shí)融合。然后從人機(jī)交互的多維多方式的交互出發(fā)提出提取多維多方式的交互特征構(gòu)建通用語(yǔ)義互動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)柔性互動(dòng)思路。最后針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，提出采用多核協(xié)同計(jì)算的方式等構(gòu)建正投式投影——攝像交互系統(tǒng)思路，以期為研究人員后續(xù)開(kāi)發(fā)提供解決思路。

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