戴路 張潔

摘要：為改善現(xiàn)有兒童安全教育體系功能，解決傳統(tǒng)安全教育枯燥問題，采用Unity 3D游戲引擎架構(gòu)，搭建兒童安全教育場(chǎng)景，結(jié)合Kinect傳感器采集體驗(yàn)者骨架信息。通過簡(jiǎn)易分析，判斷體驗(yàn)者動(dòng)作狀態(tài)，導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D動(dòng)畫控制器，開發(fā)一款基于體感交互的兒童安全教育平臺(tái)。系統(tǒng)在兒童安全體驗(yàn)館受到歡迎，是一款互動(dòng)性良好、兒童易接受、成本適中的安全教育平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：Kinect；體感交互技術(shù)；兒童安全教育平臺(tái)

DOIDOI：10.11907/rjdk.181349

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）008-0144-05

英文摘要Abstract：In order to improve the existing children safety education system，an innovative child safety education platform based on the sense of body interaction is developed.To solve the problem of traditional safety education，the system adopts Unity 3D game engine structure to build children safety education scenario，and combines Kinect sensor to collect experiencers' skeleton information.Through simple analysis，we can judge operators' action state and import Unity 3D animation controller to build children safety education platform together.After the completion of the system debugging，it is welcomed by the children and parents in all kinds of exhibitions.Kinect-based somatosensory and interactive children safety education platform is a good-quality，safe，and affordable platform for children.

英文關(guān)鍵詞Key Words：Kinect；somatosensory interaction technology；children's safety education platform

0 引言

意外傷害是兒童成長(zhǎng)的重要威脅，世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)聯(lián)合出版的《世界預(yù)防兒童傷害報(bào)告》顯示：全世界每天有2 000多個(gè)家庭因非故意傷害或意外事故而失去孩子，從而使這些家庭變得支離破碎，而更多的兒童因?yàn)橐馔馐鹿试斐捎谰脗?。如果世界各?guó)采取有效干預(yù)，每天可挽救1 000多名兒童的生命。如果兒童具有一定的安全常識(shí)，這些傷害大部分是可以避免的[1]。

現(xiàn)今的安全教育一般是通過口頭或書面方式，這種方式效果不是很好[2]。而教育效果較好的兒童安全體驗(yàn)館，因?yàn)榻ㄔO(shè)費(fèi)用高，絕大多數(shù)兒童無法通過這條途徑獲得教育機(jī)會(huì)。為改善這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一款交互性良好、兒童易接受、成本適中的安全教育模式[3]。

1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)以現(xiàn)有安全教育措施為基礎(chǔ)，采用Unity 3D游戲引擎構(gòu)建虛擬的安全教育場(chǎng)景，將體驗(yàn)者帶入虛擬的安全場(chǎng)景中。通過動(dòng)作捕捉傳感器，實(shí)時(shí)捕捉體驗(yàn)者姿態(tài)，并判斷其動(dòng)作，根據(jù)體驗(yàn)者的動(dòng)作反饋進(jìn)行體感交互[4]。安全場(chǎng)景采用虛擬提示，通過體感的交互方式將體驗(yàn)者“帶入”虛擬的安全場(chǎng)景中，“親自”完成整個(gè)安全過程[5]，以達(dá)到安全教育的目的。

本系統(tǒng)的動(dòng)作捕捉傳感器選擇微軟公司的Kinect V2。Kinect V2是微軟公司于2013年推出的Kinect V1的升級(jí)版，其內(nèi)部的高清攝像頭能采集30fps的1 080p的RGB圖像，獨(dú)立的30fps紅外傳感器能采集30fps的512×424的紅外圖像數(shù)據(jù)，還能得到相當(dāng)于3倍Kinect V1精度的深度數(shù)據(jù)。Kinect V2還具備同時(shí)捕捉6個(gè)人體的準(zhǔn)確姿態(tài)，每個(gè)人體能識(shí)別出25個(gè)重要關(guān)節(jié)，同時(shí)識(shí)別兩個(gè)人體簡(jiǎn)單手勢(shì)，還能判斷出一個(gè)人體的簡(jiǎn)單表情。前端的麥克風(fēng)陣列組具備聲音定位功能，加入微軟推薦的Speech Platform語言包還能實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別 [6]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 安全體驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。引擎中自帶Asset store，該商店是一個(gè)插件交互商店，開發(fā)者可售賣自己開發(fā)的插件，也可購(gòu)買大量?jī)?yōu)秀的成品插件，這種模式大大加快了應(yīng)用開發(fā)的周期[7-8]。

本文通過Asset store獲得相關(guān)插件，構(gòu)建了多套不同安全教育場(chǎng)景，虛擬安全場(chǎng)景效果如圖3所示。

2.2 Kinect V2在Unity 3D上的應(yīng)用

Unity 3D上Kinect V2常用插件有：

（1）專用插件包KinectFor Windows_UnityPro_2.0，該插件包在微軟的官方網(wǎng)站上可下載，下載后導(dǎo)入所有資源及導(dǎo)入場(chǎng)景后，Hierarchy有如圖4所示預(yù)制項(xiàng)目。

插件包提供的示例場(chǎng)景展示了Kinect的大部分功能，BodyView實(shí)現(xiàn)Kinect實(shí)時(shí)采集人體的25個(gè)關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)，具體關(guān)節(jié)如圖5所示。將每個(gè)相連關(guān)節(jié)搭接起來，形成一具人體骨骼框架[9-10]。

ColorView將Kinect采集的30fps的1 080p RGB圖像實(shí)時(shí)顯示，InfraredView將30fps的512×424的紅外圖像實(shí)時(shí)顯示，DepthBase將深度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，具體效果如圖6所示。

（2）卡耐基梅隆的KinectWrapper插件包。從Kinect SDK1.0版本就開始支持卡耐基梅隆的KinectWrapper插件包，一直到當(dāng)前的Kinect SDK2.0。插件包可從Unity 3D自帶的Asset Store中獲得。下載后導(dǎo)入所有資源及加載AvatarsDemo場(chǎng)景所有的預(yù)制項(xiàng)目，如圖7所示。

AvatarsDemo這個(gè)示例場(chǎng)景通過Kinect傳感器讀取人體主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)以及姿態(tài)，將這些數(shù)據(jù)綁定到一個(gè)動(dòng)畫人物的骨架上，可實(shí)現(xiàn)虛擬人物實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤體驗(yàn)者動(dòng)作，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)被讀取人物的正面和背面動(dòng)作，還能實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬骨骼框架和一個(gè)BodyIndex人物大致外廓[11]，如圖8所示。

安全教育場(chǎng)景需要識(shí)別踏步、揮手、下蹲這3組較為簡(jiǎn)單的動(dòng)作，涉及到的關(guān)節(jié)部位較少。為盡量減少計(jì)算機(jī)的資源開銷，本系統(tǒng)選擇微軟自帶的KinectFor Windows_UnityPro_2.0插件包實(shí)現(xiàn)體感交互部分。

本應(yīng)用中計(jì)算機(jī)有相當(dāng)部分資源消耗在動(dòng)畫效果渲染上，體驗(yàn)者不需要精準(zhǔn)操作，只需要能正確識(shí)別動(dòng)作即可，系統(tǒng)開銷小。

2.3 簡(jiǎn)易人體動(dòng)作識(shí)別

通過人體手、腳的運(yùn)動(dòng)軌跡確定動(dòng)作。采用公式（1）計(jì)算任意兩幀間關(guān)節(jié)p（x1，y1，z1）與p（x2，y2，z2）的移動(dòng)距離。在同一幀內(nèi)采用公式（1）計(jì)算兩個(gè)關(guān)節(jié)的間距。踏步、揮手、跳動(dòng)根據(jù)相鄰幀間相關(guān)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行判定[12-13]。

計(jì)算膝關(guān)節(jié)的角度能判斷人體是否下蹲，只要得到單邊髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，就可根據(jù)公式（1）計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的距離，再通過余弦定理式（2）計(jì)算人體膝關(guān)節(jié)角度，判斷人體是否在完成下蹲動(dòng)作[14-15]。

相關(guān)動(dòng)作狀態(tài)判定流程如圖9所示。啟動(dòng)系統(tǒng)后打開Kinect傳感器，對(duì)骨骼進(jìn)行中值濾波，中值濾波會(huì)有一幀的延時(shí)，在處理時(shí)會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)配置產(chǎn)生一定的延時(shí)。根據(jù)微軟文獻(xiàn)，72%的人有100ms的反應(yīng)時(shí)延，因此只要將延時(shí)控制在100ms以內(nèi)，大部分用戶是可以接受的[16]。濾波的輸入輸出及幀數(shù)關(guān)系如圖10所示，中值濾波可以較好地控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的噪點(diǎn)[17-18]。

通過采用Unity 3D中MonoBehaviour內(nèi)置的定時(shí)器設(shè)定100ms的延時(shí)讀取并記錄相關(guān)關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，再根據(jù)當(dāng)前幀和前項(xiàng)幀的關(guān)節(jié)坐標(biāo)判定相應(yīng)動(dòng)作。

人體行走的自然步頻是95～125步/分，踝關(guān)節(jié)在走路時(shí)是先抬高、后放下。根據(jù)最慢步頻95計(jì)算，踝關(guān)節(jié)做單程運(yùn)動(dòng)每次為0.32ms[19]。據(jù)觀測(cè)，在有動(dòng)畫提示的游戲過程中，體驗(yàn)者會(huì)將腳抬得比平時(shí)更高，因此在踏步條件中采用單邊踝關(guān)節(jié)的最低單程運(yùn)動(dòng)數(shù)的1/3時(shí)間即100ms，體驗(yàn)者的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)超過5cm，而另一邊踝關(guān)節(jié)沒有運(yùn)動(dòng)，據(jù)此判定體驗(yàn)者處于踏步狀態(tài)[20]。

人標(biāo)準(zhǔn)下蹲膝關(guān)節(jié)的角度為90°，但游戲過程中蹲得太低大大影響體驗(yàn)。因此，當(dāng)幀內(nèi)髖、膝、踝關(guān)節(jié)的夾角小于150°時(shí)就判定體驗(yàn)者處于蹲的狀態(tài)。

揮手動(dòng)作相對(duì)于前兩個(gè)動(dòng)作來說相對(duì)簡(jiǎn)單，只要腕關(guān)節(jié)高于肩關(guān)節(jié)，且在300ms內(nèi)移動(dòng)0.1m就判定當(dāng)前體驗(yàn)者處于揮手狀態(tài)[21]。

上述的判斷條件及數(shù)值還會(huì)根據(jù)未來具體的體驗(yàn)情況進(jìn)行相應(yīng)修正。

2.4 Unity 3D中Animator組件使用

Unity 3D的Animator組件是一個(gè)能在多個(gè)動(dòng)畫直接切換的控制器，也稱為動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)，可在Assets中Create的Animator Controller組件進(jìn)行相關(guān)狀態(tài)設(shè)置，如本系統(tǒng)體驗(yàn)者的站立、踏步、下蹲、揮手4個(gè)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換路徑見圖11。在每個(gè)狀態(tài)的Motion參數(shù)里添加對(duì)應(yīng)的人物動(dòng)作片段，之后在參數(shù)中設(shè)置狀態(tài)轉(zhuǎn)換變量，見圖12。當(dāng)腳本狀態(tài)變量改變時(shí)，場(chǎng)景中的人物就會(huì)從當(dāng)前動(dòng)作切換到新的狀態(tài)中 [22]。

系統(tǒng)通過Kinect采集并實(shí)時(shí)分析體驗(yàn)者動(dòng)作，并將體驗(yàn)者動(dòng)作狀態(tài)通過動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)在游戲中實(shí)時(shí)響應(yīng)，將體驗(yàn)者帶入到虛擬的安全場(chǎng)景中，讓體驗(yàn)者在游戲中達(dá)到安全教育的目的。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)采用體感的交互方式，讓兒童能在友好的環(huán)境下愉快學(xué)習(xí)安全知識(shí)，效果等同于市面上的兒童安全教育體驗(yàn)館，但成本大大降低。系統(tǒng)在相關(guān)展覽會(huì)上受到廣大兒童及家長(zhǎng)歡迎，體驗(yàn)效果如圖13所示。

圖13 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）