馮婷婷 穆潔

摘 ?要： 為了提高數(shù)字化博物館虛擬展示的有效性和準(zhǔn)確性，采用手勢(shì)識(shí)別方法完成人機(jī)交互系統(tǒng)研究。對(duì)用戶手勢(shì)進(jìn)行三維空間坐標(biāo)系建模，在卡爾曼濾波之后進(jìn)行稀疏表示優(yōu)化，去掉與手勢(shì)庫(kù)樣本集合關(guān)聯(lián)性弱的無(wú)效手動(dòng)濾除，生成博物館展品展示動(dòng)作軌跡。實(shí)驗(yàn)證明，優(yōu)化后的算法在展品動(dòng)作軌跡生成方面性能更優(yōu)，運(yùn)動(dòng)誤差更小，無(wú)效路徑更少。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化博物館; 虛擬展示; 人機(jī)交互; 運(yùn)動(dòng)誤差; 卡爾曼濾波; 手勢(shì)識(shí)別

中圖分類號(hào)： TN99?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）15?0154?03

Research on human?computer interactive system applied

to virtual presentation of digital museum

FENG Tingting， MU Jie

（Hebei institute of Communations， Shijiazhuang 050000， China）

Absrtact： In order to improve the effectiveness and accuracy of the virtual presentation in digital museum， gesture recognition method is used to complete the research on human?machine interactive system. The user′s gesture is modeled for three?dimensional space coordinate system， and the sparse representation is optimized for the user′s gesture after Kalman filtering. The invalid manual filtering that is weakly correlated with the sample set of the gesture database is removed， and the motion trajectory of museum exhibits presentation is generated. Experiment results show that the optimized algorithm had better performance in the generation of exhibit motion trajectories， smaller motion errors and fewer invalid routes.

Keywords： digital museum; virtual presentation; human?computer interaction; motion error; Kalman filtering; gesture recognition

0 ?引 ?言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像技術(shù)將實(shí)物按照一定比例生成模型，在模型的生成過(guò)程中保留了原來(lái)實(shí)物的特征，無(wú)限接近實(shí)物的原貌，以求在計(jì)算機(jī)上用模型研究來(lái)代替實(shí)物研究。博物館藏品因?yàn)橄∪毙?，不適用于大規(guī)模展示，但是考慮到文化教育和歷史傳承，博物館起到了重要作用，所以博物館的大規(guī)模開(kāi)放很有必要[1]。如何解決文物藏品在不被損壞的情況下進(jìn)行大規(guī)模的展示，可將博物館文物藏品進(jìn)行數(shù)字化顯示，然后進(jìn)行虛擬展示便可以解決此難題。數(shù)字化的博物館可以將文物藏品先進(jìn)行模型構(gòu)建，生成文物藏品的數(shù)字化模型，然后完成虛擬展示[2?3]。

虛擬展示技術(shù)在博物館、旅游景點(diǎn)、電子商務(wù)等方面都得到了充分的應(yīng)用[4]，取得了較好的效果。虛擬展示技術(shù)很多，用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)、手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，查看展品。本文采用手勢(shì)識(shí)別的人機(jī)交互方式，并在傳統(tǒng)手勢(shì)識(shí)別解析算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提高展品虛擬展示的有效性和精確度。

1 ?人機(jī)交互手勢(shì)識(shí)別優(yōu)化算法

數(shù)字化博物館的人機(jī)交互系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要是將用戶的指令準(zhǔn)確地解析并實(shí)現(xiàn)博物館展品的全方位展示。在交互過(guò)程中，根據(jù)用戶的手勢(shì)了解用戶意圖，手勢(shì)動(dòng)作和展示模型的動(dòng)作變換關(guān)系是人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題[5]。下面將對(duì)人機(jī)交互進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

設(shè)用戶手勢(shì)在規(guī)定時(shí)間[t]內(nèi)的位移量為[Δsu]，博物館展品在規(guī)定時(shí)間[t]內(nèi)的位移量為[Δsm]。為了防止用戶手勢(shì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中出現(xiàn)干擾，需要對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效濾波[6]，本文采用卡爾曼濾波，濾波函數(shù)表示為[f（? ）]，考慮到手勢(shì)位置變化和展品位置變化不在同一空間，因此還需要對(duì)兩者進(jìn)行空間坐標(biāo)變換，函數(shù)表示為[tr（? ）]。那么用戶手勢(shì)和展品之間的變化關(guān)系為：

2 ?實(shí)例仿真

為了驗(yàn)證本文算法在數(shù)字化博物館虛擬展示的人機(jī)交互性能，采用Matlab進(jìn)行實(shí)例仿真，在Matlab平臺(tái)上借助robot包對(duì)運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程進(jìn)行仿真。在仿真過(guò)程中，將手勢(shì)經(jīng)過(guò)稀疏優(yōu)化的性能與未經(jīng)過(guò)優(yōu)化的性能進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證兩種算法表現(xiàn)的性能差異。

首先導(dǎo)入，連接好硬件攝像頭，選擇三個(gè)位置點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，選定一個(gè)起始點(diǎn)，然后手掌開(kāi)始移動(dòng)，兩種算法的仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 ?運(yùn)動(dòng)軌跡比較

從圖1可以看出，在三維空間坐標(biāo)系中，兩種算法在運(yùn)行一段時(shí)間后，均從起始位置移動(dòng)到了目標(biāo)位置，但是優(yōu)化前的算法在軌跡移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了一些干擾無(wú)效動(dòng)作，消耗了移動(dòng)時(shí)間，對(duì)于博物館的展品虛擬展示效果并不理想，會(huì)造成用戶操作的體驗(yàn)感差，優(yōu)化過(guò)后的算法表現(xiàn)明顯有所增強(qiáng)。相比較而言，移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)3的性能最優(yōu)，無(wú)效路徑最少，運(yùn)動(dòng)路徑最短。

圖1可以較好地展示兩種算法的運(yùn)動(dòng)軌跡，但是沒(méi)有實(shí)際的運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)誤差的計(jì)量結(jié)果，下面對(duì)兩種算法的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 ?運(yùn)動(dòng)誤差比較

從圖2可以看出，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加，兩者的運(yùn)動(dòng)誤差有明顯的差異，優(yōu)化后展品的運(yùn)動(dòng)誤差小于優(yōu)化前。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，優(yōu)化后算法的運(yùn)動(dòng)誤差逐漸減小，而優(yōu)化前的運(yùn)動(dòng)誤差震蕩幅度大，未見(jiàn)收斂趨勢(shì)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間達(dá)到40 s時(shí)，優(yōu)化后的算法運(yùn)動(dòng)誤差約為0.1 mm，誤差非常小，完全可以滿足博物館的展品虛擬展示要求，對(duì)于虛擬展示有較強(qiáng)的適用性。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文采用手勢(shì)識(shí)別的方法完成數(shù)字化博物館虛擬展示的人機(jī)交互，可以較好地展示展品的動(dòng)作軌跡，提高手勢(shì)識(shí)別的效率和精確度，對(duì)博物館的文物藏品有效展示提供幫助，廣泛適用于數(shù)字化博物館的虛擬展示等研究中。

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