一种面向三维交互界面的手势速度估计方法
【专利摘要】本发明的一种面向三维交互界面的手势速度估计方法，为体现用户不同运动速度，首先利用数据手套确立手势速度与手势图像变化之间的基本关系；其次根据这种关系，分阶段建立速度估计模型；最后通过手势图像估计人手运动参数，得到实时的人手运动速度，使三维虚拟手势速度与实际人手运动速度保持一致。本发明的有益效果是：本发明与基于行为模型的手势跟踪算法相比较，平均运行时间降低了26％；在不同的运动速度下，本发明跟踪精度与数据手套对比，总体误差为10％。本发明提出的模型已经用于三维手势交互界面，通过对原型系统的测试表明，具有良好的用户体验。
【专利说明】一种面向三维交互界面的手势速度估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向三维交互界面的手势速度估计方法。
【背景技术】
[0002] 运动风格是个人习惯、生活背景和主观情绪等综合因素的表现形式，体现运动的 高层属性。无论是不同的操作者做同一种运动还是同一个操作者重复一种运动，每次运动 风格都会不同。为了生成自然逼真且风格可控的运动，研究者运用各种方法表现不同运动 风格。Liu等人将风格定义为若干物理参数，通过反向非线性优化实现风格变换。Brand 等人建立具有学习机制的逆运动学算法，对运动模型进行学习，生成不同风格的人体运动。 Hsu等人利用线性时不变模型，实现风格的变换。马万里等人对人体运动数据进行主旋转分 析，提取运动内容和风格，动态构建风格图，根据风格图生成风格可控的人体运动。刘更代 等人提出人体运动独立时空特征模型，利用低维运动混合和时空约束优化方法进行交互式 运动风格编辑，实现各种风格的行走运动。以上主要研究人体不同的运动风格，没有表现出 人手的运动风格。人手比人体活动范围小，具有更加复杂且精细的运动特点，对人手运动风 格的研究主要借助人体运动自动生成特定的手势动作。J6rg等人通过查找人体和手指运动 数据库，自动在人体动作上添加手指动作，生成交谈、讨论和指挥等类型的手势。这种通过 人体大范围运动自动合成手势运动的方法，没有考虑实际人手运动速度。Huang等人建立 运动图模型，图中每个结点代表上肢运动关键帧，每条边代表一段运动序列，通过识别关键 帧，遍历图结点，进行上肢运动速度控制，这种方法，可以控制人体上肢运动速度，但存在一 定延时。
【发明内容】
[0003] 为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种实时性好，跟踪精度高的面向三维 交互界面的手势速度估计方法。
[0004] 本发明是通过以下措施实现的：
[0005] 本发明的一种面向三维交互界面的手势速度估计方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，在计算机中建立三维虚拟手势模型，该模型运用若干自由度参数描述手势 姿态；
[0007] 步骤2,构建虚拟场景，并在虚拟场景中搭建人机交互平台，实验者利用数据手套 和USB摄像头进行抓取物体的人机交互实验，通过实验统计数据得出结论为，人手在抓取 和释放物体过程中，人手关节角度变化量与对应的人手面积变化量之间的关系近似高斯曲 线和抛物线，然后利用高斯曲线和二次多项式进行拟合，将人手抓取释放物体用数学表达 式：
[0008] 抓取阶段
【权利要求】
1. 一种面向三维交互界面的手势速度估计方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，在计算机中建立三维虚拟手势模型，该模型运用若干自由度参数描述手势姿 态； 步骤2,构建虚拟场景，并在虚拟场景中搭建人机交互平台，实验者利用数据手套和 USB摄像头进行抓取物体的人机交互实验，通过实验统计数据得出结论为，人手在抓取和释 放物体过程中，人手关节角度变化量与对应的人手面积变化量之间的关系近似高斯曲线和 抛物线，然后利用高斯曲线和二次多项式进行拟合，将人手抓取释放物体用数学表达式： 抓取阶段：
释放阶段：= ay+biX+Ci ;其中，X表示人手面积变化量，y表示人手关节角度变化 量； 步骤3,选取人手抓取和释放物体过程中的任意时刻t，t>0时，计算t时刻的人手面积 与初始时刻人手面积的变化量x(t)，并带入步骤2中的数学表达式内计算出人手关节角度 变化量y (t)，结合初始时刻的人手关节角度值，得出t时刻的人手关节角度值，并作为自由 度参数实时输入给三维虚拟手势模型。
2. 根据权利要求1所述面向三维交互界面的手势速度估计方法，其特征在于：在步骤3 中，首先记录初始时刻t = o时，人手各个自由度为θ^ο)，手势的面积为s(o);然后在任 意时刻t>0时，计算手势图像面积S(t)，根据
计算出人手面积变化量X(t); 再然后将人手面积变化量X (t)带入步骤2中的数学表达式，计算出时刻t手势各个自由度 变化量y⑴；最后根据yi⑴=| Θ i⑴-Θ i (〇) |得到任意时刻t手势自由度值Θ i⑴，并 作为自由度参数实时输入给三维虚拟手势模型，通过任意时刻t手势自由度Θ i (t)，实时控 制三维虚拟手势运动速度，实现三维虚拟手势与实际人手速度保持一致。
3. 根据权利要求1所述面向三维交互界面的手势速度估计方法，其特征在于：在步骤 1中，运用X = (xl, x2,…，χ26)描述手势姿态，其中6个全局自由度xl, x2,…，x6,代表手 掌中心点在世界坐标系中的坐标位置和方向，20个局部自由度x7, x8,…，x26代表拇指、食 指、中指、无名指、小指各关节与手掌平面的夹角及相邻指节间的夹角，对于每个手指，掌骨 指关节有2个自由度，近端指关节和末端指关节各有1个自由度。
【文档编号】G06F3/01GK104156063SQ201410334029
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】冯志全, 黄忠柱 申请人:济南大学