VR手勢(shì)輸入：VR手柄、數(shù)據(jù)手套

    手在人類生活中具有極其重要的地位，被用來(lái)認(rèn)識(shí)、了解、改造周圍的環(huán)境。如果能直接使用手與虛擬世界進(jìn)行交互，將日常生活中獲得的經(jīng)驗(yàn)直接運(yùn)用到交互活動(dòng)中，則可以充分提高虛擬世界的可操作性，并可在虛擬世界中完成更復(fù)雜的任務(wù)，VR手勢(shì)輸入設(shè)備也就由此誕生，它的出現(xiàn)為人與虛擬世界交互中充分發(fā)揮手在交互過(guò)程中的自然性、靈巧性和適應(yīng)性創(chuàng)造了條件，使基于手勢(shì)的交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

    目前手勢(shì)方面的VR輸入設(shè)備有VR手柄、數(shù)據(jù)手套、基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)輸入設(shè)備三大類，這些輸入設(shè)備都是目前VR領(lǐng)域炙手可熱的黑科技，下面我們就對(duì)這幾類VR手勢(shì)輸入設(shè)備一一解析。

    1) VR手柄

    VR手柄屬于局部動(dòng)作追蹤，包括采用慣性傳感器、震動(dòng)馬達(dá)的傳統(tǒng)手柄及動(dòng)作感應(yīng)手柄。這里我們主要看一下利用慣性傳感器獲得信息輸入的手柄，代表產(chǎn)品有Oculus Touch。

    基于慣性傳感器的手柄根據(jù)加速度和磁場(chǎng)傳感器在各測(cè)量軸方向上的分量，計(jì)算得出手柄相對(duì)于重力加速度軸和地磁場(chǎng)軸的俯仰角和方位角，將這兩個(gè)角度作為手柄的狀態(tài)變量計(jì)算得到動(dòng)作指令，通過(guò)串口傳送到主機(jī)端，然后在虛擬場(chǎng)景中完成相應(yīng)虛擬場(chǎng)景動(dòng)作。

    VR手柄還通過(guò)外部攝像頭實(shí)現(xiàn)手柄的位置追蹤，使得用戶通過(guò)操縱VR手柄可以在虛擬場(chǎng)景中自由參觀。此外，手柄還可以通過(guò)按鈕方式進(jìn)行人機(jī)交互，并通過(guò)震動(dòng)馬達(dá)的方式實(shí)現(xiàn)反饋，增強(qiáng)使用者的沉浸感。VR手柄還具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉、使用方便的特點(diǎn)，現(xiàn)階段適用于家庭，并且只需更改虛擬場(chǎng)景內(nèi)容即可將該系統(tǒng)移植到其他應(yīng)用領(lǐng)域，可移植性非常強(qiáng)。

    VR手柄也有著明顯的缺陷：對(duì)于手部關(guān)節(jié)的精細(xì)動(dòng)作無(wú)法還原；無(wú)法進(jìn)行手部動(dòng)作的精準(zhǔn)定位；容易受周圍環(huán)境鐵磁體的影響而降低精度。

    2) 數(shù)據(jù)手套

    數(shù)據(jù)手套代表性產(chǎn)品有5DT、CyberGlove、Measurand等。

    數(shù)據(jù)手套中裝有許多光纖傳感器，能夠感知手指關(guān)節(jié)的彎曲狀態(tài)，并將狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并經(jīng)過(guò)微處理器處理后再通過(guò)串口輸出給計(jì)算機(jī)。在人機(jī)交互的過(guò)程中使用數(shù)據(jù)手套捕獲操作者手的各種手勢(shì)或動(dòng)作，傳送給生成虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)手套不僅能將人手的姿態(tài)準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)地傳遞給虛擬環(huán)境，而且能夠把與虛擬手與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者從而令操作者與虛擬環(huán)境之間以更自然更具沉浸感的方式進(jìn)行交互。

    數(shù)據(jù)手套的優(yōu)點(diǎn)是輸入數(shù)據(jù)量小，速度快，直接獲得手在空間的三維信息和手指的運(yùn)動(dòng)信息，可識(shí)別的手勢(shì)種類多，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)地識(shí)別。此外，該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是為了滿足那些從事運(yùn)動(dòng)捕捉和動(dòng)畫工作的專家們的嚴(yán)格需求，其使用簡(jiǎn)單、操作舒適、驅(qū)動(dòng)范圍廣，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，適用于機(jī)器人系統(tǒng)、操作外科手術(shù)、虛擬裝配訓(xùn)練、手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)、教育娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域。

    但是，由于受技術(shù)及材料的影響，該類產(chǎn)品價(jià)格昂貴，普通應(yīng)用場(chǎng)合難以承受，受眾范圍小，而且由于數(shù)據(jù)手套上一些硬件設(shè)備(如傳感器)的材料比較嬌貴，存在老化快，不能長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用等缺點(diǎn)。此外，數(shù)據(jù)手套穿戴復(fù)雜，給人帶來(lái)很多不便，并且因?yàn)楸旧聿荒芴峁┡c空間位置相關(guān)的信息，所以數(shù)據(jù)手套必須配合位置跟蹤器使用以達(dá)到獲取空間位置信息的目的。

    3) 基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)輸入設(shè)備

    基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)識(shí)別可以分為基于單目視覺的手勢(shì)識(shí)別和基于多目視覺的手勢(shì)識(shí)別�；�于單目視覺的手勢(shì)識(shí)別就是通過(guò)單個(gè)攝像機(jī)來(lái)采集手勢(shì)圖像，從而建立平面手勢(shì)模型。這種方法處理的數(shù)據(jù)量較小，識(shí)別速度快，但是對(duì)于用戶手勢(shì)的輸入限制較大�；�于多目視覺的手勢(shì)識(shí)別是通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上的攝像機(jī)來(lái)采集圖像，建立的是立體模型。這種方法對(duì)于用戶手勢(shì)的輸入限制較小，可以實(shí)現(xiàn)更加自然的人機(jī)交互，但由于立體模型的復(fù)雜性，需要處理大量的數(shù)據(jù)，計(jì)算較復(fù)雜。

    基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)識(shí)別原理圖如下：

基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)識(shí)別設(shè)備典型代表產(chǎn)品是美國(guó)Leap公司的Leap Motion手勢(shì)識(shí)別設(shè)備、G-Wearables獨(dú)立研發(fā)的StepVR產(chǎn)品中的手勢(shì)識(shí)別設(shè)備。該類產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)時(shí)無(wú)需購(gòu)買昂貴的設(shè)備，僅需要攝像頭、PC機(jī)即可，并且在操作時(shí)更加自然、方便，符合以人為本和自由性的要求，是手勢(shì)識(shí)別未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。此外，該類產(chǎn)品無(wú)需外設(shè)、不需要穿戴任何設(shè)備，使用靈活輕便，用途廣泛。

    基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)識(shí)別設(shè)備也存在缺陷：手部正反判定比較困難，容易進(jìn)行誤判；受光的影響比較大，包括室外可見光、激光相機(jī)自己發(fā)出的激光、捕捉相機(jī)自身識(shí)別干擾等；識(shí)別范圍有限，受光路限制，對(duì)障礙的容忍度較低，雙手疊交的識(shí)別判定有誤。因此基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)識(shí)別設(shè)備的識(shí)別效率相比于數(shù)據(jù)手套的低,提高識(shí)別效率成為基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)識(shí)別設(shè)備未來(lái)發(fā)展的重要方向。