摘 要：文章首先對虛擬現(xiàn)實人機交互的概念和常用方向進行探討，在此基礎上重點論述功能實現(xiàn)所建立的基礎，提出通過仿真模擬來對多途徑手勢進行使用驗證，幫助提升人機交互過程中各個手勢實現(xiàn)的仿真能力。對于當前的交互功能實現(xiàn)，本文所總結(jié)的技術(shù)方法具有可行性，應用在設計階段安全且穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；人機交互；多特征手勢；檢驗算法

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種利用程序匯編和光學原理，來營造出仿真的游戲氛圍，從而實現(xiàn)玩家對計算機內(nèi)場景更真實的體驗[1]。虛擬場景人機交互技術(shù)實現(xiàn)了計算機與使用者之間的交融匯合，對游戲內(nèi)部場景體驗也變得更貼近真實場景。應用該項技術(shù)展開虛擬設計，實現(xiàn)場景內(nèi)部更真實的交融匯合。當前設計方案中比較常見的內(nèi)部控制問題虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用在識別系統(tǒng)中，能夠?qū)⑺蹲降降恼鎸崍鼍稗D(zhuǎn)化成為虛擬場景，并在系統(tǒng)內(nèi)部自動識別掃描，在此環(huán)境下所開展的各項安全識別功能能夠更好的實現(xiàn)[2]。當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用廣泛，在不同場景內(nèi)使用均得到體現(xiàn)。該項功能實現(xiàn)在算法上有很大差別，需要技術(shù)人員掌握這一特征，并從更深層次進行分析，選擇一項能夠促進場景交換任務全面進行的匯編程序，為控制管理任務進行建立一個適合的基礎環(huán)境。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)常用方向（The common application

fields of virtual reality）

在一些需要仿真的環(huán)境中常常使用到虛擬現(xiàn)實技術(shù)。通過建立起適合現(xiàn)場工作任務進行的環(huán)境，實現(xiàn)對需要構(gòu)建場景的高度仿真，在技術(shù)層面上也能達到更理想的仿真交互效果[3]。手勢檢驗算法是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用中比較常用的范圍。通過建立起適合工作任務進行的虛擬仿真環(huán)境，對數(shù)據(jù)運算進行檢驗，從而更全面了解當前的工作運行使用環(huán)境。有關(guān)于現(xiàn)場工作任務的開展，建立起適合的環(huán)境也十分重要。常用方向大部分都涉及需要虛擬交換的場景。應用該項技術(shù)后，不僅所交換的場景內(nèi)部環(huán)境得到控制，計算機所模擬出的場景也與實際情況相符合，更有利于控制計劃進行，使用者也能更全面地感受到內(nèi)部場景變化。目標跟蹤也常用該項技術(shù)進行。根據(jù)不同用戶使用需求來展開跟蹤，進行場景之間的交互跟蹤，建立在虛擬現(xiàn)實場環(huán)境內(nèi)的跟蹤體系，不僅反應速度快，對信息的處理效率也會有明顯提升。

3 基于手勢的人機交互的主要任務與配置（The

main tasks and configurations of human-computer

interaction based on gestures）

3.1 位置跟蹤

建立在人機交互環(huán)境下所開展的位置跟蹤技術(shù)，首先需要一個適合的匯編語言環(huán)境，建立起位置跟蹤目標，并熟悉掌握各個功能模塊之間聯(lián)系體系。接收器是跟蹤功能實現(xiàn)的基礎部分，對于所建立的手勢驗算體系需要從綜合控制層面開展，運動跟蹤難度較大。處于該種環(huán)境下進行的各項綜合均處于合理分配環(huán)境下，跟蹤器與現(xiàn)場各項功能之間需要更合理配合，發(fā)現(xiàn)影響因素后采取技術(shù)性方法解決，才能達到理想的控制效果?；谑謩輽z驗方法所開展的各項人機交互任務，位置跟蹤只是功能之一，采用鳥群運算方法后所得出的運算結(jié)果在功能上更加合理，各個控制接收器之間也能夠更合理的配合。運動環(huán)境跟蹤難點在于參考點是動態(tài)的，應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)后動態(tài)點也變得更加具體，從而達到運動過程中變化參數(shù)更精準的捕捉。

3.2 頭盔顯示器

虛擬現(xiàn)實技術(shù)將操作者帶入到計算機系統(tǒng)中所呈現(xiàn)的畫面內(nèi)，頭盔顯示器需要與運動跟蹤器結(jié)合使用，佩戴頭盔顯示器后能夠?qū)⑹褂谜邘氲竭\動的場景中，從而達到更理想的使用效果。模擬出人機交互運行狀態(tài)，隨著運動進行，這種控制功能也能得到更好的提升。頭盔顯示器應用的呈像原理與常規(guī)狀態(tài)不同，能夠顯示出與真實場景相近的內(nèi)容，快速將人物帶入到計算機所虛擬的視覺環(huán)境內(nèi)。無論是游戲還是訓練使用，這種技術(shù)方法所營造出的氛圍更加逼真。同時應用第一視覺所進行的各項現(xiàn)實系統(tǒng)控制也十分有效，建立起長期的工作環(huán)境能夠幫助提升最佳顯示使用效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)只是一項程序顯示技術(shù)，需要進行算法與實際程序之間的轉(zhuǎn)換，具體呈現(xiàn)出的內(nèi)容還需要進行開發(fā)設計。

4 基于手勢的人機交互過程及關(guān)鍵技術(shù)（Human-

computer interaction process and key technology

based on gestures）

4.1 交互過程

手勢是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中仿真實驗的一種，受訓者手部運動會通過一系列數(shù)據(jù)檢驗算法傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)運行控制中，傳感過程中任務的手部運動模式與現(xiàn)實情況之間存在很大的關(guān)系，傳感器輸出的參數(shù)是后續(xù)控制計劃進行所參照的依據(jù)。交互主要是任務與虛擬場景之間的一個交換過程。建立擬人環(huán)境后通過這種方法能夠達到更理想的控制效果。通過對虛擬場景下的手勢運動捕捉，感應數(shù)據(jù)手套中有大量的數(shù)據(jù)捕捉點，運動期間這些參數(shù)數(shù)據(jù)都是不斷變化的，通過這種方法來達到更理想的控制效果，從而實現(xiàn)全面控制計劃[4]。手套佩戴后需要對各個感觸點進行校正，達到最佳使用效果，虛擬系統(tǒng)內(nèi)所顯示的各項參數(shù)也能達到與實際情況相一致的效果。對于當前環(huán)境下比較常見的使用功能問題，建立一個長期性的虛擬場景，從而實現(xiàn)對參與訓練者手部運動的捕捉。整個交互過程如圖1所示。

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，準備工作結(jié)束后進入到更深層次的使用功能中，佩戴者需要操縱手部動作并實現(xiàn)各個系統(tǒng)之間更全面的控制功能，有關(guān)于使用期間數(shù)據(jù)捕捉的需求，建立在這一環(huán)境中也能實現(xiàn)全面參與效果。手勢識別功能實現(xiàn)后可以進入到具體的虛擬操作流程中，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中實現(xiàn)對手勢運動的具體劃分控制，從而達到更理想的設計控制效果。當前常用技術(shù)性方法中，建立起使用效果并觀察各個系統(tǒng)之前的配合能力，也能幫助全面提升工作積極性，為管理計劃開展建立一個穩(wěn)定的基礎環(huán)境[5]。手勢識別開展與其他層面的管理控制功能之間有很大關(guān)系，這也是系統(tǒng)運行控制中所必須要達到的部分。只有建立起需要的功能，接下來開展手勢控制才能更順利。endprint

4.2 虛擬手建模

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進行手勢變化虛擬仿真，需要根據(jù)手勢檢驗算法來開展基礎建模，建立起適合工作任務進行的仿真環(huán)境。首先是將手部進行分解，設置換分出不同的控制環(huán)境，觀察控制任務開展期間是否存在可能會影響信息傳輸?shù)娘L險，對風險部分做出預防控制。虛擬手的分解可以分為兩部分：手掌與手指。其中手指還可以繼續(xù)劃分成為五個不同的手指，分別進行多種控制。仿真虛擬建模想要針對這五個手指與手掌分別進行，技術(shù)允許的情況下還可以對不同控制關(guān)節(jié)進行仿真建模，這樣仿真手運動控制也能更符合實際情況，在運動功能上與實際使用需求保持一致。虛擬手與現(xiàn)實手的運動均處于仿真環(huán)境下，常規(guī)環(huán)境中開展各個控制管理任務都需要觀察手部運動變化，在關(guān)節(jié)控制作用下手指與手掌部分相互配合，根據(jù)指令來完成不同動作。設計建模期間要盡可能地減小指令間隔時間，這樣仿真手與現(xiàn)實的手部運動在頻率與動作幅度上能保持高度一致[6]。配合虛擬現(xiàn)實技術(shù)所開展的各項仿真功能，建模過程中會針對各個手指關(guān)節(jié)進行坐標定位，這樣在運動中才不會產(chǎn)生隱患。常見技術(shù)性問題配合實際使用需求來深入研究，從而實現(xiàn)對仿真手靈敏度的提升。建模期間發(fā)現(xiàn)坐標中存在問題，能夠通過控制方法來進行完善解決，幫助達到最佳設計管理效果。一旦所建立的模型正式投入使用，運動反應不靈敏的現(xiàn)象將長期存在，難以通過技術(shù)性方法解決。

4.3 數(shù)據(jù)手套校正

數(shù)據(jù)手套通常是統(tǒng)一制作并出廠使用的，生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)誤差問題，需要統(tǒng)一校正，最終數(shù)據(jù)結(jié)果準確才能投入到使用中。數(shù)據(jù)手套校正需要佩戴并檢驗數(shù)據(jù)結(jié)果，這樣校正任務進行才能保證最佳效果，避免在設計中產(chǎn)生隱患問題。傳感器在捕捉數(shù)據(jù)期間，與真實的手部運動很容易產(chǎn)生誤差，校正檢驗期間要掌握這一誤差隱患，計算出數(shù)據(jù)的正?？刂品秶⒔⑵鸶咝У目刂乒芾憝h(huán)境，系統(tǒng)之間相互配合來實現(xiàn)更強大的控制功能。數(shù)據(jù)手套校正還包括兩根相鄰手指之間的間隔和張力，將所檢驗得到的數(shù)據(jù)與正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行比較，從而判斷設備是否可以正常使用，以及在功能層面上需要繼續(xù)深入完善的部分。不同訓練人員手部大小和運動模式存在差異性，校正期間要掌握這一差異性，設置出手掌部分運動的具體范圍，并結(jié)合實際技術(shù)性方法加以控制解決，這樣數(shù)據(jù)手套使用時可以滿足不同方向的需求，在控制能力上也會得到明顯提升。校正需要在最大范圍與最小范圍控制內(nèi)進行，對數(shù)據(jù)驗證也能更高效開展。

校正時僅需受訓者戴上數(shù)據(jù)手套，做以下三種手勢：（1）五指并攏平伸；（2） 握緊拳頭；（3）手指盡量張開。上述三種手勢數(shù)據(jù)手套18個傳感器的輸出分別記為最小彎曲（張幅）值WanQuMin[n]、最大彎曲值WanQuMax[n]、最大張幅值ZhangFuMax[n]（其中n=0，1，…，17，表示18個傳感器編號，前14個表示各手指及手掌傳感器，后4個表示指間張幅傳感器）。

4.4 虛擬手驅(qū)動

虛擬現(xiàn)實人機交互過程中的手部運動和控制功能實現(xiàn)，需要建立在驅(qū)動器基礎上，通過建立一個適合的基礎環(huán)境，達到更加豐富的控制效果。驅(qū)動設計需要考慮在功能上是否存在數(shù)據(jù)交互問題，并保持手部姿勢與所需要訓練的動作一致，這樣在檢驗過程中即使存在功能隱患問題，也能更好地控制解決。佩戴數(shù)據(jù)傳輸手套后進入到驅(qū)動模塊中，各個系統(tǒng)之間的相互配合工作也能達到與實際情況相一致的內(nèi)容。發(fā)現(xiàn)虛擬驅(qū)動功能與現(xiàn)場交互任務之間存在相近的部分，可以改變進入到下一姿勢訓練中。佩戴者能夠熟悉掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)所模擬出的場景與實際情況之間的不一致，也能達到更高效的使用效果。手部在完成旋轉(zhuǎn)等高難度動作時，參與到其中的關(guān)節(jié)數(shù)量多，參數(shù)捕捉也存在一定難度，對此需要進行全方位控制。驅(qū)動設置后需要與虛擬手之間相互連接，在運動過程中進行更高效的數(shù)據(jù)傳輸。利用虛擬轉(zhuǎn)換技術(shù)來模擬出更真實更高效的現(xiàn)實場景，達到最佳設計控制效果。

訓練人員戴上數(shù)據(jù)手套，完成各種手勢，此時數(shù)據(jù)手套各傳感器的輸出記為：Input[n]（其中n=0，1，…，17）。虛擬手每個指段及手掌的彎曲、旋轉(zhuǎn)角度由下式?jīng)Q定θ1[j]=（Input[n]–WanQuMin[n]）×90/（WanQuMax[n]-WanQuMin[n]），j表示各指段及手掌的編號，j=0，1，…，13；n=0，1，…，13。

指間張幅角度由下式?jīng)Q定

θ2[k]=（Input[n]–WanQuMin[n]）×60/（ZhangFuMax[n]-WanQuMin[n]）

k表示指間張角編號，k=0，1，2，3；n=14，15，16，17。

上述運算過程便是在不同動作指令下驅(qū)動器對手勢的檢驗和運算原理，其中包含可能會影響到數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的各項控制能力。運算檢驗是建立在長期工作環(huán)境下的，具體使用過程中要掌握這一特征，選擇合理運算公式，并在檢驗過程中進行算法與實際方案之間更合理的控制，達到最佳運算管理效果。選擇正確的檢驗方法能夠幫助確定最合理的虛擬受控制系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)中人機交互的手勢算法驗證，同時將時間間隔控制在最佳范圍內(nèi)。

4.5 手勢定義和識別

訓練過程中不同手勢所表達的含義也有很大差異性。要尊重并掌握這一差異性，進行更深入的內(nèi)部控制。觀察到手勢變化后便能將其轉(zhuǎn)換成為一種手勢語言。手勢分為靜止與動態(tài)兩種。對虛擬手各項變化數(shù)據(jù)進行捕捉時，首先要確定是出于靜止狀態(tài)還是動態(tài)變化模式，在此基礎上進行更深入的變化判斷。手勢定義也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的一個重要基礎。確定系統(tǒng)運行變化中所存在的動作改變，再進行更深入的現(xiàn)場控制，也能模擬出實際變化環(huán)境。將現(xiàn)實中的手部變化動作通過信號接收器傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)內(nèi)接收到這一信息后會自動識別并發(fā)出與之相對應的控制指令，虛擬手接收到之后在計算機系統(tǒng)內(nèi)的控制才能隨之開展。

為保障傳輸過程中的數(shù)據(jù)靈敏度，通常會設計18個感應器，分別位于不同關(guān)節(jié)位置，捕捉更靈動的運動效果。參數(shù)轉(zhuǎn)變過程中這18個感應器會匯合成為最終5個手指部分的運動程序，檢驗算法公式如下：endprint

Y F Input，Input Input=…（[0][2]，[17]）

其中，Input[n]（n=0，1，…，17）表示數(shù)據(jù)手套傳感器輸出，Y={1，2，3，4，5}，表示 5 種手勢中的一種。

算法公式中所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果會結(jié)合在實際運算內(nèi)容中，形成更長期穩(wěn)定的效果圖，函數(shù)便是所形成的表達數(shù)據(jù)內(nèi)容之一。

4.6 多特征手勢檢驗算法應用

手勢運動形式較多的情況下，檢驗算法也要與之保持一致，觀察是否能夠從技術(shù)層面加以強化，促進最終的控制功能不斷提升。仿真訓練中比較常用這種方法。操作人員通過這一技能來達到更高效的虛擬場景操作控制，并避免在接下來設計控制中出現(xiàn)影響最終功能實現(xiàn)的風險隱患。不同使用功能趨勢下手勢檢驗也可以繼續(xù)深入改變，優(yōu)化設計過程中需要的部分，通過這種方法也能達到更理想的控制效果。應用該算法在不同的人機交互實驗中，都應該確定一個綜合使用功能，并根據(jù)功能來不斷地強化完善，對系統(tǒng)所進行的控制也能達到更理想的效果。人機互換是建立在虛擬現(xiàn)實基礎上進行的高仿真任務，充分控制各個系統(tǒng)之間的配合程度，來營造出更適合的控制環(huán)境。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文研究了虛擬訓練中基于手勢的人機交互及其關(guān)鍵技術(shù)，給出詳細的實施方法與步驟，實際應用表明本文方法可以讓受訓者感覺真實自然的交互。動態(tài)手勢在虛擬操作中占有重要的地位，目前還沒有成熟的方法。對于復雜的動態(tài)手勢識別，還需要今后進一步地加以研究。

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作者簡介：

賴晶亮（1977-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：人機交互，圖像處理，職業(yè)教育.endprint