基于頭部的人機(jī)交互專利技術(shù)綜述

孫陽丹

摘? 要：利用頭部姿態(tài)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互更加符合人體操作習(xí)慣，增加了用戶沉浸感且解放了雙手，被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、殘疾人輔助設(shè)備設(shè)計(jì)以及智能控制等領(lǐng)域。該文從頭部交互專利申請(qǐng)狀況介紹了頭部交互的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，并結(jié)合各階段專利申請(qǐng)趨勢以及主要申請(qǐng)人分析了該技術(shù)的專利情況，并對(duì)專利技術(shù)的發(fā)展趨勢做出總結(jié)。

關(guān)鍵詞：頭部? 人機(jī)交互? 專利? 申請(qǐng)趨勢? 重要申請(qǐng)人

中圖分類號(hào)：TP11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（c）-0237-02

人機(jī)交互是人與計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的信息交互，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域日益重要。早期的人機(jī)交互主要通過操縱桿、鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸板等設(shè)備實(shí)現(xiàn)，存在著交互便捷度不高、移動(dòng)性差、用戶體驗(yàn)不好的缺點(diǎn)。而智能化的人機(jī)交互模式主要通過頭部運(yùn)動(dòng)、視線追蹤、數(shù)據(jù)手套、腦電波等實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[1]。基于人的模型具有自然和增加沉浸式的特點(diǎn)廣泛受到用戶的喜愛。頭部運(yùn)動(dòng)中包含著頭部位置和朝向、頭部軌跡以及面部表情[2]，其在人際交流中被頻繁使用，可以在一定程度上反映出人的行為意識(shí)，對(duì)理解用戶對(duì)象的態(tài)度、意圖等心理狀態(tài)具有十分重要的意義。此外，基于頭部的人機(jī)交互具有自然、直接、友好、解放雙手等特點(diǎn)，促使其成為人機(jī)交互過程中一個(gè)非常重要的交互方式，因此，基于頭部運(yùn)動(dòng)的人機(jī)交互方式是實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自然交互領(lǐng)域的一大研究趨勢，在體感游戲、殘疾人輔助系統(tǒng)[3]、智能交通、智能控制等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

1? 基于頭部的人機(jī)交互的技術(shù)發(fā)展路線

（1）基于頭部的人機(jī)交互經(jīng)歷了從簡單的開關(guān)控制，到多命令控制，到基于頭部信號(hào)的情景交互。其大致交互流程包括頭部信號(hào)采集、頭部信號(hào)識(shí)別、獲取指令和執(zhí)行指令四大部分。該節(jié)主要對(duì)信號(hào)的兩種獲取方式——接觸式感測和非接觸式感測，以及信號(hào)處理技術(shù)這3個(gè)方面來從專利的角度闡述基于頭部的人機(jī)交互的技術(shù)演進(jìn)。

（2）在1982—1995年期間，早期接觸式感測方式包括光傳感、電阻傳感和超聲波傳感，其只能捕獲靜態(tài)頭部信息，且捕獲精度和準(zhǔn)確度都不高，因此早期的基于接觸式感測方式的人機(jī)交互只能應(yīng)用于簡單的控制操作，且因?yàn)榫群蜏?zhǔn)確度無法得到保障，其推廣也受到了阻礙。而此段時(shí)間的非接觸式感測主要采用單攝像頭來感測用戶的頭部圖像，由于當(dāng)時(shí)攝像頭的分辨率比較低且對(duì)環(huán)境光的要求比較高，且圖像處理技術(shù)也比較落后，很難識(shí)別出頭部姿態(tài)。

（3）在1995—2010年之間，接觸式的感測方式已經(jīng)發(fā)展到了基于陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)的頭部感測。加速度計(jì)可以感測頭部的運(yùn)動(dòng)速度，可以通過頭部運(yùn)動(dòng)速度的快慢來實(shí)現(xiàn)不同的控制，例如公開號(hào)為WO2015/112432A1的發(fā)明專利，通過頭部運(yùn)動(dòng)速度的不同，其翻頁操作的速度也不一樣。而在某些應(yīng)用方面由于對(duì)精度的特殊要求，通常采用多個(gè)加速度計(jì)來測量頭部在不同方位的運(yùn)動(dòng)，例如公開號(hào)為CN101034309A的發(fā)明專利則是采用六軸加速度計(jì)來采集頭部信息，精度明顯提升。此段時(shí)間，對(duì)于非接觸式感測，主要采用多攝像頭的技術(shù)來彌補(bǔ)單攝像頭的缺陷，同時(shí)隨著圖像處理技術(shù)的提高和信號(hào)處理能力的提升，基于頭部的人機(jī)交互發(fā)展越來好。而此段時(shí)間的信號(hào)處理方式，主要采用橢圓姿態(tài)估計(jì)、迭代姿態(tài)估計(jì)和置信度估計(jì)的方式。

（4）2010年以后基于頭部運(yùn)動(dòng)的人機(jī)交互迅速發(fā)展，目前已經(jīng)衍生到智能家居、智能汽車和終端控制、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。此段時(shí)間，公開號(hào)為CN101034308A的發(fā)明專利提出了將肌電傳感器貼附在用戶的臉部，如眼部和唇部位置，通過感測面部表情導(dǎo)致的肌肉信號(hào)的變化來感測不同的表情，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互時(shí)的趣味化。而隨著深度攝像機(jī)的發(fā)展，基于深度攝像頭采集并識(shí)別頭部姿態(tài)成為研究熱點(diǎn)，利用圖片信息中所包含的深度信息可以獲得更全面的頭部姿態(tài)信息，能夠準(zhǔn)確識(shí)別出頭部的運(yùn)動(dòng)速度、面部表情。由于表情中富含了人豐富的情感，利用其來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互更具有人性化，也因此產(chǎn)生了基于表情來實(shí)現(xiàn)手機(jī)解鎖、智能控制，基于表情來推測人的精神狀態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能推送的技術(shù)。而隨著圖像處理技術(shù)的提升，由于非接觸式感測不需要用戶佩戴任何裝置，用戶體驗(yàn)更好，因此，非接觸式的感測方式正在慢慢取代接觸式感測方式。在信息處理方面，為滿足人們頭部姿態(tài)識(shí)別精度和快速響應(yīng)速度的要求，一種新的對(duì)頭部姿態(tài)實(shí)現(xiàn)預(yù)測估計(jì)的方案被提出。如專利公開號(hào)為CN105892658A的發(fā)明專利提出了首先獲取頭部運(yùn)動(dòng)的歷史數(shù)據(jù)，其中歷史數(shù)據(jù)用于指示頭部在當(dāng)前時(shí)刻之前的運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，確定頭部從當(dāng)前時(shí)刻到目標(biāo)時(shí)刻的角速度，根據(jù)頭部從當(dāng)前時(shí)刻到目標(biāo)時(shí)刻的角速度，確定頭部從當(dāng)前時(shí)刻到目標(biāo)時(shí)刻的姿態(tài)變化，并確定頭部在目標(biāo)時(shí)刻的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的預(yù)測頭部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，解決了在將頭部人機(jī)交互應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實(shí)時(shí)，由于動(dòng)作響應(yīng)的延時(shí)導(dǎo)致的眩暈。

2? 專利申請(qǐng)趨勢主要申請(qǐng)人分析

（1）通過對(duì)基于頭部的人機(jī)交互領(lǐng)域的國內(nèi)外專利申請(qǐng)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，早在1982年，國外申請(qǐng)人就提出了用頭部的動(dòng)作來移動(dòng)光標(biāo)，但在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，基于頭部的人機(jī)交互幾乎是處于停滯不前的狀態(tài)，年均申請(qǐng)量不超過50件;直至2005年左右隨著傳感技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，基于頭部的人機(jī)交互才慢慢地成為研究熱點(diǎn)，此時(shí)專利申請(qǐng)量也呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢;之后，隨著智能終端、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能控制的需求，基于頭部的人機(jī)交互的專利申請(qǐng)呈現(xiàn)一個(gè)井噴的態(tài)勢，專利申請(qǐng)量達(dá)到頂峰。

（2）美國、日本、韓國、中國是頭部人機(jī)交互領(lǐng)域的申請(qǐng)大國，其中申請(qǐng)量最大的幾個(gè)公司分別為索尼、微軟、高平、LG、BAE、三星、谷歌等。索尼公司的專利申請(qǐng)量排名第一，旗下有一個(gè)大的索尼計(jì)算娛樂公司;高平和谷歌公司為早期頭戴式顯示設(shè)備的主要開創(chuàng)者;BAE為軍工企業(yè);LG為顯示技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者。而國內(nèi)的主要申請(qǐng)人包括聯(lián)想、樂視、華南理工大學(xué)、OPPO、華為等。

3? 結(jié)語

基于頭部的人機(jī)交互技術(shù)越來越受到國內(nèi)外企業(yè)的重視，被廣泛應(yīng)用到智能家居、智能汽車、終端控制、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，專利申請(qǐng)量快速增長;在頭部的感測方式上基于非接觸式感測正在逐步取代接觸式感測;國外企業(yè)在該領(lǐng)域中布局較多，中國企業(yè)需要加大研究投入力度，防止侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

考考文獻(xiàn)

[1] 廖凌慧.人體交互裝置的專利技術(shù)綜述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（25）：73.

[2] 邢世蒙.頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測分析與設(shè)計(jì)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 楊偉健.基于視覺和肌電信息融合的智能輪椅人機(jī)接口技術(shù)研究及應(yīng)用[D].杭州電子科技大學(xué)，2015.