基于Kinect的虛擬放風(fēng)箏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉晉鋼 韓燮 侯歡歡 周曉青

摘 要：為了在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)風(fēng)箏放飛效果，采用Kinect作為輸入設(shè)備，利用體感設(shè)備的骨骼跟蹤技術(shù)，定義手臂上舉、振臂和雙手交叉模擬放風(fēng)箏的常用姿勢(shì)，設(shè)計(jì)了虛擬放風(fēng)箏系統(tǒng)，讓用戶通過(guò)手臂動(dòng)作在虛擬環(huán)境中放飛風(fēng)箏。在WPF平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)風(fēng)箏場(chǎng)景設(shè)計(jì)和風(fēng)箏運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。通過(guò)單元測(cè)試和集成測(cè)試，表明系統(tǒng)使用骨骼數(shù)據(jù)跟蹤技術(shù)結(jié)合用戶自定義手勢(shì)，操作合理，WPF動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景及風(fēng)箏運(yùn)動(dòng)突破了傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)限制，用戶能在虛擬場(chǎng)景中體驗(yàn)到放風(fēng)箏的樂(lè)趣。

關(guān)鍵詞：體感設(shè)備;虛擬放風(fēng)箏;骨骼跟蹤;WPF

DOI：10. 11907/rjdk. 182715 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）007-0100-04

Design of Virtual Kite Flying System Based on Kinect

LIU Jin-gang1，HAN Xie2，HOU Huan-huan1，ZHOU Xiao-qin1

（1. Computer Engineering Department， Taiyuan Institute of Technology， Taiyuan 030008， China;

2. Data Science and Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： In order to achieve the effect of kite flying in virtual environment， Kinect is used as a data input device in the system. Developers simulate gestures of flying a kite by means of arm lifting， arm swing and arms crossing， based on bone tracking technology of Kinect. The system realizes the design of the kite scene and the animation design of the kite movement. Users fly kites in the virtual environment by arm movements. Unit test and integrated test show it is reasonable to use bone data tracking technology and combine user defined gestures. WPF animation of scene and kite movement break through the restriction of traditional animation， which makes users experience the fun of flying kites in virtual scene.

Key Words： Kinect; virtual kite flying; bone binding; WPF

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61672473）;山西省回國(guó)留學(xué)人員科研項(xiàng)目（2015-079）

作者簡(jiǎn)介：劉晉鋼（1975-），女，太原工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系副教授，研究方向?yàn)槿藱C(jī)交互;韓燮（1964-），女，博士，中北大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真。

0 引言

風(fēng)箏在中國(guó)有著十分悠久的歷史，與民俗、民風(fēng)及精神文化生活密切相關(guān)，放風(fēng)箏是一種深受民眾喜愛(ài)的游戲和體育項(xiàng)目。關(guān)于風(fēng)箏的起源，世界上有很多不同的說(shuō)法，其中相當(dāng)一部分人認(rèn)為風(fēng)箏起源于中國(guó)，大約在公元8 世紀(jì)時(shí)由中國(guó)傳到世界各地[1]。然而常規(guī)的放風(fēng)箏活動(dòng)都在室外進(jìn)行，易受場(chǎng)地、天氣、季節(jié)等諸多復(fù)雜因素的影響。隨著計(jì)算機(jī)游戲系統(tǒng)的發(fā)展，在室內(nèi)基于虛擬環(huán)境放飛風(fēng)箏成為可能。

于澤升等[2]提出采用基于加權(quán)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整模板匹配手勢(shì)識(shí)別算法，結(jié)合Kinect的手勢(shì)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了家居設(shè)備的智能控制;劉小建等[3]提出使用深度信息進(jìn)行多特征提取的手勢(shì)識(shí)別算法，結(jié)合Kinect深度信息定位人手;華中師范大學(xué)田元等[4]提出用人物進(jìn)行實(shí)時(shí)手勢(shì)識(shí)別方法，平均識(shí)別率可達(dá)97%;鄧瑾雯[5]結(jié)合Kinect人物和姿勢(shì)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng);內(nèi)蒙古大學(xué)錢(qián)錕[6]用Kinect攝像機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，結(jié)合彩色圖像及骨骼數(shù)據(jù)信息，對(duì)靜態(tài)手語(yǔ)和動(dòng)態(tài)孤立詞手語(yǔ)實(shí)現(xiàn)識(shí)別，取得較好效果;張冕等[7]采用支持向量機(jī)SVM的機(jī)器學(xué)習(xí)方法分類(lèi)識(shí)別操作人員的手勢(shì)，將手勢(shì)映射為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)手勢(shì)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)表明配電作業(yè)機(jī)器人智能人機(jī)交互方法可行;哈爾濱工業(yè)大學(xué)雷程等[8]針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的交互控制，給出了基于Kinect全向移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)型，并推導(dǎo)出正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

Kinect應(yīng)用廣泛，文獻(xiàn)[9]將Kinect用于模擬訓(xùn)練人員高浸潤(rùn)定位，文獻(xiàn)[10]將其用于虛擬試衣，文獻(xiàn)[11]將其用于深度數(shù)據(jù)指尖檢測(cè)，文獻(xiàn)[12]將其用于智能小車(chē)控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[13]對(duì)Kinect采集的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)和融合，文獻(xiàn)[14]對(duì)Kinect點(diǎn)云數(shù)據(jù)超限補(bǔ)償信息融合，文獻(xiàn)[15]使用Kinect對(duì)坐姿意圖進(jìn)行判斷研究。這些研究成果表明Kinect在虛擬仿真方面有良好的應(yīng)用前景。

本文以放風(fēng)箏為例，提出基于Kinect的虛擬放風(fēng)箏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使用Kinect設(shè)備采集放風(fēng)箏的常用姿態(tài)，將手勢(shì)識(shí)別擴(kuò)充到手臂的實(shí)時(shí)姿態(tài)識(shí)別，借助WPF的動(dòng)畫(huà)模擬放風(fēng)箏畫(huà)面。

1 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)結(jié)合Kinect骨骼綁定技術(shù)，利用Microsoft Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)工具在WPF平臺(tái)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1.1 Kinect

Kinect是一種3D體感攝影機(jī)，包含即時(shí)語(yǔ)音辨識(shí)、影像辨識(shí)、動(dòng)態(tài)捕捉、麥克風(fēng)輸入、社群互動(dòng)等功能。微軟Kinect依靠相機(jī)捕捉三維空間中的用戶運(yùn)動(dòng)，無(wú)需使用任何控制器。該系統(tǒng)還能辨識(shí)人臉，可以使用戶自動(dòng)連上游戲，可辨認(rèn)不同的聲音并接受命令，使系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)易 [16]。

1.2 WPF

1.2.1 WPF簡(jiǎn)介

Windows Presentation Foundation（WPF）是微軟新一代圖形展示系統(tǒng)。WPF提供了統(tǒng)一的編程模型、語(yǔ)言和框架，還有全新的多媒體交互用戶圖形界面[17]。

1.2.2 WPF圖形基礎(chǔ)

WPF集成了2D矢量圖、光柵圖片、文本、音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)、3D圖形，所有這些特性都構(gòu)建在DirectX之上。

WPF的基本設(shè)計(jì)原則是元素合成思想，將元素合成思想融入到WPF的圖形系統(tǒng)中。

1.2.3 WPF坐標(biāo)系

當(dāng)使用WPF創(chuàng)建圖形時(shí)，應(yīng)該知道圖形顯示在什么地方，需要對(duì)WPF中的坐標(biāo)系統(tǒng)有一定的認(rèn)識(shí)。

在WPF二維坐標(biāo)系中，左上角是坐標(biāo)原點(diǎn)，向右為X軸正方向，向下為Y軸正方向， WPF默認(rèn)二維坐標(biāo)系如圖1所示。

在WPF的三維坐標(biāo)系中，原點(diǎn)一般位于在WPF中創(chuàng)建的三維對(duì)象中心。三維坐標(biāo)的X 軸正方向朝右，Y軸正方向朝上，Z軸正方向從原點(diǎn)向外朝向觀察者。WPF三維空間坐標(biāo)系如圖2所示。

? ? ?

圖1 WPF默認(rèn)二維坐標(biāo)系? ? ? ? ? ? ? ? 圖2 WPF三維坐標(biāo)系統(tǒng)

1.3 骨骼綁定

在Kinect中，20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以表示一個(gè)骨架，如圖3所示。當(dāng)用戶進(jìn)入Kinect的視野范圍時(shí)，Kinect可自動(dòng)把用戶20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置找到，并且通過(guò)（x，y，z）坐標(biāo)表示[18]。當(dāng)用戶在Kinect面前做很多復(fù)雜的動(dòng)作時(shí)，客戶端可通過(guò)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置變化執(zhí)行操作。獲取Kinect數(shù)據(jù)流有PM（Polling Model）模型和EM（Event Model）模型[19]。

圖3 骨骼綁定

使用NUI（Natural User Interface）操縱計(jì)算機(jī)。NUI指一類(lèi)自然用戶界面，需要人們以最自然的方式（如語(yǔ)言和文字）與機(jī)器互動(dòng)。此外，需要一種應(yīng)用程序編程接口API（Application Programming Interface），它可提供應(yīng)用程序與開(kāi)發(fā)人員基于某軟件或硬件得以訪問(wèn)一組例程的能力，但不需要訪問(wèn)源碼，也不用理解內(nèi)部工作機(jī)制。

對(duì)于所有獲取的骨骼數(shù)據(jù)至少應(yīng)包含3類(lèi)信息：①相關(guān)骨骼跟蹤狀態(tài)。骨骼跟蹤狀態(tài)可分為被動(dòng)模式和主動(dòng)模式。被動(dòng)模式僅包括位置數(shù)據(jù)，主動(dòng)模式包括完整的骨骼數(shù)據(jù)，即20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間位置信息;②唯一的骨骼跟蹤ID，用于分配給視野中的用戶，也稱為深度數(shù)據(jù)中的ID;③用戶質(zhì)心位置，該值僅在被動(dòng)模式下可用。

1.3.1 骨骼數(shù)據(jù)獲取方式

NUI骨骼API提供了兩種應(yīng)用模型：輪詢模型和時(shí)間模型[20]。

輪詢模型是讀取骨骼事件最簡(jiǎn)單的方式。通過(guò)調(diào)用SkeletonStream類(lèi)的OpenNextFrame（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。該函數(shù)可指定下一幀骨骼數(shù)據(jù)的等待時(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好或超出等待時(shí)間時(shí)，此函數(shù)便會(huì)返回Kinect的下一幀骨骼數(shù)據(jù)。

時(shí)間模型以事件驅(qū)動(dòng)方式獲取骨骼數(shù)據(jù)，這種方式更加準(zhǔn)確、靈活。應(yīng)用程序給SkeletonFrameReady事件傳遞一個(gè)事件處理函數(shù)。如果下一幀骨骼數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，就會(huì)立即調(diào)用該事件的回調(diào)函數(shù)。因而Kinect應(yīng)用要實(shí)時(shí)獲取骨骼數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用OpenSkeletonFrame（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集用戶動(dòng)作，故選擇時(shí)間模型獲取骨骼數(shù)據(jù)。

1.3.2 骨骼對(duì)象模型

Kinect For Windows SDK中，骨骼追蹤有4個(gè)重要對(duì)象，它們是SkeletonStream、SkeletonFrame、Skeleton和Joint。骨骼對(duì)象模型如圖4所示。

圖4 骨骼對(duì)象模型

下面針對(duì)骨骼對(duì)象模型中的對(duì)象作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

（1）SkeletonStream對(duì)象。SkeletonStream通過(guò)注冊(cè)SkeletonFrameReady事件或AllFramesReady事件的方式獲取骨骼幀數(shù)據(jù)，即通過(guò)事件模型獲取數(shù)據(jù)。同時(shí)也可調(diào)用OpenNextFrame方法，通過(guò)輪詢模型獲取數(shù)據(jù)。

（2）SkeletonFrame對(duì)象。該對(duì)象通過(guò)SkeletonStream產(chǎn)生，使用時(shí)間模型從事件的參數(shù)中調(diào)用OpenSkeletonFrame。

（3）Skeleton對(duì)象。Skeleton對(duì)象所屬類(lèi)定義了一系列字段描述骨骼信息，這些骨骼信息包括描述骨骼的位置以及骨骼中關(guān)節(jié)點(diǎn)可能的位置信息。

（4）Joint對(duì)象。Joint用來(lái)定義追蹤關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，圖4描述了可追蹤的所有關(guān)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)都有JointTrackingState（關(guān)節(jié)點(diǎn)的跟蹤狀態(tài)及方式）、JointType（關(guān)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型）和Position（關(guān)節(jié)點(diǎn)位置）3個(gè)屬性。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)采用WPF相關(guān)技術(shù)，結(jié)合Kinect的骨骼綁定，重點(diǎn)是虛擬放風(fēng)箏系統(tǒng)中玩家的姿勢(shì)識(shí)別。系統(tǒng)UI設(shè)計(jì)包含登錄頁(yè)面，場(chǎng)景頁(yè)面、風(fēng)箏頁(yè)面和游戲頁(yè)面，這些頁(yè)面采用WPF動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功能如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于姿勢(shì)識(shí)別和風(fēng)箏動(dòng)畫(huà)。

2.2 姿勢(shì)識(shí)別

玩家姿勢(shì)設(shè)計(jì)從3個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作模擬放飛風(fēng)箏的真實(shí)體驗(yàn)。圖6給出了系統(tǒng)用到的3種姿勢(shì)：①左手高舉過(guò)頭，風(fēng)箏待飛，姿勢(shì)如圖6（a）所示;②右手高舉過(guò)肩，風(fēng)箏起飛，振臂，風(fēng)箏飛高、飛遠(yuǎn)。振臂姿勢(shì)如圖6（b）中的箭頭所示;③雙手在身前交叉轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)箏飛低，收線，風(fēng)箏落地，姿勢(shì)如圖6（c）所示。

（a） 左手舉過(guò)頭? ? ? ?（b）右手過(guò)肩、振臂? ? ?（c）雙手交叉

圖6 系統(tǒng)3種姿勢(shì)

2.3 風(fēng)箏動(dòng)畫(huà)

風(fēng)箏放飛場(chǎng)景使用WPF動(dòng)畫(huà)進(jìn)行繪圖。通過(guò)動(dòng)畫(huà)可以創(chuàng)建真實(shí)的動(dòng)態(tài)用戶界面，實(shí)現(xiàn)風(fēng)箏的待飛、起飛、飛高、飛遠(yuǎn)和收線畫(huà)面。

2.3.1 WPF動(dòng)畫(huà)

WPF動(dòng)畫(huà)與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)相比實(shí)現(xiàn)方式更簡(jiǎn)潔，可以與XAML無(wú)縫集成，運(yùn)行起來(lái)比傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)更流暢。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)動(dòng)畫(huà)在UI線程上需要修改UI控件的屬性（按鈕寬度），因此DispatcherTimer操作與其它操作一樣，需要放置到 Dispatcher 隊(duì)列中，但它并不能保證恰好在該時(shí)間間隔內(nèi)。從某種意義上講，它不適合動(dòng)畫(huà)這種間隔很短的計(jì)時(shí)。

動(dòng)畫(huà)流暢性取決于每秒更新的幀數(shù)，也就是常說(shuō)的幀率。人眼睛上限是70幀，而傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)代碼是每秒20幀的幀率，所以精度不夠高、幀率受限制。而WPF動(dòng)畫(huà)是根據(jù)計(jì)算機(jī)性能和當(dāng)前進(jìn)程的繁忙程度盡可能增大幀率，WPF的動(dòng)畫(huà)遠(yuǎn)大于20幀，因此要流暢很多。

2.3.2 路徑動(dòng)畫(huà)

WPF包含了線性插值動(dòng)畫(huà)、關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)和路徑動(dòng)畫(huà)3種類(lèi)型，這3種動(dòng)畫(huà)都位于System.Windows.Media.Animation命名空間里，本系統(tǒng)使用最多的是路徑動(dòng)畫(huà)。

（a） 風(fēng)箏初始狀態(tài)? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）風(fēng)箏起飛路徑

圖7 蝴蝶風(fēng)箏起飛路徑動(dòng)畫(huà)頁(yè)面

路徑動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)方式是修改數(shù)值使其符合PathGeometry對(duì)象描述的形狀，并且讓元素沿著路徑移動(dòng)。雖然可通過(guò)控制動(dòng)畫(huà)旋轉(zhuǎn)和偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)象的移動(dòng)，但路徑動(dòng)畫(huà)更專(zhuān)業(yè)，實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)潔明了。WPF中有3種路徑動(dòng)畫(huà)類(lèi)，其中使用最多的是MatrixAnimationUsingPath路徑動(dòng)畫(huà)，它用來(lái)控制對(duì)象的MatrixTransform。本系統(tǒng)起飛動(dòng)畫(huà)如圖7所示。

3 測(cè)試

本系統(tǒng)對(duì)Kinect硬件有依賴性，故需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行單元測(cè)試和集成測(cè)試。在單元測(cè)試中選取風(fēng)箏動(dòng)畫(huà)與骨骼追蹤測(cè)試，風(fēng)箏動(dòng)畫(huà)測(cè)試用例如表1所示。

表1 風(fēng)箏動(dòng)畫(huà)測(cè)試用例

表1中，3個(gè)輸入函數(shù)是StarAnimate、HighFarAnimate和FlyDownAnimate。3個(gè)函數(shù)的功能分別是起飛、飛高飛遠(yuǎn)和收線。測(cè)試結(jié)果與期望結(jié)果完全吻合，功能實(shí)現(xiàn)正常。

利用Kinect骨骼綁定，對(duì)準(zhǔn)確標(biāo)定人體的20個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置進(jìn)行追蹤并進(jìn)行姿勢(shì)識(shí)別，測(cè)試結(jié)果與預(yù)期一致。表2是集成測(cè)試用例。

表2 集成測(cè)試用例

集成測(cè)試選擇春天場(chǎng)景下的蝴蝶風(fēng)箏，如圖8、圖9所示。通過(guò)左手高舉過(guò)頭手勢(shì)，風(fēng)箏處于待飛狀態(tài)，見(jiàn)圖9（a）;右手過(guò)肩，風(fēng)箏起飛，見(jiàn)圖9（b），與圖7頁(yè)面相一致。

（a） 場(chǎng)景? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）風(fēng)箏圖案

圖8 風(fēng)箏場(chǎng)景

（a） 風(fēng)箏待飛? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）風(fēng)箏起飛

圖9 風(fēng)箏待飛、起飛

振臂實(shí)現(xiàn)風(fēng)箏高飛，如圖10（a）所示;雙手胸前交叉，收線，風(fēng)箏落地如圖10（b）所示。

（a） 風(fēng)箏高飛? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）收線

圖10 風(fēng)箏高飛、收線

4 結(jié)語(yǔ)

本文將Kinect與WPF動(dòng)畫(huà)技術(shù)相結(jié)合，讓用戶通過(guò)手臂動(dòng)作在虛擬環(huán)境中放飛風(fēng)箏，單元測(cè)試和集成測(cè)試表明設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果。Kinect是一種更自然的人機(jī)交互方式，用戶在虛擬環(huán)境下放飛風(fēng)箏，不受惡劣天氣影響，提高了Kinect體感交互產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)，可享受放風(fēng)箏的樂(lè)趣。把Kinect作為輸入設(shè)備用于體感游戲開(kāi)發(fā)具有一定的推廣價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）