体感互动技术的原理及类别

创始人 2022-01-29 公司动态 1

体感技术是指人们无需使用任何复杂的控制设备直接使用肢体动作,与周边的装置或环境互动,使人们有身历其境地的感觉。比如,当你站在一台电视前方,假使有某个体感设备可以侦测你手部的动作,此时若是我们用手分别向上、向下、向左及向右挥,用来控制影碟机的快转、倒转、暂停以及终止等功能,这便是一种很直接地以体感操控周边装置的例子。体感游戏的原理是利用摄像头捕捉到的人物动作将其转化为数据,计算机通过与前面的获得的数据进行对比分析了解玩家的身体动作或手势动作,从而实现直接的人机互动效果。

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2010年,微软推出了它的体感设备Kinect,这种革命性的设备借助一个3D摄像头和手势识别软件让人们利用身体的自然活动玩游戏,从而取代原始的掌上控制器, 有媒体形容它为“手势键盘”(gesture keyboarding)。意思就是说,Kinect摄像头可以捕捉到用户的手势动作,再把这些手势语言转换成游戏控制。具体来说,Kinect借助 PrimeSense软件和摄像头侦测、捕捉用户手势动作,然后再将捕捉到的影像与本身内部有的人体模型相对照。每一个符合内部已存人体模型的物体就会被创造成相关的骨骼模型,系统再将该模型转换成虚拟角色,该角色通过识别该人体骨骼模型的关键部位进行动作触发。存虚拟骨骼模型的帮助下,系统可识别 人体的 25个关键部位。微软通过对 33DV systems公司的收购得到了后者的摄像头识别技术,并在此基础上加入了识别人体站立 /坐姿的新技术。

体感技术是什么?

那么体感技术到底是什么呢?它在于人们可以很直接地使用肢体动作,与周边的装置或环境互动,而无需使用任何复杂的控制设备,便可让人们身历其境地与内容做互动。

2006年,Nintendo发表了新时代游戏主机Wii,掀起了体感游戏的序幕。“体感技术”的基本概念,在于人们可以很直接地使用肢体动作,与周边的装置或环境互动,而无需使用任何复杂的控制设备,便可让人们身历其境地与内容做互动。举个例子,当你站在一台电视前方,假使有某个体感设备可以侦测你手部的动作,此时若是我们将手部分别向上、向下、向左及向右挥,用来控制电视台的快转、倒转、暂停以及终止等功能,便是一种很直接地以体感操控周边装置的例子,或是将此四个动作直接对应于游戏角色的反应,便可让人们得到身临其境的游戏体验。其他关于体感技术的应用还包括:3D 虚拟现实、空间鼠标、游戏手柄、运动监测、健康医疗照护等,在未来都有很大的市场。

体感技术原理及分类

如图1所示,图片中的玩家手持游戏手柄进行“网球体感游戏”,玩家的手部击球动作可完全用来模拟并控制游戏里游戏角色的球路,而玩家手部的动作与游戏角色球路的对应是如何实现的呢?原理在于玩家手上的手柄能获取玩家手部的各种物理参数,例如:加速度、角速度、位移……等等,然后再进一步通过算法,将这些物理参数转化为人体在空间中的三个位移量,以及三个旋转量,如此一来便可将手部在空间中的各种动作(平移 + 旋转)完全描述出来,接着再将此平移及旋转量传输给游戏角色,游戏角色便可与玩家做出相同的动作对应。因此所谓的“体感游戏”,便是通过各种传感器捕捉人体的肢体动作(平移 + 旋转),并将所计算出的肢体动作对应于游戏上角色的反应,使玩家的动作与游戏中角色的反应呈现1:1拟真的对应。

近年来全世界在体感技术上的演进,依照体感方式与原理的不同,主要可分为三大类:惯性感测、光学感测以及惯性及光学联合感测。

惯性感测

主要是以惯性传感器为主,例如用重力传感器,陀螺仪以及磁传感器等来感测使用者肢体动作的物理参数,分别为加速度、角速度以及磁场,再根据此些物理参数来求得使用者在空间中的各种动作。主要代表厂商为Logitech在2007年推出空间鼠标(MxAir),使用三轴重力传感器以及两轴陀螺仪,可感测使用者在空间中的手部动作,并将此动作转化为鼠标在屏幕上垂直方向与水平方向的位移。2009年,苹果智能型手机开始拉开了手机体感游戏热门下载的序幕,许多使用惯性传感器来适配的体感游戏不断地孕育而生。其中,iPhone使用了以三轴重力感测以及三轴磁传感器为主的惯性感测。2010年,基于未来手机上即将陆续推出拥有重力传感器、磁传感器和陀螺仪的智能型手机,CyWee发展了面向这三种传感器的特有算法,称为九轴混合感测算法(9 - axis Sensor Fusion Technology)。所谓的九轴,指的便是可量测空间中三轴向之重力传感器、可量测三轴向之磁传感器,以及可量测三轴向之陀螺仪,此算法可克服传统上仅使用个别单一传感器的缺点,进而达成更精确的空间中动作捕捉原理体感体验。

光学感测

主要代表厂商为 Sony及Microsoft。早在 2005年以前,Sony 便推出了光学感应套件——EyeToy,主要是通过光学传感器获取人体影像,再将此人体影像的肢体动作与游戏中的内容互动,主要是以2D平面为主,而内容也多属较为简易类型的互动游戏。直到 2010年,Microsoft发表了跨世代的全新体感感应套件——Kinect,号称无需使用任何体感手柄,便可达到体感的效果,而比起 EyeToy更为进步的是,Kinect 同时使用激光及摄像头(RGB)来获取人体影像信息,可捕捉人体3D全身影像,具有比起EyeToy更为进步的深度信息,而且不受任何灯光环境限制。

惯性及光学联合感测

主要代表厂商为Nintendo及 Sony。2006年所推出的 Wii,主要是在手柄上放置一个重力传感器,用来侦测手部三轴向的加速度,以及一红外线传感器,用来感应在电视屏幕前方的红外线发射器讯号,主要可用来侦测手部在垂直及水平方向的位移,来操控一空间鼠标。这样的配置往往只能侦测一些较为简单的动作,因此Nintendo在2009年推出了Wii手柄的加强版——Wii Motion Plus,主要为在原有的Wii手柄上再插入一个三轴陀螺仪,如此一来便可更精确地侦测人体手腕旋转等动作,强化了在体感方面的体验。至于在2005年推出EyeToy的Sony,也不甘示弱地在2010年推出游戏手柄Move,主要配置包含一个手柄及一个摄像头,手柄包含重力传感器、陀螺仪以及磁传感器,摄像头用于捕捉人体影像,结合这两种传感器,便可侦测人体手部在空间中的移动及转动。

毫无疑问,体感互动技术的出现为我们的生活、工作、娱乐提供了另一番体验,它的便捷、嵌入式的真实体验感、交互性等一系列优势使得体感技术有广阔的市场前景。而目前体感技术的使用已非常广泛,涉及虚拟应用、3D建模、机械控制、虚拟乐器、虚拟娱乐、计算机相关应用、虚拟实验、游戏操控、健康训练等多个领域。而其中体感游戏机的开发对体感技术的应用尤为成功,我们前面提到的微软Kinect、任天堂Wii和索尼Ps Move是目前主流的三大体感游戏机。

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