基于Kinect體感設備投籃系統設計

徐濤　黃賢立　嚴霞　林瓅

摘 要：隨著計算機的飛速發展，自然的圖形用戶界面應運而生，結合微軟推出的體感設備Kinect，以及游戲引擎Unity3D，可以快速搭建實驗環境。通過腳本定義投籃手勢識別算法，完成投籃手勢的識別，并利用算法算出籃球拋出時的初速度，交給Unity3D的物理引擎計算出籃球的運動軌跡，從而完成整個虛擬的投籃過程。

關鍵詞：Kinect；體感；手勢識別；Unity3D；投籃系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.266

0 引言

根據馮·諾依曼（John von Neumann，1903～1957）的計算機體系結構，計算機分為五大部分——運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。現在大多數計算機仍是馮·諾依曼計算機的組織結構，只是做了一些改進而已，并沒有從根本上突破馮·諾依曼體系結構的束縛。對于計算機的研究和使用人員來說，計算機的發展最終需要解決的問題就是輸入和輸出的問題。如何對計算機進行高效準確的輸入，以及如何讓計算機通過算法，進行準確的計算，輸出人們想要的結果，一直是計算機研究的一個重要課題。

隨著計算機的發展，自然的用戶界面（NUI） 隨之出現。相對于傳統的用戶輸入方式——鼠標鍵盤，自然的用戶界面顯得更加人性化。比如語音輸入，手勢識別等。顯然，自然的用戶界面更加符合人們的行為習慣。自然的用戶界面更加健康，它可以讓對計算機的輸入變成與一個人的交流，讓用戶可以有更加身臨其境的感覺。

1 現實生活中體感手勢的運用

人們在日常的交際中，經常會用到一些手勢，來使得對問題的表述更加具有表現力。這些手勢不僅僅只是手指的動作，也不能理解為手部的動作。手勢是一個廣泛的概念，它包含了有含義、有意義的肢體動作。這也就是說，一個踢腿的動作，也可以被定義為手勢。敲擊鍵盤不是一個手勢，因為手指快速的按下某一個按鍵既不容易被觀察到，也不能直觀地表達其含義。

然而，手勢不只是用在交際表達中，人們在日常的生活中，也無處不用到手勢。例如，在擰開飲料瓶蓋的時候，需要用手握緊瓶蓋，另一只抓緊瓶身，通過手腕、手臂的共同協作，完成擰下瓶蓋的動作。擰下瓶蓋的動作，就是一個手勢。我們可以忽略在完成這些動作過程中所使用到、接觸到的實際存在的物體，而把注意力轉移到肢體本身。假設物體并不存在的，讓你筆畫著空氣來完成一個擰瓶蓋的動作，讓另外一個人去猜你現在正在做的動作，是否他一眼就能看出你正在演示擰瓶蓋的動作呢？

2 基于Kinect體感設備的籃球系統

2.1 手勢的識別

如果“猜”出你所做手勢的是一臺計算機，那么就涉及到計算機的手勢識別技術。讓計算機去完成一個手勢的識別、判斷是非常困難的。首先，我們要設法獲取人體的相關信息，這涉及到圖形、圖像識別技術、深度數據挖掘技術。通過微軟研制的Kinect，其攝像頭在收集了人體的視頻信息之后，通過算法的處理，可以把人的肢體信息凝練為20個骨骼節點。它可以準確標定人體的這20個關鍵點，并對這20個點的位置進行實時追蹤。在程序及算法設計中，人的肢體運動，會使得身體各個骨骼節點的三維坐標值發生改變。通過設置合理的數值，當骨骼節點的坐標差值超過某個設定值的時候，觸發某一個狀態位或一系列狀態位的改變，從而完成一個手勢或者一系列手勢的判定。例如，完成一個完整的投籃手勢，需要先抬起手臂。以右手為例，抬起右手意味著右手腕節點的y坐標值超過了右肩膀節點的y坐標值，也就是實際空間中的右手高度，高于右肩膀高度。此時，應該觸發抬手狀態位的改變，告訴系統，投擲者的手臂已經抬起，準備進行下一步的判斷與計算。

當然，在手臂放下之后，要把抬手狀態位還原，告訴系統，投擲者的手臂已經放下，不能繼續進行投擲算法，不然系統會出現錯誤投擲判斷。由此，抬手狀態的觸發就相當于投擲算法的第一個開關，整個投籃手勢也是由一系列手勢構成的。

2.2 運動軌跡的計算

籃球在空間中的運動，是一個球體的物理運動，需要物理引擎來提供物理算法，通常的游戲引擎都會帶有物理引擎，我們使用Unity3D游戲引擎中的物理引擎，來完成籃球運動軌跡的計算。這樣，我們只需要把籃球被拋出時的方向和速度提供給物理引擎，就可以完成籃球運動軌跡的計算了。

現實中，人完成投籃動作，就是給籃球一個加速度。通過手部用力，讓籃球和手擁有相同的速度。當手部停止加速，開始減速，籃球也就不再加速，并且脫離手部，不再和手有接觸。籃球擁有了初始速度，就開始拋物運動。這里我們忽略空氣阻力的作用。在三維空間中，需要把加速度及速度分解到相互垂直的三個方向上，也就是三維坐標系中，計算三個方向上的加速度，最終提交給Unity3D的物理引擎，形成一個和速度進行計算。手部三個方向上的加速度，可以通過速度計算公式獲得。Kinect提供給我們每秒30幀的骨骼節點三維坐標位置變化，一個方向上坐標的差值除以時間，就可以得到此方向上的速度，進一步就可以得到此方向上的加速度。

2.3 模型的構建

最后，我們在Unity3D中創建場景，添加籃球架的模型，并添加腳本判斷籃球是否投進，進行計分，并給籃球和籃框添加碰撞器，當籃球碰觸籃框時，進行碰撞的檢測和碰撞結果的計算，模擬真實的投籃環境，構成一個完整的投籃系統。

參考文獻：

[1]沈緒榜，劉澤響，王茹.計算機體系結構的統一模型[J].計算機學報，2007，30（05）：731-736.

[2]張茫茫，傅紅.基于實體用戶界面與自然用戶界面結合的產品設計[J].研究論文，2013，31（28）：99-102.

[3]曹雛清，李瑞峰，趙立軍.基于深度圖像技術的手勢識別方法[J].計算機工程，2012，38（08）：16-21.

[4]朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統[J].計算機系統應用，2012，21（10）：36-40.

作者簡介：徐濤（1993-），男，江蘇人，本科，研究方向：物聯網。