Kinect 开发 —— 手势识别（上）

像点击(clicks)是GUI平台的核心，轻点(taps)是触摸平台的核心那样，手势(gestures)是Kinect应用程序的核心

在人机交互领域，手势通常被作为传达一些简单的指令而不是交流某些事实、描述问题或者陈述想法

使用手势操作电脑通常是命令式的，这通常不是人们使用手势的目的。例如，挥手(wave)这一动作，在现实世界中通常是打招呼的一种方式，但是这种打招呼的方式在人机交互中却不太常用。通常第一次写程序通常会显示“hello”,但我们对和电脑打招呼并不感兴趣。

    但是，在一个繁忙的餐馆，挥手这一手势可能就有不同的含义了。当向服务员招收时，可能是要引起服务员注意，需要他们提供服务。在计算机中，要引起计算机注意有时候也有其特殊意义，比如，计算机休眠时，一般都会敲击键盘或者移动鼠标来唤醒，以提醒计算机“注意”。当使用Kinect时，可以使用更加直观的方式，就行少数派报告阿汤哥那样，抬起双手，或者简单的朝计算机挥挥手，计算机就会从休眠状态唤醒。

我们想要使用的任何Kinect手势必须基于应用程序的用户 和应用程序的设计和开发者之间就某种手势代表的含义达成一致。

NUI界面的设计充分利用了用户预先就会的技能，用户和UI进行交互感到很自然，使得他们甚至忘了是从哪里学到这些和UI进行交互所需的技能的

自然用户界面的 依赖于先验知识和不需要媒介的交互这两个特征是每一种NUI界面的共同特征

图形用户界面中按钮的一个通常的特征是他提供了一个悬浮状态来指示用户光标已经悬停在的按钮上方的正确位置。这种悬浮状态将点（click）这个动作离散开来。悬浮状态可以为按钮提供一些额外的信息。当将按钮移植到触摸屏交互界面时，按钮不能提供悬浮状态。触摸屏界面只能响应触摸。因此，和电脑上的图像用户界面相比，按钮只能提供“击”（click）操作，而没有“点”（point）的能力。

基于Kinect的图形界面中，按钮的行为和触摸界面中的刚好相反，他只提供了悬浮（hover）的“点”（point）的能力，没有“击”（click）的能力。按钮这种更令用户体验设计者感到沮丧的弱点，在过去的几年里，迫使设计者不断的对Kinect界面上的按钮进行改进，以提供更多巧妙的方式来点击视觉元素。这些改进包括：悬停在按钮上一段时间、将手掌向外推(笨拙地模仿点击一个按钮的行为）

人们通常将自然交互界面划分为三类：语音交互界面，触摸交互界面和手势交互界面。

在交互设计中，易用性有两个方面：可用(affordance)和反馈(feedback)。反馈就是说用户知道当前正在进行的操作。在网页中,点击按钮会看到按钮有一点偏移,这就表示交互成功。鼠标按键按下时的声音在某种意义上也是一种反馈,他表示鼠标在工作。

如果说反馈发生在操作进行中或者之后，那么可用性(affordance)就发生在操作之前了。可用性就是一种提示或者引导，告诉用户某一个可视化元素是可以交互的，指示用户该元素的用处。在GUI交互界面中，按钮是能够最好的完成这些理念的元素。按钮通过文字或者图标提示来执行一些函数操作。GUI界面上的按钮通过悬浮状态可以提示用户其用途。

以上基本上都是废话 ~~ 下面是具体的手势识别实现

使用算法的基本流程就是定义处理规则和条件，这些处理规则和条件必须符合处理结果的要求。在手势识别中，这种算法的结果要求是一个二值型对象，某一手势要么符合预定的手势要么不符合。但是，最简单直接的方法也有其缺点。算法的简单性限制了其能识别到的手势的类别。对于挥手(wave)识别较好的算法不能够识别扔(throw)和摆(swing)动作。前者动作相对简单和规整，后者则更加细微且多变。

算法还有一个内在的扩展性问题。虽然一些代码可以重用，但是每一种手势必须使用定制的算法来进行识别。随着新的手势识别算法加入类库，类库的大小会迅速增加。这就对程序的性能产生影响，因为需要使用很多算法来对某一个手势进行识别以判断该手势的类型。

最后，每一个手势识别算法需要不同的参数，例如时间间隔和阈值。尤其是在依据流程识别特定的手势的时候这一点显得尤其明显。开发者需要不断测试和实验以为每一种算法确定合适的参数值。这本身是一个有挑战也很乏味的工作。然而每一种手势的识别有着自己特殊的问题。

例如跳跃手势，跳跃手势就是用户短暂的跳起来，脚离开地面。这个定义不能够提供足够的信息来识别这一动作。咋一看，这个动作似乎足够简单，使得可以使用算法来进行识别。首先，考虑到有很多种不同形式的跳跃：基本跳跃（basic jumping）、 跨栏(hurdling)、 跳远(long jumping)、 跳跃(hopping)，等等。但是这里有一个大的问题就是，由于受到Kinect视场区域的限制，不可能总是能够探测到地板的位置，这使得脚部何时离开地板很难确定。想象一下，用户在膝盖到下蹲点处弯下，然后跳起来。手势识别引擎应该认为这是一个手势还是多个手势：下蹲或 下蹲跳起或者是跳起？如果用户在蹲下的时间和跳跃的时间相比过长，那么这一手势可能应被识别为下蹲而不是跳跃。这一姿势很难定义清楚，使得不能够通过定义一些算法来进行识别，同时这些算法由于需要定义过多的规则和条件而变得难以管理和不稳定。使用对或错的二值策略来识别用户手势的算法太简单和不够健壮，不能够很好的识别出类似跳跃，下蹲等动作。

神经网络的组织和判断是基于统计和概率的，因此使得像识别手势这些过程变得容易控制。基于什么网络的手势识别引擎对于下蹲然后跳跃动作，80%的概率判断为跳跃，10%会判定为下蹲。

除了能够识别复杂和精细的手势，神经网络方法还能解决基于算法手势识别存在的扩展性问题。神经网络包含很多神经元，每一个神经元是一个好的算法，能够用来判断手势的细微部分的运动。在神经网络中，许多手势可以共享神经元。但是每一中手势识别有着独特的神经元的组合。而且，神经元具有高效的数据结构来处理信息。这使得在识别手势时具有很高的效率。

和基于算法的方法相比，神经网络依赖大量的参数来能得到精确的结果。参数的个数随着神经元的个数增长。每一个神经元可以用来识别多个手势，每一个神经远的参数的变化都会影响其他节点的识别结果。配置和调整这些参数是一项艺术，需要经验，并没有特定的规则可循。然而，当神经网络配对机器学习过程中手动调整参数，随着时间的推移，系统的识别精度会随之提高。

基于样本或者基于模版的手势识别系统能够将人的手势和已知的手势相匹配。用户的手势在模板库中已经规范化了，使得能够用来计算手势的匹配精度。有两种样本识别方法，一种是存储一系列的点，另一种方法是使用类似的Kinect SDK中的骨骼追踪系统。在后面的那个方法中，系统中包含一系列骨骼数据和景深帧数据，能够使用统计方法对产生的影像帧数据进行匹配以识别出已知的帧数据来。

这种手势识别方法高度依赖于机器学习。识别引擎会记录，处理，和重用当前帧数据，所以随着时间的推移，手势识别精度会逐步提高。系统能够更好的识别出你想要表达的具体手势。这种方法能够比较容易的识别出新的手势，而且较其他两种方法能够更好的处理比较复杂的手势。但是建立这样一个系统也不容易。首先，系统依赖于大量的样本数据。数据越多，识别精度越高。所以系统需要大量的存储资源和CPU时间的来进行查找和匹配。其次系统需要不同高度，不同胖瘦，不同穿着（穿着会影响景深数据提取身体轮廓）的样本来进行某一个手势。

选择手势识别的方法通常是依赖于项目的需要。如果项目只需要识别几个简单的手势，那么使用基于算法或者基于神经网络的手势识别就足够了。对于其他类型的项目，如果有兴趣的话可以投入时间来建立可复用的手势识别引擎，或者使用一些人家已经写好的识别算法

不论选择哪种手势识别的方法，都必须考虑手势的变化范围。系统必须具有灵活性，并允许某一个手势有某个范围内的变动。技巧就是对于某一手势，让尽可能多的人来做，然后试图标准化这一手势。手势识别一个比较好的方式就是关注手势最核心的部分而不是哪些外在的细枝末节。

    挥手是最简单最基本的手势。使用算法方法能够很容易识别这一手势，但是之前讲到的任何方法也能够使用。虽然挥手是一个很简单的手势，但是如何使用代码来识别这一手势呢？读者可以在镜子前做向自己挥手，然后仔细观察手的运动，尤其注意观察手和胳膊之间的关系。继续观察手和胳膊之间的关系，然后观察在做这个手势事身体的整个姿势。有些人保持身体和胳膊的不动，使用手腕左右移动来挥手。有些人保持身体和胳膊不动使用手腕前后移动来挥手。可以通过观察这些姿势来了解其他各种不同挥手的方式。

XBOX中的挥手动作定义为：从胳膊开始到肘部弯曲。用户以胳膊肘为焦点来回移动前臂，移动平面和肩部在一个平面上，并且胳膊和地面保持平行,在手势的中部（下图1），前臂垂直于后臂和地面。

从图中可以观察得出一些规律，第一个规律就是，手和手腕都是在肘部和肩部之上的，这也是大多是挥手动作的特征。这也是我们识别挥手这一手势的第一个标准。第一幅图展示了挥手这一姿势的中间位置，前臂和后臂垂直。如果用户手臂改变了这种关系，前臂在垂直线左边或者右边，我们则认为这是该手势的一个片段。对于挥手这一姿势，每一个姿势片段必须来回重复多次，否则就不是一个完整的手势。这一运动规律就是我们的第二个准则：当某一手势是挥手时，手或者手腕，必须在中间姿势的左右来回重复特定的次数。使用这两点通过观察得到的规律，我们可以通过算法建立算法准则，来识别挥动手势了。

算法通过计算手离开中间姿势区域的次数。中间区域是一个以胳膊肘为原点并给予一定阈值的区域。算法也需要用户在一定的时间段内完成这个手势，否则识别就会失败。这里定义的挥动手势识别算法只是一个单独的算法，不包含在一个多层的手势识别系统内。算法维护自身的状态，并在识别完成时以事件形式告知用户识别结果。挥动识别监视多个用户以及两双手的挥动手势。识别算法计算新产生的每一帧骨骼数据，因此必须记录这些识别的状态。

下面的代码展示了记录手势识别状态的两个枚举和一个结构。第一个名为WavePosition的枚举用来定义手在挥手这一动作中的不同位置。手势识别类使用WaveGestureState枚举来追踪每一个用户的手的状态。WaveGestureTracker结构用来保存手势识别中所需要的数据。他有一个Reset方法，当用户的手达不到挥手这一手势的基本动作条件时，比如当手在胳膊肘以下时，可调用Reset方法来重置手势识别中所用到的数据。

private enum WavePosition
{
    None = 0,
    Left = 1,
    Right = 2,
    Neutral = 3
}

private enum WaveGestureState
{
    None = 0,
    Success = 1,
    Failure = 2,
    InProgress = 3
}

private struct WaveGestureTracker
{
    public int IterationCount;
    public WaveGestureState State;
    public long Timestamp;
    public WavePosition StartPosition;
    public WavePosition CurrentPosition;

    public void Reset()
    {
        IterationCount = 0;
        State = WaveGestureState.None;
        Timestamp = 0;
        StartPosition = WavePosition.None;
        CurrentPosition = WavePosition.None;
    }
}

下面代码显示了手势识别类的最基本结构：它定义了五个常量：中间区域阈值，手势动作持续时间，手势离开中间区域左右移动次数，以及左手和右手标识常量。这些常量应该作为配置文件的配置项存储，在这里为了简便，所以以常量声明。WaveGestureTracker数组保存每一个可能的游戏者的双手的手势的识别结果。当挥手这一手势探测到了之后，触发GestureDetected事件。

当主程序接收到一个新的数据帧时，就调用WaveGesture的Update方法。该方法循环遍历每一个用户的骨骼数据帧，然后调用TrackWave方法对左右手进行挥手姿势识别。当骨骼数据不在追踪状态时，重置手势识别状态。

public class WaveGesture
{
    private const float WAVE_THRESHOLD = 0.1f;
    private const int WAVE_MOVEMENT_TIMEOUT = 5000;
    private const int LEFT_HAND = 0;
    private const int RIGHT_HAND = 1;
    private const int REQUIRED_ITERATIONS = 4;

    private WaveGestureTracker[,] _PlayerWaveTracker = new WaveGestureTracker[6, 2];

    public event EventHandler GestureDetected;

    public void Update(Skeleton[] skeletons, long frameTimestamp)
    {
        if (skeletons != null)
        {
            Skeleton skeleton;

            for (int i = 0; i < skeletons.Length; i++)
            {
                skeleton = skeletons[i];

                if (skeleton.TrackingState != SkeletonTrackingState.NotTracked)
                {
                    TrackWave(skeleton, true, ref this._PlayerWaveTracker[i, LEFT_HAND], frameTimestamp);
                    TrackWave(skeleton, false, ref this._PlayerWaveTracker[i, RIGHT_HAND], frameTimestamp);
                }
                else
                {
                    this._PlayerWaveTracker[i, LEFT_HAND].Reset();
                    this._PlayerWaveTracker[i, RIGHT_HAND].Reset();
                }
            }
        }
    }
}

下面的代码是挥手姿势识别的主要逻辑方法TrackWave的主体部分。它验证我们先前定义的构成挥手姿势的条件，并更新手势识别的状态。方法识别左手或者右手的手势，第一个条件是验证，手和肘关节点是否处于追踪状态。如果这两个关节点信息不可用，则重置追踪状态，否则进行下一步的验证。

    如果姿势持续时间超过阈值且还没有进入到下一步骤，在姿势追踪超时，重置追踪数据。下一个验证手部关节点是否在肘关节点之上。如果不是，则根据当前的追踪状态，挥手姿势识别失败或者重置识别条件。如果手部关节点在Y轴上且高于肘部关节点，方法继续判断手在Y轴上相对于肘关节的位置。调用UpdatePosition方法并传入合适的手关节点所处的位置。更新手关节点位置之后，最后判断定义的重复次数是否满足，如果满足这些条件，挥手这一手势识别成功，触发GetstureDetected事件。

private void TrackWave(Skeleton skeleton, bool isLeft, ref WaveGestureTracker tracker, long timestamp)
{
    JointType handJointId = (isLeft) ? JointType.HandLeft : JointType.HandRight;
    JointType elbowJointId = (isLeft) ? JointType.ElbowLeft : JointType.ElbowRight;
    Joint hand = skeleton.Joints[handJointId];
    Joint elbow = skeleton.Joints[elbowJointId];

    if (hand.TrackingState != JointTrackingState.NotTracked && elbow.TrackingState != JointTrackingState.NotTracked)
    {
        if (tracker.State == WaveGestureState.InProgress && tracker.Timestamp + WAVE_MOVEMENT_TIMEOUT < timestamp)
        {
            tracker.UpdateState(WaveGestureState.Failure, timestamp);
            System.Diagnostics.Debug.WriteLine("Fail!");
        }
        else if (hand.Position.Y > elbow.Position.Y)
        {
            //使用 (0, 0) 作为屏幕的中心.  从用户的视角看, X轴左负右正.
            if (hand.Position.X <= elbow.Position.X - WAVE_THRESHOLD)
            {
                tracker.UpdatePosition(WavePosition.Left, timestamp);
            }
            else if (hand.Position.X >= elbow.Position.X + WAVE_THRESHOLD)
            {
                tracker.UpdatePosition(WavePosition.Right, timestamp);
            }
            else
            {
                tracker.UpdatePosition(WavePosition.Neutral, timestamp);
            }

            if (tracker.State != WaveGestureState.Success && tracker.IterationCount == REQUIRED_ITERATIONS)
            {
                tracker.UpdateState(WaveGestureState.Success, timestamp);
                System.Diagnostics.Debug.WriteLine("Success!");

                if (GestureDetected != null)
                {
                    GestureDetected(this, new EventArgs());
                }
            }
        }
        else
        {
            if (tracker.State == WaveGestureState.InProgress)
            {
                tracker.UpdateState(WaveGestureState.Failure, timestamp);
                System.Diagnostics.Debug.WriteLine("Fail!");
            }
            else
            {
                tracker.Reset();
            }
        }
    }
    else
    {
        tracker.Reset();
    }
}

下面的代码添加到WaveGestureTracker结构中：这些帮助方法维护结构中的字段，使得TrackWave方法易读。唯一需要注意的是UpdatePosition方法。TrackWave调用该方法判断手的位置已经移动。他的最主要目的是更新CurrentPosition和Timestamp属性，该方法也负责更新InterationCount字段合InPorgress状态。

public void UpdateState(WaveGestureState state, long timestamp)
{
    State = state;
    Timestamp = timestamp;
}

public void Reset()
{
    IterationCount = 0;
    State = WaveGestureState.None;
    Timestamp = 0;
    StartPosition = WavePosition.None;
    CurrentPosition = WavePosition.None;
}

public void UpdatePosition(WavePosition position, long timestamp)
{
    if (CurrentPosition != position)
    {
        if (position == WavePosition.Left || position == WavePosition.Right)
        {
            if (State != WaveGestureState.InProgress)
            {
                State = WaveGestureState.InProgress;
                IterationCount = 0;
                StartPosition = position;
            }

            IterationCount++;
        }

        CurrentPosition = position;
        Timestamp = timestamp;
    }
}

Kinect 开发 —— 手势识别（上）