隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以用戶為中心的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)成為人機(jī)交互的發(fā)展趨勢(shì),，用戶可以更方便,、自然地使用計(jì)算機(jī)。3G時(shí)代的到來(lái),，智能手機(jī),、重力感應(yīng)、無(wú)線WiFi(無(wú)線局域網(wǎng)通信方式)等一系列新技術(shù)的應(yīng)用也已進(jìn)入實(shí)用階段[1-2]。這些技術(shù)不僅使得移動(dòng)設(shè)備的功能更強(qiáng)大,，也開(kāi)創(chuàng)了新的人機(jī)交互接口,，其中最具代表性的就是基于體感交互的人機(jī)接口。

    體感交互是通過(guò)人的肢體動(dòng)作變化進(jìn)行操作的一種人機(jī)交互方式,?？臻g手勢(shì)是一種自然、直觀,、易于學(xué)習(xí)的人機(jī)交互手段,，是體感交互的重要組成部分之一。傳統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別是通過(guò)攝像頭捕捉手勢(shì),，并利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法識(shí)別手勢(shì),這種方法計(jì)算量非常大,，需要消耗大量的手持設(shè)備系統(tǒng)資源。目前更方便的方法是利用移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置的傳感器(如加速度傳感器,、陀螺儀,、磁力儀等)來(lái)進(jìn)行識(shí)別。利用內(nèi)置傳感器進(jìn)行識(shí)別的優(yōu)勢(shì)是手勢(shì)識(shí)別能在設(shè)備本身進(jìn)行,，并且識(shí)別精度不受燈光條件或者攝像頭質(zhì)量的影響[3],因此其成本和能耗最低,。近年來(lái)，移動(dòng)智能終端發(fā)展十分迅速,，很多廠商都為自己的產(chǎn)品配備了三軸陀螺儀等體感設(shè)備,，如最早采用該技術(shù)的蘋(píng)果iPhone4，這使得利用移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置傳感器開(kāi)發(fā)體感交互應(yīng)用成為可能,。
    目前的系統(tǒng)將智能終端作為外設(shè)[4],可直接通過(guò)WiFi進(jìn)行通信,。使用配備三軸加速計(jì)和陀螺儀的智能移動(dòng)終端捕獲手勢(shì)命令，以WiFi網(wǎng)絡(luò)作為信息傳遞載體,，將手勢(shì)命令傳輸?shù)椒?wù)器，從而達(dá)到在演講時(shí)控制幻燈片放映控制的目的,。這種基于WiFi和體感交互的演示方式,，能克服傳統(tǒng)USB激光筆操作方式單一、接收距離有限等問(wèn)題,，并能提供更好的用戶體驗(yàn),。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    基于WiFi和體感交互的演示系統(tǒng)由客戶端和服務(wù)端兩部分組成，系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示,。服務(wù)端運(yùn)行在裝有Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上,，主要負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)客戶端消息以及控制幻燈片的放映；客戶端運(yùn)行在移動(dòng)智能終端上,主要負(fù)責(zé)接收用戶輸入(包括手勢(shì)輸入),，并且發(fā)送命令至服務(wù)端,。客戶端通過(guò)WiFi連接到服務(wù)端所在的局域網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)雙方的通信,。在設(shè)計(jì)中,，客戶端可以是各個(gè)平臺(tái)的移動(dòng)終端，本研究是基于運(yùn)行iOS操作系統(tǒng)的iPad2平板電腦和iPhone4手機(jī),。利用iPad2和iPhone4內(nèi)置的三軸陀螺儀捕獲數(shù)據(jù),，并通過(guò)識(shí)別算法解析為相應(yīng)的手勢(shì)。整個(gè)系統(tǒng)包含：體感模塊,、手勢(shì)識(shí)別模塊和基于WiFi的通信模塊,。體感層通過(guò)移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置的三軸陀螺儀傳感器獲取信息,通過(guò)三軸陀螺儀，可以獲得設(shè)備在每一時(shí)刻三個(gè)方向上的加速度值,并針對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)陀螺儀傳回的加速度值進(jìn)行分析,，即可對(duì)手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別,。手勢(shì)識(shí)別層基于體感層獲取的信息，利用訓(xùn)練好的識(shí)別算法識(shí)別手勢(shì),。通信層將識(shí)別結(jié)果傳遞給外部設(shè)備,，以觸發(fā)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1體感層
    手勢(shì)的選擇和設(shè)計(jì)不僅影響到用戶體驗(yàn),，還影響到識(shí)別準(zhǔn)確率,。PYLVANAINEN T認(rèn)為大規(guī)模的手勢(shì)集合是不切實(shí)際的，因?yàn)檫@么多手勢(shì)需要使用者去逐一學(xué)習(xí),，影響使用效果[1],。LIU J[5]等研究中的識(shí)別結(jié)果表明，選擇合適的手勢(shì)集合對(duì)提高識(shí)別精度具有重要意義,。越復(fù)雜的手勢(shì)需要定義的特征就越多,，雖然能獲得較高的識(shí)別率，但是復(fù)雜的手勢(shì)需要使用者去了解并且記住所對(duì)應(yīng)的意義,。
　在本文的研究中,，主要利用移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置的三軸陀螺儀來(lái)捕獲數(shù)據(jù)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)設(shè)置手勢(shì),?？紤]到移動(dòng)設(shè)備具有X、Y,、Z三軸,，本文可定義6個(gè)基本的旋轉(zhuǎn)。
    三軸陀螺儀可以測(cè)定6個(gè)方向的角速度量,，多用于航海,、航天等導(dǎo)航、定位系統(tǒng),，能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位,，目前多用于智能手機(jī),。本研究基于Ipad2內(nèi)置的三軸數(shù)字陀螺儀捕獲手勢(shì)數(shù)據(jù)，每隔0.05 s獲取一次X,、Y,、Z軸方向的加速度。通過(guò)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，即可對(duì)表1中定義的手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別,。圖2、圖3所示分別為通過(guò)三軸陀螺儀捕獲到的向上翻轉(zhuǎn)手勢(shì),、向左翻轉(zhuǎn)手勢(shì)在X,、Y、Z軸方向的加速度,。

2.2 識(shí)別層
    在進(jìn)行識(shí)別之前,，首先要?jiǎng)?chuàng)建手勢(shì)模板庫(kù)。模板庫(kù)的建立主要步驟如下：
　(1) 投影,。由于用戶操作的差異性,，不同使用者做同一個(gè)動(dòng)作的幅度和角速度有所差別，即使是同一個(gè)用戶,，不同時(shí)間重復(fù)同一個(gè)動(dòng)作的幅度和角速度也有不同,，這就需要針對(duì)基準(zhǔn)平面對(duì)X、Y,、Z三軸方向的加速度進(jìn)行投影操作,。
    (2) 濾波。過(guò)濾掉樣本中可能存在的噪聲信號(hào),，本研究中使用低通濾波,。
    (3) 歸一化。
 　(4) 主元分析求取閾值,。為了察覺(jué)到翻轉(zhuǎn)的發(fā)生,，識(shí)別層持續(xù)捕獲三軸陀螺儀傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)。傳遞到識(shí)別層的數(shù)據(jù)是一個(gè)三維數(shù)組,，分別對(duì)應(yīng)于陀螺儀X,、Y、Z軸的加速度改變,。如果數(shù)組中某一維的值超過(guò)了閾值，就能夠識(shí)別出對(duì)應(yīng)于這個(gè)軸的某一手勢(shì),，即某一翻轉(zhuǎn)動(dòng)作,。由圖2、圖3可以看出每一個(gè)翻轉(zhuǎn)手勢(shì)動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰,。如圖2所示向上翻轉(zhuǎn)時(shí)X軸方向的加速度是最大的,，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)X軸方向的加速度大于9 m/s2時(shí),，可以認(rèn)為手勢(shì)為向上翻轉(zhuǎn)。
　 (5) 建立手勢(shì)模板庫(kù),?？紤]到手勢(shì)設(shè)備的運(yùn)算能力，為了提高效率,，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中基于自適應(yīng)模板匹配的方法進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別,，主要流程如圖4所示。

    實(shí)驗(yàn)證明,此種方法能在不影響手勢(shì)識(shí)別率的情況下降低手勢(shì)識(shí)別計(jì)算量,，從而縮短手勢(shì)識(shí)別時(shí)間,，讓系統(tǒng)更快地響應(yīng)用戶，提高用戶體驗(yàn),。
2.3 通信層
    iOS設(shè)備通過(guò)WiFi接入計(jì)算機(jī)所在局域網(wǎng),，并通過(guò)Socket與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
    系統(tǒng)使用UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議進(jìn)行Socket通信,。
    本系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議報(bào)文分為三部分,，第一部分為應(yīng)用標(biāo)識(shí)符，第二部分為命令標(biāo)示,，之后為命令附加信息部分,。每一部分信息用中括號(hào)“[]”包圍，附加信息部分可根據(jù)命令分為多段信息,。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)基于XCode開(kāi)發(fā)平臺(tái),，并采用Socket和Office對(duì)象模型綜合設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)?？紤]到演示系統(tǒng)的易學(xué)性,、易用性，在客戶端僅提供文件列表顯示及簡(jiǎn)單控制,。由于iPad相對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)屏幕較大,，所有功能都可在一個(gè)屏幕中顯示，在客戶端的界面設(shè)計(jì)上不需分屏設(shè)計(jì),，便于用戶操作,，具有良好的用戶體驗(yàn)[6]。
    文件列表展示區(qū)占據(jù)界面的三分之二,。界面下方三分之一為功能操作區(qū),，其中左側(cè)為初始設(shè)置功能區(qū)，負(fù)責(zé)搜索主機(jī),、讀取文件目錄,、手勢(shì)開(kāi)關(guān)以及倒計(jì)時(shí)設(shè)置。右側(cè)為幻燈片放映控制區(qū)域,，主要負(fù)責(zé)控制幻燈片的播放和翻頁(yè),。
    為了免去客戶端和服務(wù)端的IP地址輸入步驟,，設(shè)置局域網(wǎng)內(nèi)主機(jī)搜索功能?？蛻舳嗽诰钟蚓W(wǎng)內(nèi)發(fā)送廣播報(bào)文,，服務(wù)端監(jiān)聽(tīng)到廣播報(bào)文后發(fā)送響應(yīng)報(bào)文，雙方各自記錄對(duì)方的IP地址,，為后續(xù)通信做好準(zhǔn)備,。
    服務(wù)端設(shè)置幻燈片文件目錄，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到客戶端獲取文件列表的請(qǐng)求時(shí),，將文件目錄及文件列表信息發(fā)送至客戶端,。客戶端接收后,，以列表形式展現(xiàn)給用戶,，用戶選擇要進(jìn)行播放的幻燈片文件，并且執(zhí)行播放操作后,，客戶端發(fā)送對(duì)應(yīng)的播放命令至服務(wù)端,，命令中包含要播放的幻燈片文件名以及路徑。服務(wù)端收到播放命令時(shí),，解析出文件路徑,，如果文件存在，則調(diào)用Microsoft Office PowerPoint接口啟動(dòng)幻燈片的播放,。
    客戶端主要負(fù)責(zé)接收用戶輸入,、展示數(shù)據(jù)以及發(fā)送控制命令。程序啟動(dòng)后,，首先自動(dòng)搜索主機(jī)與局域網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)配對(duì),。客戶端收到來(lái)自服務(wù)端的回應(yīng)后,，在界面上顯示遠(yuǎn)程主機(jī)的IP,，并激活“讀取目錄”功能選項(xiàng)。此時(shí),，用戶可讀取遠(yuǎn)程服務(wù)端設(shè)置的幻燈片文件目錄中的文件列表,，選擇要放映的文件，并通過(guò)手勢(shì)體感交互來(lái)控制幻燈片的播放,。當(dāng)某一方向上的角速度值超過(guò)設(shè)定的臨界值時(shí),，便判定設(shè)備在該方向上發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。捕獲到設(shè)備的翻轉(zhuǎn)后,，在主線程上發(fā)送響應(yīng)命令至服務(wù)端,，服務(wù)端查找當(dāng)前正在播放的幻燈片，并進(jìn)行相應(yīng)操作,。同時(shí),，也可以通過(guò)手勢(shì)開(kāi)關(guān)選擇使用功能按鍵進(jìn)行翻頁(yè)操作。
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于WiFi和體感交互的演示系統(tǒng),?；谥悄?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/手持終端" title="手持終端" target="_blank">手持終端系統(tǒng)內(nèi)置的三軸陀螺儀捕獲手勢(shì)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別,，并提出一種自適應(yīng)模板匹配方法進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別,，在不降低識(shí)別率的情況下提高了識(shí)別效率。本文的研究也可以擴(kuò)展移植應(yīng)用到各個(gè)主流移動(dòng)平臺(tái)上,。
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