Kinect应用领域的探讨

2012 年 第 6 期 物流工程与管理 第 34 卷 总第 216 期 LOGISTICS ENGINEERING AND MANAGEMENT 收稿日期 2012 05 10 作者简介 张 荻 1984 男 硕士 武汉电力职业技术学院 研究方向 计算机专业 电力系统仿真机开发与维护 物流技术 doi 10 3969 j issn 1674 4993 2012 06 016 Kinect应用领域的探讨 张 荻 武汉电力职业技术学院 湖北 武汉 430079 摘 要 随着先进的民用级 Kinect 体感设备的出现 许多依赖计算机进行控制和操作的行业和领域都面临着 不小的冲击 文中旨在通过对关于 Kinect 的一些既有资料 现况以及工作原理的研究 来探讨 Kinect 在各个领域中 可能实现或者已经实现的应用 并探讨一些新兴领域中可能出现的应用 关键词 Kinect 体感设备 人机交互 中图分类号 F224 39 文献标识码 B 文章编号 1674 4993 2012 06 0039 03 Discussion of the Kinect Applications ZHANG Di Electric Power Technical College Wuhan 430079 China Abstract With the emergence of a civil level kinect somatosensory equipment many rely on computer control and operation of industries and areas are faced with a big impact This article aims through some of the existing data on Kinect including current status and worksstudy to explore the application of Kinect in the various fields may be achieved or has been achieved and to explore some of the emerging field that may appear in the application Key words kinect somatosensory equipment human computer interaction 1 概述 Kinect 是微软公司研制的一款体感外设 最初是针对其 游戏主机 XBOX360 推出的一套外设产品 适用领域也仅限于 游戏领域 但是其高科技的含量以及该装置本身的创意在发 售后的两年内开始逐渐应用于许多领域 随着近来 kinect for windows 这款针对 windows 平台的研发设备的推出 目 前世界上尤其是国外的一批人工智能科学家 人机交互 体 感互动工程师和研究小组等等也纷纷在对 kinect 的应用领 域做探究和研发 Kinect 最初的开发代号称为 Natal 之后正式更名为 Kinect Kinect 技术是微软公司基于高端研究得出来的电子 科技产品 是微软在依靠人工智能解决复杂问题的过程中产 生的一个副产品 这就是 Kinect 的来历 在 Kinect 的工作原理中 ***头起到了很大的作用 它 负责捕捉人的肢体动作 然后微软的工程师就可以设计程序 教它如何去识别 记忆 分析处理这些动作 从技术上来说 Kinect 的技术比 Wii Remote Nintendo 公司体感设备 以 及 Move SCE 公司体感设备 高级很多 Kinect 的***头在 一秒钟内可以捕捉 30 次动作 但是这只是整个系统的一部 分 除此之外 还有一个传感器负责探测力度和深度 四个 麦克风负责采集声音 Kinect 不同于传统需要实体设备进行传感的体感控制 器 kinect 主要依靠的一整套空间环境扫描系统 他的控制 器使用对象是用户的身体 用户的身体就是***本身 通 过扫描运算 kinect 和用户与环境的结合就形成了一套完整 的控制系统 Kinect 会将你所处的空间形成一个 3D 影像 然后分析你身体的运动 整个系统是着眼于你所处的全部应 用环境 并形成一个综合的控制系统 当 Kinect 捕捉到了使 用者 *** 的骨骼关节 面部轮廓 衣服颜色 用户声音 及房间环境等要素之后 在一定规则下 使用者的许多举动 都可以代表完全不同的 特定的操作指令 Kinect for Windows 是微软在之后针对 windows 平台的 kinect 应用开发而推出的一套硬件设备 并同时推出了一套 Kinect for Windows 的 SDK 开发包 该开发包还处在 beta 版本 微软并没有对 Kinect 的输出做任何加密 因此开发者 可以开发基于 Kinect 的各种应用 包括游戏应用和非游戏应 用等等 也有开源社区提供了针对 Kinect 的 USB 驱动程序 比如 OpenKinect 等 2 平易近人的开发环境 2 1 安装环境 Kinect SDK 目前只支持 Windows 7 分为 x86 和 x64 两 个版本 开发工具方面还需要 NET Framework 4 0 和 Visual Studio 2010 最低 Express 版本 的支持 微软官方也已 经提供了 Kinect SDK 的开发指南和论坛支持 硬件设备的需求 Kinect for Xbox 360 sensor 和 Xbox 360 Kinect AC Adapter Power Supply 如果开 发 者 购 买 的 是 单 独 的Kinect 将 包 含Kinect AC Adapter Power Supply 但是如果开发者购买的是 XBOX 40 物流工程与管理 第 34 卷 360 Slim 和 Kinect 的套装 就需要单独购买 Kinect AC Adapter Power Supply 2 2 安装步骤 硬件安装 连接 Kinect 和 AC Adapter Power Supply 连接好后 将 USB ***到 PC 上 Kinect SDK 安装 可按照提示直接安装 环境测试 Kinect SDK 安装完成后 将 Kinect 转接 口的 USB 接口***到 PC 中 Windows7 系统会自动发现新硬 件 并且自动查找驱动程序安装 测试程序 打开 Kinect SDK 中自带的 Sample Skeletal Viewer 就可以很方便地检测 Kinect 设备是否与 PC 已经连接 好了 SDK 中还包含了一些 demo 例子程序可供开发者进行学 习研究 通过以上环境***的简单介绍 我们了解到 Kinect 环境 组建无论从成本还是技术难度上都比较低廉的 开发门栏不 高 可应用领域却是五花八门的 正因为技术门栏不高 kinect 才会更加容易博得大众的奇思妙想 3 Kinect 工作原理 下面我们先谈谈它的工作原理 先从原理着手才能探讨 kinect 的应用 Kinect 中有一个功能强大的感觉阵列 即数字视频*** 头 该***头可以从事捕捉图片到识别颜色等多项工作 而 Kinect 中的麦克风则可以在短时间内采集多次声音数据 以 便把当前主要使用者和同处在一个封闭空间中的其它无关的 人和或者外界其他声音区分开来 Kinect 不仅是一套硬件系统 它也必须通过软件支持来 完成各种应用和操作 特制的 kinect 软件已经帮助 Kinect 能够识别到人的脸部细节变化 而在识别***动作的时候 这个精度甚至可以达到 4 厘米左右 一家以色列公司 PrimeSense 为微软提供了其三维测量技术 并应用于 Kinect 在 PrimeSense 公司的主页上提到其使用的是一 种光编码 light coding 技术 传统的 TOF 技术即 Time of Flight 是计算光线飞行的时间 先让装置发出脉冲 光 并且在发射处接收目标物的反射光 藉由测量时间差算 出目标物的距离 不同于传统的 TOF 或者结构光测量技术 light coding 使用的是连续的照明 而非脉冲 它不需要特制的感光芯片 只需要普通的 CMOS 感光芯片 使用 CMOS 芯片可以极大节省 成本 Light coding 用光源照明给需要测量的空间编上码 与传统的结构光技术不同的是 他的光源打出去的并不是周 期性变化的二维的图像编码 而是具有三维纵深的 体编码 这种光源叫做激光散斑 laser speckle 是当激光照射到 粗糙物体或***毛玻璃后形成的随机衍射斑点 激光散斑是具有高度随机性的 激光散斑会随着距离的 不同变换图案 因此空间中任意两处的散斑图案都不相同 只要在空间中打上这样的结构光 整个空间就都如同被做了 标记 这时候如果把一个物体放进该空间 只要测量出物体 上面的散斑图案 系统就可以计算出该物体在空间内所处的 位置 因此整个空间内激光散斑图案则要通过光源标定在使 用之前就记录下来 PrimeSense 专利中 标定方法如下 每 隔一段距离 取一个参考平面 把参考平面上的散斑图案记 录下来 假设 Kinect 规定的用户活动空间是距离电视机 1 米 到 4 米的范围 每隔 10cm 取一个参考平面 那么标定下来就 已经保存了 30 幅散斑图像 需要进行测量的时候 拍摄一副 待测场景的散斑图像 将这幅图像和我们保存下来的 30 幅参 考图像依次做互相关运算 这样就会得到 30 幅相关度图像 而空间中有物体存在的位置 在相关度图像上就会显示出峰 值 把这些峰值一层层叠在一起 再经过一些插值 就会得 到整个场景的三维形状了 4 Kinect 的应用领域 除了体感设备已经比较普及的游戏领域外 Kinect 的应 用和实验性应用正在快速发展 下面通过几个领域已经出现 了的应用来探讨 Kinect 的应用领域 4 1 虚拟应用 欧洲时装店 Topshop 在莫斯科旗舰店安装了一种全新的 试衣间 这种虚拟的试衣间利用了当前最先进了两种技术 增强现实 augmented reality AR 和微软 Kinect 体感外 设 你无需试穿就能见到真实的试衣效果 AR 技术让消费者 可以选择任意一件衣服 并且无需试穿 就能见到 3D 着装效 果 你还可以利用 Kinect 通过手势来选择各款服装 当人们 在***室里一件件的穿衣***的时候 大部分人已经厌烦了 这种反复换装的方式 Kinect ***镜通过辨识用户的体态 通过 AR 技术结合现实环境和虚拟衣帽饰品等搭配 实现虚拟 试衣镜 为购物的客人提供最便捷的换装和试穿体验 顾客 只需要自己对商品做一个选择 显示器就会呈现出换装后的 画面 通过体感技术能免去反复脱掉穿上衣服这样费时费力 的操作 就能轻松的换上一整套衣物 虚拟应用的范畴有很多 例如体感设备 Kinect 的关键技 术可以用在视频会议中 利用 Kinect 体感设备 可将其即时 动态捕捉 影像辨识 麦克风输入 语音辨识 社群互动等 功能整合到视频会议中 使视频会议更具可交互性 提供了更 好的用户体验 并提高了视频会议的整体性能 4 2 3D 建模 雕塑工具 经过国外一些小组的实验 多台 Kinect 可以用作 3D 摄 像机并进行 3D 建模 在一个名为 BlablabLAB 的小组的街头 实验中 通过使用三台 Kinect 为游客进行扫描建模 然后使 用 RepRap 3D 打印机制作出一个迷你的雕塑 而整个过程时 间很短 只需要游客站在一个小台子上完成扫描 3D 打印机 就能快速的按照扫描模型进行制作 其中 3D 打印机是可以 打印 出真实 3D 物体的一种 设备 功能上与激光成型技术一样 采用分层加工 迭加成 形 即通过逐层增加材料来生成 3D 实体 与传统的去除材料 加工技术完全不同 快速的 3D 建模可以用在许多虚拟现实 仿真技术等领域中 4 3 机械控制 遥控机器人 使用 Kinect 作为机器人的头 通过 Kinect 检测周围环 第 6 期 张 荻 Kinect 应用领域的探讨 41 境 并进行 3D 建模 来指导机器人的行动 因为机器人的可应用领域非常广泛 低廉成本的 kinect 机器人可以代替传统机器进行一些不需要很高精度的危险地 区或者地底高空等恶劣环境下的测量与勘察作业 加装了 kinect 的简易机器人 通过 kincet 传感器测量外界环境及 模型的变化来进行快速的 3D 建模成像 4 4 虚拟实验 医学领域 Kinec 在医学领域中 可代替医生进行尸检 研究人员 只需要对着空气做手势或者语音 就可控制 3D 图片放大缩小 旋转等功能 该项目是瑞士 Bern 大学的 Virtopsy 项目 Bern 大学的 研究人员使用开发框架的 ofxKinect 系统 制作体感软件 使用音控 和体感控制来处理医疗设备中出现的 OsiriX 图 片 这个 Virtopsy 项目旨在 代替传统的尸体检查程序 使 用非触摸的体感方式 更加方便 也更节约医生们的时间 华盛顿大学 BioRobotics 实验室的学生通过对 Kinect 的改造 让它可以用控制外科医生的机器手臂 并利用其灵 敏的力反馈功能 实现 Kinect 控制机器手臂执行手术 发 明者 Chizeck 希望这套装置可用于救灾或者战场 只要有卫 星天线车的地方 医生就可以使用 Kinect 远程手术了 就 目前来说 为了精准手术 Kinect 上的传感器还需要一些改 造 这些尚处在实验阶段 Kinect 体感控制看片 第四军医大学西京医院骨科的医 生们将***的 kinect 应用在手术室 在术中 手术者可通过 体感控制查看患者的影像资料 大大方便了医生手术 减少 了手术室的人员流动 再例如智能轮椅通过手势控制系统 利用 Kinect 深度传 感器所获取的图像深度信息实现手部从背景中的分割 对手 势目标进行识别 最后把得到的识别结果转换成控制指令通 过 Ad Hoc 网络传送给智能轮椅 实现运动控制等等 Kinect 在医学领域 医学实验中的应用前景也很丰富 4 5 虚拟实验 Kinect 蜡笔物理 使用 Kinect 手势绘图 通过体感控 制所绘图形 并使之具有物理特性 比如重力 吸引力 也 可以用 Kinect 控制闪电 特斯拉线圈 等等 Kinect 的这 一开发领域在未来也可以很好的用在教学活动中 4 6 计算机应用 Kinect 手势操作浏览器 通过 Kinect 手势对浏览器进 行翻页 下拉 放缩等操作 Kinect 多点触摸 使用 kinect 实现隔空多点触摸 浏览图片 地图等 计算机日常应用也 可以抛弃鼠标键盘等外部输入设备 运用手势进行操作 这 对于 kinect 的应用来说是很轻量级很普遍的应用方式 4 7 探讨一些未知的应用领域 除了以上已经出现的或者处在理论阶段的应用外 由于 Kinect 的特性使得其应用领域还可以更加的广泛 所以最后 我再做一些比较实际的或者甚至有些大胆的猜想 以供后来 者讨论 例如 密码安全技术 密码识别 可以通过 kinect 对人的面部表情 肢体语言或声音等进行精准判断并作为设 置安全密码和***的设备 用 kinect 对任何物体动态的产 生外貌图 以其特定的数据结构形式描绘出物体的演变过程 例如植物 动物的生长过程等 仿真机的开发及虚拟操作 许多领域都会用到仿真机 对各种设备环境建模的工程量是 很大的 用 kinect 组成 3D ***机的方式可以轻松完成 在 仿真机训练的时候通过 kinect 的人机交互 也可以帮助培训 学员进行类似虚拟现实的操作过程 结合增强现实技术 对已有环境进行扫描 放置 AR 技术产生各种模型并对其注入 所需的物理特性 结合 kinect 运算能力在显示设备中模拟所 放置的虚拟物体在现实场景中的运行状态 以做预实验 达 到节约成本降低风险等目的 5 小结 当前 kinect 的开发重点虽然还在游戏领域 但是从长远 发展来看 为了体验更加未来与科幻的操控方式和人机交互 体验 kinect 的应用必然会呈多样性趋势发展 而且就目前 微软的桌面操作系统占有率 游戏机的占有率来说 kinect 也已经是一台普及率不低的体感设备 因此对 kinect 的相关 应用进行开发和挖掘的意义远远比游戏要大 而就目前来说 运用了它的人机交互方式如上文所述也已经出现在其他产 品 出现在了众多领域上 就普通的微机操作 专用计算机操作 只要在***摄

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