手勢(shì)控制技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用

合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院（238000 ）　徐　彬

手勢(shì)控制技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用

合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院（238000 ）徐彬

現(xiàn)在，各個(gè)汽車(chē)廠(chǎng)商在動(dòng)力和排量之間的差異已經(jīng)不再明顯，而科技化的個(gè)性功能——車(chē)載互聯(lián)、操作系統(tǒng)及各種科技元素是汽車(chē)廠(chǎng)商吸引消費(fèi)者的重要手段之一。手勢(shì)控制在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來(lái)越廣泛，比如說(shuō)手勢(shì)控制電腦、手勢(shì)控制電視，還有更加智能的是利用手勢(shì)控制攝像頭來(lái)隔空玩游戲。目前，手勢(shì)控制是繼語(yǔ)音控制之后另一項(xiàng)受到許多汽車(chē)廠(chǎng)商追捧的技術(shù)，手勢(shì)控制可以讓駕駛?cè)嗽隈{駛時(shí)簡(jiǎn)單地?fù)]揮手或做出幾個(gè)動(dòng)作就能對(duì)車(chē)載功能進(jìn)行控制，與語(yǔ)音控制相比，準(zhǔn)確率更高，同時(shí)也更方便，畢竟有些人覺(jué)得語(yǔ)音控制汽車(chē)系統(tǒng)，尤其是在有其他乘客時(shí)非常尷尬。手勢(shì)控制汽車(chē)就是通過(guò)車(chē)載攝像頭識(shí)別特定手勢(shì)，以此來(lái)替代汽車(chē)儀表盤(pán)上的各種旋鈕和按鈕。手勢(shì)控制的最大優(yōu)勢(shì)就是可簡(jiǎn)化操作，讓駕駛?cè)丝筛涌旖莸貙?shí)現(xiàn)各種操作。

1　手勢(shì)識(shí)別技術(shù)

手勢(shì)控制的核心是手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，就目前的技術(shù)而言，大多數(shù)手勢(shì)識(shí)別采用的是計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)。手勢(shì)識(shí)別技術(shù)由簡(jiǎn)單粗略的到復(fù)雜精細(xì)的，大致可以分為二維手型識(shí)別、二維手勢(shì)識(shí)別和三維手勢(shì)識(shí)別3個(gè)等級(jí)。二維只是一個(gè)平面空間，可用X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)組成的坐標(biāo)信息來(lái)表示一個(gè)物體在二維空間中的坐標(biāo)位置，就像一幅畫(huà)出現(xiàn)在一面墻上的位置。而三維則是在此基礎(chǔ)上增加了“深度”（Z坐標(biāo)）的信息，這里的“深度”并不是現(xiàn)實(shí)生活中所說(shuō)的那個(gè)深度，這個(gè)“深度”表達(dá)的是“縱深”，理解為相對(duì)于眼睛的“遠(yuǎn)度”也許更加貼切，就像是魚(yú)缸中的金魚(yú)，它可以在你面前上下左右游動(dòng)，也可能離你更遠(yuǎn)或者更近。前兩種手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，完全是基于二維層面的，只需要不含“深度”信息的二維信息作為輸入即可，就像拍照所得的相片一樣，只需要使用單個(gè)攝像頭捕捉到的二維圖像作為輸入，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)輸入的二維圖像進(jìn)行分析，獲取信息，從而實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別。而第三種手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，是基于三維層面的，三維手勢(shì)識(shí)別與二維手勢(shì)識(shí)別的最根本區(qū)別就在于，三維手勢(shì)識(shí)別需要的輸入是包含有“深度”的信息，這就使得三維手勢(shì)識(shí)別在硬件和軟件兩方面都比二維手勢(shì)識(shí)別要復(fù)雜得多，當(dāng)然三維識(shí)別也能夠識(shí)別更多的動(dòng)作。對(duì)于一般的簡(jiǎn)單操作，比如只是想在播放視頻時(shí)暫停或繼續(xù)放映，二維手勢(shì)識(shí)別就足夠了，但對(duì)于一些復(fù)雜的人機(jī)交互，則只能采用三維手勢(shì)識(shí)別技術(shù)。

1.1二維手型識(shí)別

二維手型識(shí)別也可稱(chēng)為靜態(tài)二維手勢(shì)識(shí)別，識(shí)別的是手勢(shì)中最簡(jiǎn)單的一類(lèi)。這種技術(shù)在獲取二維信息輸入之后，可以識(shí)別幾個(gè)靜態(tài)的手勢(shì)，比如握拳或者五指張開(kāi)，其代表公司是被Google收購(gòu)的Flutter。在使用其軟件后，駕駛?cè)丝梢杂脦讉€(gè)手型來(lái)控制播放器，將手掌舉起來(lái)放到攝像頭前，視頻就開(kāi)始播放；再把手掌放到攝像頭前，視頻就暫停播放?！办o態(tài)”是這種二維手勢(shì)識(shí)別技術(shù)的重要特征，這種技術(shù)只能識(shí)別手勢(shì)的“狀態(tài)”，而不能感知手勢(shì)的“持續(xù)變化”，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，如果將這種技術(shù)用在猜拳上的話(huà)，它可以識(shí)別出石頭、剪刀和布的手勢(shì)狀態(tài)，但對(duì)除此之外的手勢(shì)，便一無(wú)所知。因此這種技術(shù)說(shuō)到底是一種模式匹配技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法分析圖像，和預(yù)設(shè)的圖像模式進(jìn)行比對(duì)，從而理解這種手勢(shì)的含義。這種技術(shù)的不足之處顯而易見(jiàn)——只可以識(shí)別預(yù)設(shè)好的狀態(tài)，拓展性差，控制感很弱，駕駛?cè)酥荒軐?shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的人機(jī)交互功能。

1.2二維手勢(shì)識(shí)別

二維手勢(shì)識(shí)別，比起二維手型識(shí)別來(lái)說(shuō)稍難一些，但仍然停留在二維的層面上，基本不含“深度”信息。這種技術(shù)不僅可以識(shí)別手型，還可以識(shí)別一些簡(jiǎn)單的二維手勢(shì)動(dòng)作，比如對(duì)著攝像頭揮揮手，其代表公司是來(lái)自以色列的PointGrab、EyeSight和ExtremeReality。二維手勢(shì)識(shí)別擁有了動(dòng)態(tài)的特征，可以追蹤手勢(shì)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而識(shí)別將手勢(shì)和手部運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起的復(fù)雜動(dòng)作。這樣就把手勢(shì)識(shí)別的范圍真正拓展到二維平面上了，駕駛?cè)瞬粌H可以通過(guò)手勢(shì)來(lái)控制計(jì)算機(jī)播放/暫停，還可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、向上翻頁(yè)、向下滾動(dòng)這些需求二維坐標(biāo)變更信息的復(fù)雜操作。這種技術(shù)雖然在硬件要求上和二維手型識(shí)別并無(wú)區(qū)別，但是得益于更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，可以獲得更加豐富的人機(jī)交互內(nèi)容。在使用體驗(yàn)上也提高了一個(gè)檔次，從純粹的狀態(tài)控制變成了比較豐富的平面控制。

1.3三維手勢(shì)識(shí)別

當(dāng)今手勢(shì)識(shí)別領(lǐng)域的重頭戲是三維手勢(shì)識(shí)別。三維手勢(shì)識(shí)別需要的輸入信息包含有“深度”的信息，可以識(shí)別各種手型、手勢(shì)和動(dòng)作。相比于前兩種二維手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，三維手勢(shì)識(shí)別不能再只使用單個(gè)普通攝像頭，因?yàn)閱蝹€(gè)普通攝像頭無(wú)法提供“深度”信息。要得到“深度”信息需要特別的硬件，目前世界上主要有3種硬件實(shí)現(xiàn)方式——光飛時(shí)間（Time of Flight）、結(jié)構(gòu)光（Structure Light）、多角成像（Multi-camera），再加上新的先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件算法即可實(shí)現(xiàn)三維手勢(shì)識(shí)別。下面闡述三維手勢(shì)識(shí)別的三維成像硬件原理。

1.3.1光飛時(shí)間（Time of Flight，簡(jiǎn)稱(chēng)ToF）三維手勢(shì)識(shí)別

光飛時(shí)間（ToF）是SoftKinetic公司所采用的技術(shù)，該公司為業(yè)界巨鱷Intel提供帶手勢(shì)識(shí)別功能的三維攝像頭，同時(shí)，這一硬件技術(shù)也是微軟新一代Kinect所使用的。光飛時(shí)間的基本原理是加載一個(gè)發(fā)光元件，發(fā)光元件發(fā)出的光子在碰到物體表面后會(huì)反射回來(lái)。使用一個(gè)特別的CMOS傳感器來(lái)捕捉這些由發(fā)光元件發(fā)出、又從物體表面反射回來(lái)的光子，就能得到光子的飛行時(shí)間。根據(jù)光子飛行時(shí)間進(jìn)而可以推算出光子飛行的距離，也就得到了物體的“深度”信息。就計(jì)算上而言，光飛時(shí)間是三維手勢(shì)識(shí)別中最簡(jiǎn)單的，不需要任何計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的計(jì)算。由于光的傳播速度非?？欤赥oF技術(shù)的感光芯片需要飛秒級(jí)的快門(mén)來(lái)測(cè)量光飛行時(shí)間，這也是ToF技術(shù)難以普及的原因之一，因?yàn)檫@樣的感光芯片成本過(guò)高。利用ToF技術(shù)進(jìn)行手勢(shì)控制，需要一個(gè)3D攝像頭進(jìn)行配合，攝像頭的用處是監(jiān)控并識(shí)別手勢(shì)變化。攝像頭內(nèi)置有紅外LED光發(fā)射裝置與接收裝置，根據(jù)光線(xiàn)發(fā)射與接收之間的時(shí)間差來(lái)分析出手勢(shì)的變化。最終得到的數(shù)據(jù)會(huì)傳遞給車(chē)載系統(tǒng)的控制單元，由控制單元調(diào)出與識(shí)別出的手勢(shì)相對(duì)應(yīng)的功能。

當(dāng)然，還有一種方式是將光脈沖改為無(wú)線(xiàn)電波，極高頻毫米波無(wú)線(xiàn)電波也同樣可以用來(lái)捕捉動(dòng)作、距離、速度等信息，感應(yīng)誤差精細(xì)到毫米。然而，如何把具有如此精度的設(shè)備微小化是一件十分艱難的事情，最難的地方在于微小化會(huì)影響器件的發(fā)射功率和效率、感應(yīng)靈敏度等。

1.3.2結(jié)構(gòu)光（Structure Light）三維手勢(shì)識(shí)別

結(jié)構(gòu)光技術(shù)的基本原理與ToF技術(shù)類(lèi)似，所不同之處在于其采用的是具有點(diǎn)、線(xiàn)或面等模式圖案的光。結(jié)構(gòu)光的代表應(yīng)用產(chǎn)品是PrimeSense公司為微軟家XBOX 360所做的Kinect一代。結(jié)構(gòu)光技術(shù)的基本原理是，加載一個(gè)激光發(fā)射器，在激光投射器外面放一個(gè)刻有特定圖樣的光柵，激光通過(guò)光柵進(jìn)行投射成像時(shí)會(huì)發(fā)生折射，從而使得激光最終在物體表面上的落點(diǎn)產(chǎn)生位移。也就是說(shuō)，激光發(fā)射器將結(jié)構(gòu)光投射至前方的人體表面，再使用紅外傳感器接收人體反射的結(jié)構(gòu)光圖案，然后，處理芯片根據(jù)接收?qǐng)D案在攝像機(jī)上的位置和形變程度來(lái)計(jì)算物體、人體的空間信息。當(dāng)物體距離激光發(fā)射器比較近時(shí)，折射而產(chǎn)生的位移較?。划?dāng)物體距離激光發(fā)射器較遠(yuǎn)時(shí)，折射而產(chǎn)生的位移會(huì)相應(yīng)變大。這時(shí)使用一個(gè)攝像頭來(lái)檢測(cè)采集投射到物體表面上的圖樣，通過(guò)圖樣的位移變化，就能用算法計(jì)算出物體的位置和“深度”信息，進(jìn)而復(fù)原整個(gè)三維空間，即可進(jìn)行三維物體的識(shí)別。以Kinect一代的結(jié)構(gòu)光技術(shù)來(lái)說(shuō)，因?yàn)橐蕾?lài)于激光折射后產(chǎn)生的落點(diǎn)位移，因此在太近的距離上，折射導(dǎo)致的位移尚不明顯，使用該技術(shù)就不能太精確地計(jì)算出“深度”信息，所以1 m～4 m是其最佳應(yīng)用范圍。

1.3.3多角成像（Multi-camera）三維手勢(shì)識(shí)別

多角成像這一技術(shù)的代表產(chǎn)品是Leap Motion公司的同名產(chǎn)品和Usens公司的Fingo。多角成像技術(shù)與立體成像技術(shù)相同，這種技術(shù)的基本原理是使用2個(gè)或2個(gè)以上的攝像頭同時(shí)攝取圖像，就好像是人類(lèi)用雙眼、昆蟲(chóng)用多目復(fù)眼來(lái)觀察世界，通過(guò)比對(duì)這些不同攝像頭在同一時(shí)刻獲得的圖像的差別，使用算法來(lái)計(jì)算“深度”信息，從而多角三維成像。這里以2個(gè)攝像頭成像來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明其原理，雙攝像頭測(cè)距是根據(jù)幾何原理來(lái)計(jì)算“深度”信息的。如圖1所示，使用2臺(tái)攝像機(jī)對(duì)當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行拍攝，得到2幅針對(duì)同一環(huán)境的不同視角照片，實(shí)際上就是模擬了人眼工作的原理。因?yàn)?臺(tái)攝像機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)及它們之間相對(duì)位置的關(guān)系是已知的，只要找出相同物體（楓葉）在不同畫(huà)面中的位置，便能通過(guò)算法計(jì)算出該物體（楓葉）距離攝像頭的“深度”。

圖1　采用2臺(tái)攝像機(jī)的多角成像基本原理

多角成像是三維手勢(shì)識(shí)別技術(shù)中硬件要求最低，但同時(shí)也是最難實(shí)現(xiàn)的。多角成像不需要任何額外的特殊設(shè)備，完全依賴(lài)于計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法來(lái)匹配2張圖片里的相同目標(biāo)。相比于結(jié)構(gòu)光或光飛時(shí)間這兩項(xiàng)技術(shù)成本高、功耗大的缺點(diǎn)，多角成像能提供“價(jià)廉物美”的三維手勢(shì)識(shí)別效果。

2　手勢(shì)控制技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用舉例

圖2　2016款寶馬7系轎車(chē)手勢(shì)控制功能示例（1）

2.12016款寶馬7系轎車(chē)手勢(shì)控制與iDrive、聲控相結(jié)合

2016款寶馬7系轎車(chē)首次帶來(lái)了手勢(shì)控制功能，如圖2和圖3所示，駕駛?cè)酥恍枰ㄟ^(guò)在中控臺(tái)前方的區(qū)域做出相對(duì)應(yīng)的固定手勢(shì)，iDrive系統(tǒng)就會(huì)做出相應(yīng)的回應(yīng)，該功能也是業(yè)界首次應(yīng)用在量產(chǎn)車(chē)型上，可以說(shuō)開(kāi)創(chuàng)了該領(lǐng)域的先河。寶馬將手勢(shì)控制與iDrive、聲控相結(jié)合，形成了更全面的車(chē)內(nèi)操作環(huán)境。在操作過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)幫助駕駛?cè)颂崾居煤畏N手勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。另外，在新寶馬7系轎車(chē)的后排還有智能觸控系統(tǒng)，在后排中央扶手上配備了三星的Android系統(tǒng)平板電腦，它采用可拆卸設(shè)計(jì)，能取下來(lái)拿在手上操作，可以連接車(chē)輛系統(tǒng)并提供全面的操作和設(shè)置選項(xiàng)，例如可用它來(lái)調(diào)節(jié)后座和前排乘客座椅，還可操作后排空調(diào)、通風(fēng)、座椅加熱，以及車(chē)內(nèi)氛圍燈、玻璃天窗、百葉窗、娛樂(lè)功能等。

圖3　2016款寶馬7系轎車(chē)手勢(shì)控制功能示例（2）

2.2捷豹路虎車(chē)手勢(shì)反饋觸控

捷豹路虎投資了一家名為UltrahapatICs的創(chuàng)業(yè)公司，該公司擁有一項(xiàng)名叫ULT003 Mid-air Touch的超酷手勢(shì)控制技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)最有趣的一點(diǎn)在于，當(dāng)你在空中做出觸控操作，手可以感受到類(lèi)似操控物理按鈕的觸覺(jué)反饋。這項(xiàng)技術(shù)在觸控區(qū)域有一個(gè)超聲波發(fā)射設(shè)備，通過(guò)氣壓變化，在某個(gè)特定位置匯聚幾個(gè)聲波高壓點(diǎn)，就能生成一個(gè)“摸得著、看不見(jiàn)”的界面。如圖4所示，只要手在一個(gè)有效范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，設(shè)備就會(huì)追蹤到手部位置變化，在合適的位置憑空“捏造”出一個(gè)虛擬的三維立體物件，也可以是一個(gè)“旋鈕”或“按鍵”。和一般觸控操作相比，按鈕會(huì)根據(jù)手的位置同步移動(dòng)，沒(méi)有傳統(tǒng)手勢(shì)控制中看著屏幕尋找觸控點(diǎn)位的需要。而且使用者能夠通過(guò)觸摸獲得具體信息，手部可以真實(shí)感受到按鈕的按鍵力、觸摸到平面的質(zhì)感，對(duì)操作效果的判斷會(huì)有實(shí)在的觸覺(jué)反饋。

圖4　捷豹路虎車(chē)手勢(shì)反饋觸控

2.3德?tīng)柛Ｊ謩?shì)控制系統(tǒng)

德?tīng)柛＠霉怙w時(shí)間（ToF）原理，開(kāi)發(fā)了自己的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，如圖5所示，德?tīng)柛⒓t外線(xiàn)攝像頭安裝在車(chē)輛頂部的一個(gè)罩襯之內(nèi)（通常用來(lái)放太陽(yáng)鏡），能夠檢測(cè)出中央扶手、換擋桿到中控屏幕這個(gè)范圍之內(nèi)（也就是在腰部到肩部之間的位置）的手勢(shì)動(dòng)作。如圖6所示，德?tīng)柛?duì)這套手勢(shì)控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)了以下動(dòng)作（攝像頭位于上方，從上往下看），駕駛?cè)俗谲?chē)中，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的手、臂動(dòng)作，就能完成對(duì)車(chē)內(nèi)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。

圖5　德?tīng)柛Ｊ謩?shì)控制實(shí)現(xiàn)原理

圖6　德?tīng)柛?duì)手勢(shì)控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的動(dòng)作

（1）手掌張開(kāi)向右揮動(dòng)：掛斷電話(huà)或者取消操作。

（2）單指前后移動(dòng)：接聽(tīng)電話(huà)、選擇或確定提示。

（3）兩根手指不動(dòng)（V形手勢(shì)）：暫停/播放音樂(lè)、自定義操作。

（4）一根手指順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)：增大音量、縮小導(dǎo)航地圖。

（5）一根手指逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)：減小音量、放大導(dǎo)航地圖。

（6）五指收攏成圈，向右移動(dòng)：下一曲，回到主菜單。

（7）五指收攏成圈，向左移動(dòng)：上一曲，回到主菜單。

整套動(dòng)作簡(jiǎn)單流暢，形同捕風(fēng)，根本無(wú)需動(dòng)用駕駛?cè)说难劬?，也并不?huì)分散駕駛?cè)说淖⒁饬?，駕駛?cè)丝梢詫?zhuān)注于駕駛以提升行車(chē)安全。汽車(chē)制造商在實(shí)際配置時(shí)，可以直接使用定義好的手勢(shì)，也可根據(jù)不同市場(chǎng)的文化與習(xí)慣進(jìn)行修改或新增。

德?tīng)柛Ｔ诜ㄌm克福車(chē)展上推出的手勢(shì)控制技術(shù)在舊有手勢(shì)控制的基礎(chǔ)上作了多項(xiàng)改進(jìn)，其將語(yǔ)音識(shí)別、眼神控制、手勢(shì)控制和觸摸等多種模式整合在一起，為駕駛?cè)颂峁┝艘徽锥喙δ芙换ソ鉀Q方案。

2.4微軟專(zhuān)為汽車(chē)環(huán)境設(shè)計(jì)的手勢(shì)控制專(zhuān)利

微軟作為互聯(lián)網(wǎng)巨頭，在車(chē)載系統(tǒng)的手勢(shì)控制上也有自己的思考，而實(shí)現(xiàn)這一切的僅僅是一個(gè)攝像頭。在微軟申請(qǐng)的一項(xiàng)專(zhuān)利中，由三位研究人員搭建了汽車(chē)娛樂(lè)信息系統(tǒng)的手勢(shì)控制系統(tǒng)，但這些控制動(dòng)作和常見(jiàn)的抬手、滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)完全不同，其手勢(shì)控制動(dòng)作更加具象化。如圖7所示，食指抵住嘴唇表示調(diào)低手機(jī)外放音量，手張成喇叭狀表示使用手機(jī)撥打電話(huà)，類(lèi)似思考著的攥下巴動(dòng)作則表示“我想檢索信息”，而點(diǎn)贊動(dòng)作代表“同意”操作。使用該系統(tǒng)時(shí)，需要把智能手機(jī)放在儀表盤(pán)上方，用手機(jī)的內(nèi)置攝像頭來(lái)捕捉車(chē)內(nèi)人的手勢(shì)和體態(tài)動(dòng)作，而背后支持這項(xiàng)功能的則是圖像識(shí)別技術(shù)。在軟件層面，三位研究人員對(duì)系統(tǒng)的設(shè)定是手勢(shì)控制搭配語(yǔ)音識(shí)別一起使用，后者在車(chē)內(nèi)人機(jī)交互中更為常見(jiàn)。微軟在與豐田合作的Smart Insect概念車(chē)中已經(jīng)通過(guò)車(chē)內(nèi)前裝攝像頭實(shí)現(xiàn)了前裝版本的手勢(shì)控制功能。所有手勢(shì)恢復(fù)了常規(guī)的抬起落下，多數(shù)用來(lái)操作車(chē)內(nèi)的二級(jí)控制功能，例如娛樂(lè)信息系統(tǒng)、導(dǎo)航或撥打與車(chē)機(jī)連接的手機(jī)等。

圖7　微軟為汽車(chē)環(huán)境設(shè)計(jì)的手勢(shì)控制專(zhuān)利舉例

2.5谷歌手勢(shì)控制

作為無(wú)人駕駛汽車(chē)的先驅(qū)者，谷歌在手勢(shì)控制技術(shù)方面研究頗深，乘客可以利用手勢(shì)向車(chē)載計(jì)算機(jī)發(fā)出與行車(chē)方向相關(guān)的命令，不過(guò)谷歌也表示，在目前，仍需要駕駛?cè)藖?lái)控制轉(zhuǎn)向盤(pán)的時(shí)代，手勢(shì)識(shí)別將會(huì)是最有用的。在谷歌列出的可以通過(guò)手勢(shì)控制的功能清單（圖8）中，包括地點(diǎn)導(dǎo)航、調(diào)整車(chē)內(nèi)溫度、調(diào)整車(chē)載音樂(lè)音量、選擇歌曲、調(diào)整座椅位置及改變巡行控制系統(tǒng)的速度等。駕駛?cè)丝稍谝欢▍^(qū)域（如轉(zhuǎn)向盤(pán)、空調(diào)出風(fēng)口等）內(nèi)進(jìn)行手勢(shì)操作，另外，車(chē)內(nèi)乘客也可以通過(guò)手、胳膊、腿部和頭部等部位做出任何手勢(shì)控制。在窗戶(hù)附近的區(qū)域內(nèi)做出掃手的動(dòng)作，機(jī)動(dòng)車(chē)會(huì)確定動(dòng)作幅度，進(jìn)而根據(jù)手勢(shì)幅度決定車(chē)窗打開(kāi)的程度；在轉(zhuǎn)向盤(pán)附近打響指就可開(kāi)啟刮水器或是指示燈；在汽車(chē)儀表盤(pán)前扭動(dòng)手腕就可以打開(kāi)空調(diào)或收音機(jī)；手指向天窗，天窗就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。

圖8　谷歌手勢(shì)控制

2.6福特手勢(shì)控制系統(tǒng)

福特手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)中，用攝像機(jī)獲取信息識(shí)別用戶(hù)的指令后，用戶(hù)可拉取1根虛擬的線(xiàn)或是利用手勢(shì)控制風(fēng)窗玻璃上的平視顯示器來(lái)打開(kāi)天窗，通過(guò)拇指朝上或朝下動(dòng)作來(lái)確認(rèn)手勢(shì)指令。另外，一旦汽車(chē)識(shí)別駕駛?cè)耸謩?shì)，一整套個(gè)性化功能就會(huì)成為駕駛?cè)说念A(yù)設(shè)裝置，比如自動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)溫度，當(dāng)車(chē)內(nèi)坐滿(mǎn)時(shí)，駕駛?cè)伺赃叺拇皯?hù)會(huì)自動(dòng)半開(kāi)。利用駕駛?cè)饲胺降臄z像頭對(duì)駕駛位的人臉掃描，判斷是否為認(rèn)證駕駛?cè)耍袥](méi)有啟動(dòng)車(chē)載系統(tǒng)的權(quán)限。陌生人在做出進(jìn)一步操作時(shí)，車(chē)主手機(jī)會(huì)收到車(chē)內(nèi)人的正面圖片，可以在手機(jī)端授權(quán)。已經(jīng)獲得認(rèn)證的駕駛?cè)顺丝梢蚤_(kāi)啟車(chē)機(jī)系統(tǒng)等一系列功能外，還可以調(diào)用系統(tǒng)中保存的個(gè)性化設(shè)置。

2.7大陸手勢(shì)控制技術(shù)

德國(guó)大陸集團(tuán)正在研發(fā)智能紅外線(xiàn)技術(shù)——“紅外線(xiàn)簾幕”，以便未來(lái)將控制設(shè)計(jì)應(yīng)用在面向大眾消費(fèi)市場(chǎng)的車(chē)型上。如圖9所示，紅外觸摸屏的觸摸檢測(cè)部件位于屏幕外部的電路板外框，上面對(duì)向排列著紅外發(fā)射管和接收管。當(dāng)縱向排布足夠密的平行光束后，就在屏幕上方形成了“紅外簾幕”。單排LED足以用于單個(gè)手指操作，使用觸控屏幕時(shí)，手指便擋住了所在點(diǎn)位的紅外光線(xiàn)，接收管感應(yīng)到光線(xiàn)阻礙后，識(shí)別手指位置并反映為電信號(hào)。控制器將前者采集的電信號(hào)變化經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量的變化，通過(guò)分析和算法處理，得出觸摸點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。大陸集團(tuán)顯示技術(shù)研發(fā)人員表示，可以將車(chē)內(nèi)的任何表面變成用戶(hù)界面，識(shí)別多點(diǎn)觸控手勢(shì)，比如拖動(dòng)、縮放等。大陸集團(tuán)的觸控紅外屏使用了X、Y橫縱軸發(fā)射紅外線(xiàn)的方式，比單點(diǎn)觸控紅外屏增加垂直軸。二維紅外光束連接起來(lái)，在整個(gè)屏幕上方形成紅外柵格。當(dāng)多手指操作時(shí)，觸摸點(diǎn)就解碼為多個(gè)坐標(biāo)傳送給控制器處理，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控的功能。有了這項(xiàng)技術(shù)，整個(gè)人機(jī)交互過(guò)程可以識(shí)別類(lèi)似縮放等動(dòng)作。在選擇菜單上移動(dòng)更加容易，改變地圖上的選項(xiàng)也會(huì)更方便。

圖9　德國(guó)大陸集團(tuán)智能紅外線(xiàn)技術(shù)——“紅外線(xiàn)簾幕”

2.8偉世通Horizon概念座艙技術(shù)

作為全球知名的汽車(chē)零部件供應(yīng)商，偉世通也發(fā)布了一款概念座艙設(shè)計(jì)，展示了3D手勢(shì)控制對(duì)于汽車(chē)內(nèi)環(huán)境的影響。Horizon座艙（圖10）概念通過(guò)融合3項(xiàng)新興技術(shù)，改變駕駛?cè)藢?duì)于車(chē)內(nèi)溫度、音響及導(dǎo)航等功能的控制方式。

（1）手勢(shì)控制。Horizon座艙利用先進(jìn)的攝像系統(tǒng)通過(guò)拍下用戶(hù)的手部動(dòng)作，虛擬手形復(fù)制在中控面板上，由此，置身于Horizon座艙內(nèi)的駕駛?cè)酥恍枰苿?dòng)手部甚至是手指，而無(wú)需接觸儀表盤(pán)，就可輕松操作特定的車(chē)輛控制裝置，例如，用一只手做出旋轉(zhuǎn)動(dòng)作就可調(diào)節(jié)收音機(jī)的音量。

（2）虛擬觸摸屏技術(shù)。通過(guò)搭載壓敏型觸控板，駕駛?cè)藷o(wú)需真正觸碰到中控面板上的控制裝置就可實(shí)現(xiàn)操作。觸摸屏可通過(guò)識(shí)別對(duì)其施加的壓強(qiáng)大小提高其響應(yīng)性。同時(shí)，該觸摸屏可加載于任何軟質(zhì)材料（諸如真皮或布料）中實(shí)現(xiàn)操作，最大程度地實(shí)現(xiàn)組裝的靈活性。

圖10　偉世通Horizon概念座艙技術(shù)

（3）雙層顯示屏。信息通過(guò)高分辨率圖像顯示在2個(gè)獨(dú)立但重疊的顯示屏面上，并重點(diǎn)顯示駕駛?cè)苏诓倏氐哪切┬畔ⅰｑ{駛?cè)怂坪蹩梢浴按┰健钡?個(gè)顯示屏上的圖像，立即觀察到第2個(gè)顯示屏所顯示的內(nèi)容。

偉世通利用其在人機(jī)交互（HMI）領(lǐng)域的專(zhuān)長(zhǎng)將這些技術(shù)融為一體，為駕駛?cè)舜蛟斐霆?dú)一無(wú)二的駕駛環(huán)境。

2.9隔空手勢(shì)喚醒

圖11　隔空手勢(shì)喚醒

目前，大多數(shù)的車(chē)載觸屏在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)操作情況下會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，而如果要喚醒顯示屏則需要觸摸顯示屏，而現(xiàn)在則無(wú)需直接接觸，僅需要將手或手指放置在觸摸屏附近便可喚醒觸摸屏，比如凱迪拉克旗下的科爾維車(chē)所配備的觸摸屏就支持此類(lèi)附近喚醒觸摸屏技術(shù)。另外，各大汽車(chē)零部件公司都在研究開(kāi)發(fā)提高附近喚醒觸摸屏技術(shù)的喚醒距離限制。其中，Cypress半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的CapSense觸摸屏傳感器探測(cè)距離可達(dá)到0.3 m，通過(guò)采用CapSense觸摸屏，駕駛?cè)吮憧梢酝ㄟ^(guò)手勢(shì)向上、向下甚至翻頁(yè)控制中控顯示系統(tǒng)，而無(wú)需分心。

2.10手勢(shì)調(diào)整座椅

駕駛?cè)嗣看紊宪?chē)時(shí)都需要不斷地調(diào)整座椅的前后和方向，非常麻煩。Fraunhofer Institute研究所開(kāi)發(fā)的名叫SILicate Research ISC的座椅（圖12），其側(cè)面并沒(méi)有常見(jiàn)的按鈕和調(diào)節(jié)桿，無(wú)法通過(guò)手動(dòng)控制。相反，在座椅的下面隱藏了一系列的傳感器，可以檢測(cè)出上面是否坐人以及駕駛?cè)说氖謩?shì)。當(dāng)需要開(kāi)始調(diào)整時(shí)，駕駛?cè)酥恍鑼⑹址诺教囟ǖ膮^(qū)域激活系統(tǒng)，能夠用手勢(shì)來(lái)控制座椅，只要手簡(jiǎn)單地在上面滑動(dòng)，即可像操作智能手機(jī)一樣操作汽車(chē)座椅。無(wú)論是想要將座位向前或向后、調(diào)整角度或者增高或降低對(duì)腿部的支持，駕駛?cè)酥恍枰谧蔚膫?cè)面用手勢(shì)進(jìn)行控制即可，且一旦座椅調(diào)整完畢，各種角度和位置的參數(shù)會(huì)被保存到座椅中，這樣即便是多位駕駛?cè)笋{駛同一輛車(chē)，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的觸控切換成自己最喜歡的角度位置。

圖12　手勢(shì)調(diào)整座椅

雖然手勢(shì)控制被許多汽車(chē)廠(chǎng)商和科技公司所看好，但是目前還存在許多問(wèn)題。比如，一旦手勢(shì)控制效果不理想，就會(huì)讓駕駛?cè)烁臃中?，從而增加造成事故的概率；如果關(guān)聯(lián)操作對(duì)于車(chē)內(nèi)距離的判斷不夠準(zhǔn)確，也會(huì)導(dǎo)致控制目標(biāo)的判斷錯(cuò)誤，譬如是只想把音量調(diào)低幾格，卻不小心打開(kāi)了刮水器；同一目標(biāo)物的不同指令動(dòng)作間需要建立明顯區(qū)隔，起止動(dòng)作的設(shè)置也存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系。因此，未來(lái)想要讓手勢(shì)控制技術(shù)在更多的車(chē)型上普及，似乎還需要提高精度及平滑度，真正實(shí)現(xiàn)讓駕駛?cè)烁踩?、更方便開(kāi)車(chē)的目的。

（2016-03-10）