基于多傳感器的戶外體感交互研究

王樹輝

（長春工程學(xué)院 計算機(jī)技術(shù)與工程學(xué)院，吉林 長春130012）

因虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，各種交互方式也隨之層出不窮，其中最符合人的自然屬性交互模式當(dāng)屬體感交互。體感交互往往讓人們不由自主的將娛樂動作在交互過程中體現(xiàn)出來，所以是非常受大眾喜愛的。目前虛擬現(xiàn)實和其交互技術(shù)在電子娛樂，互動教育，機(jī)械視覺，傳媒廣告等實際應(yīng)用中越來越被重視和應(yīng)用?！吨袊鴱V告方式調(diào)查報告》顯示，在中國有21.86%的受眾群體中明確表明喜愛虛擬現(xiàn)實。

1 目前廣告互動方式

目前的商品廣告為了提升公眾的參與度，已經(jīng)開始越來越多地向借鑒新媒介相關(guān)技術(shù)，其中虛擬互動技術(shù)的出現(xiàn)使得廣告商的原有格局發(fā)生了變化，現(xiàn)在的廣告不僅有美觀性，還增加了互動內(nèi)容，但是目前的互動仍然是網(wǎng)頁和線上互動最多，近年來傾向短視頻植入廣告的方式也仍然是給個鏈接而已。廣告的互動方式和交互度急需改變。而廣告的載體在戶外基本都是以LED 大屏的方式出現(xiàn)，價格和技術(shù)因素讓特大尺寸的高清LED和彩色LED 隨處可見，在戶外目前所見的各種LED 大屏內(nèi)的廣告均為視頻廣告，這些戶外的廣告方式也亟需改變。

2 現(xiàn)有體感交互手段

如果將體感交互技術(shù)與戶外廣告結(jié)合，就可解決上述問題。目前最常用的體感交互技術(shù)手段有兩種：

第一種是ccd（成像）為基礎(chǔ)的體感交互，市場上常用的設(shè)備有微軟的KINECT，北京的VIRTOUCH, 以及l(fā)eap 公司的leapmotion。這種一般都以攝像頭為采集裝置，人類或動物只要在攝像頭前做相應(yīng)動作，一般將視頻分解為多個連續(xù)照片，再通過對照片的相同顏色或者相同明度的像素進(jìn)行處理，進(jìn)而捕獲關(guān)鍵部位的位置變化，再對這些變化進(jìn)行處理，分析。用種種手段分析出用戶的動作行為并將其轉(zhuǎn)化為輸入指令，與虛擬現(xiàn)實內(nèi)容互動。其優(yōu)點是不需要穿戴任何外置設(shè)備，視頻采集設(shè)備也非常便宜。但這種技術(shù)對計算量要求大，對計算機(jī)硬件要求高，同時受外界環(huán)境影響大，比如環(huán)境光線昏暗、背景雜亂、有遮擋物等情況下不適用。

第二種是利用深度相機(jī)作為采集裝置，深度相機(jī)如果按技術(shù)原理分類，一般可分為三類：結(jié)構(gòu)光、雙目視覺和TOF 飛行時間法。目前最主流深度感知方案是結(jié)構(gòu)光，根據(jù)結(jié)構(gòu)光投射器向被測物體表面投射可控制的光點、光條或光面結(jié)構(gòu)的信息，并結(jié)合圖像傳感器獲取到的圖像，利用三角原理以及系統(tǒng)幾何關(guān)系，通過計算得到物體對應(yīng)的的三維坐標(biāo)。其優(yōu)勢是深度圖像的分辨率比傳統(tǒng)設(shè)備采集到的更高。其劣勢是根據(jù)折射光的落點位移來進(jìn)行位置計算，所以此項技術(shù)對識別的距離有嚴(yán)格的要求，同時不能計算出精確地深度信息，因此響應(yīng)速度慢。

3 多傳感器實現(xiàn)交互

針對現(xiàn)有常用戶外體感交互手段的缺點，查詢了資料，發(fā)現(xiàn)目前有利用紅外與激光融合手段來識別目標(biāo)的方法[1]，受此啟發(fā)，通過對激光雷達(dá)作為傳感器與紅外線矩陣傳感器的實驗，驗證了多手段融合作為戶外無感交互傳感器的可行性。首先激光雷達(dá)優(yōu)點是數(shù)據(jù)為深度數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行視頻灰度化和降維處理，僅用數(shù)據(jù)融合就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法處理數(shù)據(jù)就可獲取交互物體的輪廓和運(yùn)動向量。其次利用紅外線點傳感器矩陣，直接判別人體和車的區(qū)別，不需要像視頻采集那樣再配一個紅外攝像頭。獲得到的直接就是人體輪廓信息。其實現(xiàn)方式如圖1 所示。

圖1 實現(xiàn)方式

4 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)均為深度數(shù)據(jù)，但是人體的體感交互需要的是輪廓數(shù)據(jù)，目前常用的CPD 算法可以將人體外輪廓點進(jìn)行匹配[2]。CPD 算法實際是將雷達(dá)的相鄰深度數(shù)據(jù)定性為兩個有關(guān)聯(lián)的點，利用混合高斯模型將這兩個點建立一個分類，分配一個高斯模型的中心，例如有人體進(jìn)入雷達(dá)區(qū)域后，先通過紅外矩陣識別人體，啟動雷達(dá)探測，雷達(dá)所獲得的人體域附近的值就有明顯變化，其變化的相鄰點如果定義為△P1…，這些變化的點，就分配一個高斯模型的中心點，將這些高斯模型的所屬概率計算出來，就可以用此概率反推其它所有的點的概率，如果概率大于剛才計算出來的概率，則點是人體的輪廓，反之就不是人體的輪廓，高斯模型如公式（1）所示。

公式中的ω 是人為設(shè)定的權(quán)重參數(shù)，這個參數(shù)大，則人體輪廓的點集合就小一些，反之就大一些。由于戶外交互并不像室內(nèi)交互那樣識別精準(zhǔn)的手指動作等，只是識別大體的人體運(yùn)動所以，點集合多一些少一些僅僅影響多人交互時候的人與人重疊的部分多少。

雷達(dá)的分辨率越高，人體的輪廓信息越明顯，即可以從屏幕采集的人體輪廓矩陣來看越像人形，但代價是人形越明顯就越貴。在戶外廣告交互中的應(yīng)用來說，受眾看到的應(yīng)該是商品，例如人向左移動，LED 戶外大屏上的某品牌礦泉水向左移動。所以沒有必要必須完整人形全部采集出來，經(jīng)過試驗得到的數(shù)據(jù)當(dāng)人形低于50%數(shù)據(jù)時，廣告商品出現(xiàn)位移不平滑，有跳的表現(xiàn)。所以在戶外廣告實現(xiàn)過程中，雷達(dá)分辨率的選擇只要在設(shè)定距離內(nèi)采集輪廓矩陣保持50%以上，最后再執(zhí)行多個雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合[4]。

5 紅外線干擾的去除

紅外線矩陣如果用紅外線攝像頭，價格過于昂貴，利用單點式紅外線矩陣可以很容易的采集到交互人群是否進(jìn)入指定區(qū)域，紅外線矩陣的間接決定了改紅外線矩陣數(shù)據(jù)的大小，根據(jù)測驗，單點紅外線傳感器距離為成年人肩寬平均值以下即可。此時的紅外線除了外界干擾外（例如熱的汽車尾氣等）還要考慮的就是紅外線不是激光，距離會造成多個紅外線數(shù)據(jù)的互相干擾。目前常見的紅外線數(shù)據(jù)的這種干擾避免有發(fā)射層疊法和長距離法。由于長距離法需要采集成年人的肩寬等數(shù)據(jù)，所以無法采用長距離法，只能用層疊法。層疊法本來是指把紅外線的發(fā)送器和接收器每一層換向安裝，例如第一層發(fā)射器在左，接收器在右，第二層發(fā)射器在右，接收器在左，對于本文所需要的紅外線矩陣來說，不能使用接收器式紅外線，使用的是TOF類型的紅外線，所以利用層疊法的思想，并參考了無線電波干擾的處理方法[3]進(jìn)行了改造，將每相鄰的紅外線進(jìn)行分組，每個矩陣中心點為奇數(shù)組，矩陣邊為偶數(shù)組，將紅外線的奇數(shù)組和偶數(shù)組間隔打開，目前常用的可編程控制器能做到每隔多少秒輪換打開，這樣就實現(xiàn)了紅外線傳感器的另一種層疊，大大減少了紅外線傳感器數(shù)據(jù)的交叉干擾。

6 結(jié)論

本文提出的可附加在戶外LED 大屏的戶外體感交互系統(tǒng)，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，將戶外交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和傳統(tǒng)廣告融合創(chuàng)新，通過戶外交互實時渲染實現(xiàn)廣告內(nèi)容互動、優(yōu)惠券的發(fā)布、各種商品的植入、顧客信息的采集、功能商品信息的讀取和推薦等。首創(chuàng)提出多傳感器融合的技術(shù)和激光雷達(dá)分層次讀取，并附加機(jī)器學(xué)習(xí)手段實現(xiàn)戶外交互，提高了戶外廣告的受眾關(guān)注度。