人體交互裝置的專利技術(shù)綜述

摘 要：人機交互的用戶體驗度一直是研究人員關(guān)注的焦點，利用頭部跟蹤、視覺跟蹤、手戴式裝置、神經(jīng)系統(tǒng)活動檢測的人體交互方式將會更加便捷與自然。文章對國內(nèi)外人體交互裝置的相關(guān)專利申請數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，對該領(lǐng)域的重要申請人以及重要專利進行詳細的闡述，最后對人機交互的未來發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：人機交互；頭部跟蹤；視覺跟蹤；手戴式裝置；神經(jīng)系統(tǒng)活動檢測

1 人體交互裝置概述

人機交互（Human-computer Interaction， HCI）是一種人與計算機之間的信息交互技術(shù)，由ACM（美國計算機協(xié)會）人機交互專門興趣小組SIGCHI提出[1]。早期人機交互裝置如操作桿、鍵盤、鼠標、觸摸板等存在交互不夠便捷自然、移動性不強、體驗度低等缺陷[2]。隨著圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)的興起與發(fā)展，大批科研人員開始關(guān)注基于肢體運動的人機交互方式。利用操作者的頭部、眼部、腕部或肌電信號等控制操作對象已經(jīng)成為人體交互裝置的重要發(fā)展趨勢。因此，對人體交互裝置相關(guān)專利進行詳細的分析和總結(jié)，將有助于了解本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，引導(dǎo)科研人員的研究方向。

2 專利的整體情況分析

文章的專利數(shù)據(jù)檢索以SIPOABS數(shù)據(jù)庫中截止到2015年12月31日已受理的公開專利數(shù)據(jù)。圖1顯示了SIPOABS數(shù)據(jù)庫中人體交互裝置領(lǐng)域的專利申請年度分布圖。可以看出，2000至2005年間，人體交互裝置專利申請量處于平穩(wěn)階段；這段時間內(nèi)傳感器、圖像處理等技術(shù)的不斷成熟為人體交互裝置的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，2006年以后的專利申請量進入快速增長階段，2013年專利申請量達到最大值。由于增強現(xiàn)實技術(shù)的研究熱點不斷升溫，導(dǎo)致2014年以后人體交互裝置的年申請數(shù)量出現(xiàn)一定程度的回落。

從圖2顯示了本領(lǐng)域重要申請人，日本索尼公司專利申請量排名第一。美國的微軟、谷歌、英特爾、蘋果，中國的聯(lián)想，韓國的三星和LG也有大量的申請。

3 本領(lǐng)域重要專利分析

基于頭部跟蹤的輸入裝置主要利用傳感器進行面部識別，從而感測到頭部的運動而生成相應(yīng)的指令。微軟在2003提交了申請?zhí)枮閁S20030452783的專利，提出了一種根據(jù)估計的頭部姿勢跟蹤用戶的關(guān)注區(qū)域的方法。隨后三星提交了申請?zhí)枮镃N201410539366的專利，針對手戴式穿戴設(shè)備在進行操作時需要同時用到兩只手才能實現(xiàn)輸入的缺陷，提出了一種通過采集佩戴者頭部的運動或腕部的移動或旋轉(zhuǎn)動即可實現(xiàn)對便攜式設(shè)備進行輸入控制的方法。聯(lián)想在2015年提交了申請?zhí)枮镃N201510093083的專利，該申請利用用戶頭部發(fā)生運動時的運動參數(shù)和環(huán)境空間信息，從而獲取用戶頭部發(fā)生運動之后的位置信息，有效解決了傳感器誤差導(dǎo)致頭部追蹤結(jié)果不準確的技術(shù)問題。

視覺跟蹤是指對圖像序列中的運動目標進行檢測、提取、表達和識別，然后獲得關(guān)于運動目標相應(yīng)的運動參數(shù)，如位置、速度、加速度及其運動軌跡，在通過進一步的處理與分析，實現(xiàn)對運動目標行為理解從而完成更高一級的任務(wù)[3，4]。索尼在2004年提出了申請?zhí)枮镴P2004012577的專利申請，該申請基于用戶視點控制圖像的清晰度，在確保用戶能使識別所顯示內(nèi)容的同時能使非使用者的第三人難以容易地看到所顯示的內(nèi)容。隨后，聯(lián)想公司和Intel公司分別進行了專利申請（申請?zhí)柗謩e為：CN201210050728和CN201280073525），聯(lián)想公司的申請是通過用戶眼球的運動判斷是否需要切換電子終端的操作模式，Intel公司的申請主要是通過采集的視覺數(shù)據(jù)來部分地調(diào)節(jié)3D顯示屏到用戶的投影距離。

手戴式交互技術(shù)發(fā)展較早，在2003年三星公司提交了申請?zhí)朇N200380108059的專利，其通過檢測佩戴在手指運動的手指裝置來執(zhí)行三維操作輸入。LG公司的申請（申請?zhí)枺篕R20130124741）是基于所接收手掌觸摸輸入來改變智能手表的狀態(tài)。努比亞公司的申請（申請?zhí)枺篊N201510613668）是用于識別手勢動作的手部穿戴件通過無線模塊關(guān)聯(lián)設(shè)備，從而取代桌面上移動的鼠標。由此可知，手戴設(shè)備與手勢有機的結(jié)合是該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

神經(jīng)系統(tǒng)活動檢測的輸入裝置領(lǐng)域中通常采用腦電波（EEG）檢測、肌動電流（EMG）檢測，皮膚活動反應(yīng)檢測等手段。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出了申請?zhí)枮镃N200910077155的專利，公開了用于對信號采集模塊采集到的表面肌電信號進行調(diào)制，將調(diào)制后的表面肌電信號通過無線傳輸?shù)姆绞竭M行發(fā)射并顯示相關(guān)內(nèi)容。

4 結(jié)束語

人機交互經(jīng)過近30年的發(fā)展，其發(fā)展歷史是從人適應(yīng)計算機過渡到計算機適應(yīng)人的過程[5]。隨著移動終端功能變得更加多樣化，終端可支持更加復(fù)雜的功能，基于頭部跟蹤、視覺跟蹤、手戴式輸入/輸出裝置、基于神經(jīng)系統(tǒng)活動檢測的輸入裝置等多樣化的人機交互方式在不久將來將會漸漸替代傳統(tǒng)的交互方式，其將在智能家居、教育、健康監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實、游戲等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

參考文獻

[1]王平，等.淺談人機交互技術(shù)的發(fā)展進程與專利概貌[J].中國發(fā)明與專利，2013，5：39-43.

[2]董士海.人機交互的進展及面臨的挑戰(zhàn)[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2004，16（1）：1-12.

[3]YILMAZ A，JAVED O，SHAH M.Object tracking：a survey[J].ACM Computing Surveys，2006，38（4）：1-45.

[4]侯志強，韓崇昭.視覺跟蹤技術(shù)綜述[J].自動化學(xué)報，2006，32（4）：603-617.

[5]趙罡，等.復(fù)雜產(chǎn)品虛擬裝配系統(tǒng)的人機交互技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，35（2）：137-141.

作者簡介：廖凌慧（1988，10-），女，漢族，研究生學(xué)歷，湖北省應(yīng)城人，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，專利審查員，研究方向：人機交互，虛擬現(xiàn)實，主要從事人機交互，虛擬現(xiàn)實方面的專利審查工作。