基于頭部的人機交互專利技術綜述

孫陽丹

摘? 要：利用頭部姿態實現人機交互更加符合人體操作習慣，增加了用戶沉浸感且解放了雙手，被廣泛應用于虛擬現實、殘疾人輔助設備設計以及智能控制等領域。該文從頭部交互專利申請狀況介紹了頭部交互的技術發展脈絡，并結合各階段專利申請趨勢以及主要申請人分析了該技術的專利情況，并對專利技術的發展趨勢做出總結。

關鍵詞：頭部? 人機交互? 專利? 申請趨勢? 重要申請人

中圖分類號：TP11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0237-02

人機交互是人與計算機設備之間的信息交互，在計算機領域日益重要。早期的人機交互主要通過操縱桿、鍵盤、鼠標、觸摸板等設備實現，存在著交互便捷度不高、移動性差、用戶體驗不好的缺點。而智能化的人機交互模式主要通過頭部運動、視線追蹤、數據手套、腦電波等實現人機交互[1]。基于人的模型具有自然和增加沉浸式的特點廣泛受到用戶的喜愛。頭部運動中包含著頭部位置和朝向、頭部軌跡以及面部表情[2]，其在人際交流中被頻繁使用，可以在一定程度上反映出人的行為意識，對理解用戶對象的態度、意圖等心理狀態具有十分重要的意義。此外，基于頭部的人機交互具有自然、直接、友好、解放雙手等特點，促使其成為人機交互過程中一個非常重要的交互方式，因此，基于頭部運動的人機交互方式是實現人與計算機系統自然交互領域的一大研究趨勢，在體感游戲、殘疾人輔助系統[3]、智能交通、智能控制等領域具有重要的應用前景。

1? 基于頭部的人機交互的技術發展路線

（1）基于頭部的人機交互經歷了從簡單的開關控制，到多命令控制，到基于頭部信號的情景交互。其大致交互流程包括頭部信號采集、頭部信號識別、獲取指令和執行指令四大部分。該節主要對信號的兩種獲取方式——接觸式感測和非接觸式感測，以及信號處理技術這3個方面來從專利的角度闡述基于頭部的人機交互的技術演進。

（2）在1982—1995年期間，早期接觸式感測方式包括光傳感、電阻傳感和超聲波傳感，其只能捕獲靜態頭部信息，且捕獲精度和準確度都不高，因此早期的基于接觸式感測方式的人機交互只能應用于簡單的控制操作，且因為精度和準確度無法得到保障，其推廣也受到了阻礙。而此段時間的非接觸式感測主要采用單攝像頭來感測用戶的頭部圖像，由于當時攝像頭的分辨率比較低且對環境光的要求比較高，且圖像處理技術也比較落后，很難識別出頭部姿態。

（3）在1995—2010年之間，接觸式的感測方式已經發展到了基于陀螺儀、加速度計、磁力計的頭部感測。加速度計可以感測頭部的運動速度，可以通過頭部運動速度的快慢來實現不同的控制，例如公開號為WO2015/112432A1的發明專利，通過頭部運動速度的不同，其翻頁操作的速度也不一樣。而在某些應用方面由于對精度的特殊要求，通常采用多個加速度計來測量頭部在不同方位的運動，例如公開號為CN101034309A的發明專利則是采用六軸加速度計來采集頭部信息，精度明顯提升。此段時間，對于非接觸式感測，主要采用多攝像頭的技術來彌補單攝像頭的缺陷，同時隨著圖像處理技術的提高和信號處理能力的提升，基于頭部的人機交互發展越來好。而此段時間的信號處理方式，主要采用橢圓姿態估計、迭代姿態估計和置信度估計的方式。

（4）2010年以后基于頭部運動的人機交互迅速發展，目前已經衍生到智能家居、智能汽車和終端控制、虛擬現實等領域。此段時間，公開號為CN101034308A的發明專利提出了將肌電傳感器貼附在用戶的臉部，如眼部和唇部位置，通過感測面部表情導致的肌肉信號的變化來感測不同的表情，實現了人機交互時的趣味化。而隨著深度攝像機的發展，基于深度攝像頭采集并識別頭部姿態成為研究熱點，利用圖片信息中所包含的深度信息可以獲得更全面的頭部姿態信息，能夠準確識別出頭部的運動速度、面部表情。由于表情中富含了人豐富的情感，利用其來實現人機交互更具有人性化，也因此產生了基于表情來實現手機解鎖、智能控制，基于表情來推測人的精神狀態進而實現智能推送的技術。而隨著圖像處理技術的提升，由于非接觸式感測不需要用戶佩戴任何裝置，用戶體驗更好，因此，非接觸式的感測方式正在慢慢取代接觸式感測方式。在信息處理方面，為滿足人們頭部姿態識別精度和快速響應速度的要求，一種新的對頭部姿態實現預測估計的方案被提出。如專利公開號為CN105892658A的發明專利提出了首先獲取頭部運動的歷史數據，其中歷史數據用于指示頭部在當前時刻之前的運動速度，根據歷史數據，確定頭部從當前時刻到目標時刻的角速度，根據頭部從當前時刻到目標時刻的角速度，確定頭部從當前時刻到目標時刻的姿態變化，并確定頭部在目標時刻的姿態，實現了準確的預測頭部的運動姿態，解決了在將頭部人機交互應用到虛擬現實時，由于動作響應的延時導致的眩暈。

2? 專利申請趨勢主要申請人分析

（1）通過對基于頭部的人機交互領域的國內外專利申請量進行分析發現，早在1982年，國外申請人就提出了用頭部的動作來移動光標，但在相當長一段時間內，基于頭部的人機交互幾乎是處于停滯不前的狀態，年均申請量不超過50件;直至2005年左右隨著傳感技術和信息處理技術的發展，基于頭部的人機交互才慢慢地成為研究熱點，此時專利申請量也呈現出緩慢上升的趨勢;之后，隨著智能終端、虛擬現實、智能控制的需求，基于頭部的人機交互的專利申請呈現一個井噴的態勢，專利申請量達到頂峰。

（2）美國、日本、韓國、中國是頭部人機交互領域的申請大國，其中申請量最大的幾個公司分別為索尼、微軟、高平、LG、BAE、三星、谷歌等。索尼公司的專利申請量排名第一，旗下有一個大的索尼計算娛樂公司;高平和谷歌公司為早期頭戴式顯示設備的主要開創者;BAE為軍工企業;LG為顯示技術領域的佼佼者。而國內的主要申請人包括聯想、樂視、華南理工大學、OPPO、華為等。

3? 結語

基于頭部的人機交互技術越來越受到國內外企業的重視，被廣泛應用到智能家居、智能汽車、終端控制、虛擬現實等領域，專利申請量快速增長;在頭部的感測方式上基于非接觸式感測正在逐步取代接觸式感測;國外企業在該領域中布局較多，中國企業需要加大研究投入力度，防止侵權風險。

考考文獻

[1] 廖凌慧.人體交互裝置的專利技術綜述[J].科技創新與應用，2016（25）：73.

[2] 邢世蒙.頭部運動姿態檢測分析與設計[D].西北工業大學，2015.

[3] 楊偉健.基于視覺和肌電信息融合的智能輪椅人機接口技術研究及應用[D].杭州電子科技大學，2015.