基于Leap Motion技術(shù)的三維體感交互商業(yè)展示空間設(shè)計

馬玉喆

（西安翻譯學(xué)院，陜西 西安 710125）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、商品應(yīng)用范圍的擴大以及商業(yè)展示產(chǎn)業(yè)鏈的拓展，互聯(lián)網(wǎng)營銷正在成為廠家重點打造的渠道。而產(chǎn)品的商業(yè)在線展示作為電子商務(wù)中極其重要的環(huán)節(jié)，可以通過虛擬現(xiàn)實等手段實現(xiàn)用戶在購買前體驗產(chǎn)品的使用場景。據(jù)此打造的產(chǎn)品展示空間將大幅度促進電子商務(wù)的發(fā)展[1]。當(dāng)今商業(yè)在線展示空間包括二維在線展示空間和三維在線展示空間，鑒于二維在線展示空間的局限性[2]，三維在線展示空間以全面性、娛樂性、直觀性等優(yōu)勢得到廣泛的應(yīng)用。但獨立存在的三維展示空間又缺乏互動性與體驗感[3]。因此提出基于Leap Motion 技術(shù)的三維體感交互商業(yè)展示空間設(shè)計，增加用戶在三維商業(yè)展示空間中的互動體驗，提升銷售轉(zhuǎn)化率。

1 Leap Motion技術(shù)特點及手勢識別追蹤

1.1 Leap Motion控制器技術(shù)

Leap Motion 控制器的底層技術(shù)是使用紅外成像追蹤手勢動作，并將追蹤到的圖像以幀為單位進行存儲，根據(jù)連續(xù)偵之間產(chǎn)生的運動信號搭建手勢模型。根據(jù)捕捉到的手勢數(shù)據(jù)，計算手勢的空間姿態(tài)，最終將幾何信息和交互信息傳遞給用戶。數(shù)據(jù)傳遞及處理過程見圖1。

圖1 Leap Motion控制器信息處理原理

1.2 Leap Motion技術(shù)的特點

1.2.1 高精度

Leap Motion 控制器檢測手勢或物體的精度為0.01mm，跟蹤幀率為290幀/秒，工作范圍可達在物體或商品上部空間0.02～0.6m的范圍，開闊感知視角為150°，可以同時追蹤高達三個人的手勢及動作，識別范圍見圖2。

圖2 Leap Motion控制器識別范圍

1.2.2 雙目視覺

Leap Motion 控制器內(nèi)置2 個攝像頭，猶如人的雙眼，通過三角測量法，快速提取目標(biāo)手勢或者目標(biāo)物體的三維特性，并在控制器內(nèi)建立三維模型。結(jié)構(gòu)見圖3，雙目視覺測量策略見圖4。

圖3 Leap Motion控制器體感設(shè)備組成

圖4 雙目視覺測量策略

1.2.3 運動追蹤

Leap Motion 控制器內(nèi)置右手三維坐標(biāo)系，實時獲取控制器內(nèi)識別或綁定的設(shè)備的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并持續(xù)追蹤，內(nèi)置跟蹤策略，實時賦予新的物體以ID，并將三維信息、幀運動信息實時存儲，通過端口或者協(xié)議將交互數(shù)據(jù)傳遞給不同的應(yīng)用程序。

1.3 手勢識別與跟蹤

1.3.1 識別標(biāo)識

當(dāng)Leap Motion 控制器識別到手指、手或工具是手勢時，會給該手指、手或工具一個ID作為標(biāo)識，只要該手指、手或工具不超過可視區(qū)域，那么這個ID就不發(fā)生變化，手指、手或工具的基本綁定數(shù)據(jù)包括：

Hands——全部的手；

Pointables——全部可以作為Pointables 的手指或工具；

Fingers——全部手指；

Tools——全部工具；

Gestures——全部手勢。

如果手指、手或工具超過可視區(qū)域，那么Leap Motion控制器就會重新生成一個ID。

1.3.2 手勢識別

Leap Motion 控制器利用雙目視覺的深度成像，建立出手部的三維模型，結(jié)合手部骨骼自帶的關(guān)鍵點特性信息，記錄出每個手指的三維空間坐標(biāo)并存儲，其手部信息的識別用來進行對各種手勢執(zhí)行的動作進行區(qū)分。

1.3.3 手勢定義

一般依據(jù)識別和跟蹤到的手指、手或工具實時數(shù)據(jù)使用手掌法向量對手勢進行定義。根據(jù)向量反饋值計算手指、手或工具的移動方向、移動距離、移動速度與翻滾角、俯仰角等變化情況，確定手指、手或工具的上移和下移、左移和后移以及前移和后移三種手勢，具體情況如表1所示。

表1 上移和下移、左移和后移以及前移和后移的定義

2 基于Leap Motion技術(shù)的三維體感交互商業(yè)展示空間設(shè)計技術(shù)

2.1 設(shè)計技術(shù)原理與技術(shù)路線

獨立的三維商業(yè)展示空間只有展示功能，對于消費者或者強烈購買意向的用戶無法提供沉浸式的體驗，從而也無法滿足消費者想要感觸、感知、試用等進一步了解產(chǎn)品的需求，也無法提升商品的轉(zhuǎn)化率。而基于Leap Motion技術(shù)開發(fā)的交互式設(shè)備可以滿足消費者遠(yuǎn)程多角度感知商品的需求，將視覺、聽覺、動作等感知設(shè)備融入到展示空間的設(shè)計中，使消費者如同身臨其境地試用商品，加深其對產(chǎn)品的了解。

基于Leap Motion 開發(fā)的三維體感交互商業(yè)展示空間，其原理是利用三維技術(shù)生成虛擬商業(yè)展示空間[4]，通過檢測識別手勢并追蹤，提取手勢特征，控制展示空間的表達信息。該類設(shè)備的應(yīng)用，極大的提高了用戶的體驗感和感知度，使商業(yè)展示空間高效發(fā)揮作用[5]。Leap Motion 交互設(shè)備和商業(yè)空間的設(shè)計一共包括四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，首先是體感設(shè)備的手勢識別與跟蹤，其次是針對性的手勢定義以及手勢特征分析、手勢特征的分類，第三部分是三維展示空間的設(shè)計和模型構(gòu)建，第四部分是體感交互設(shè)備在三維商業(yè)展示空間的融合運用。具體設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 基于三維體感交互的商業(yè)展示空間設(shè)計技術(shù)路線

2.2 商業(yè)展示空間的搭建

2.2.1 搭建策略

商品的商業(yè)展示空間搭建需要基于商品的形態(tài)、特點、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，以及消費者的心理聯(lián)想、消費習(xí)慣以及潛意識對商品的需求。故需要運用情景體驗?zāi)Ｊ竭M行商業(yè)空間的設(shè)計，突出商品的個性，引發(fā)消費者對個性的追求，創(chuàng)造出引人入勝的展示效果和交互體驗，讓消費者在展示空間內(nèi)產(chǎn)生共情，加之運用藝術(shù)設(shè)計進一步引發(fā)情感共鳴，則達到了商業(yè)展示空間的搭建目標(biāo)。詳細(xì)搭建策略如圖6所示。

圖6 商業(yè)展示空間搭建策略

2.2.2 搭建步驟

采用3ds Max9 構(gòu)建商業(yè)展示空間的三維模型，該模型能夠完成放大、縮小與旋轉(zhuǎn)等操作，建模完成后，運用oFusion導(dǎo)出商業(yè)展示空間模型文件，并運用OGRE渲染商業(yè)展示空間圖形，實際操作流程如下：

（1）運用3ds Max9對商業(yè)展示空間進行建模，并給商業(yè)展示空間賦予材質(zhì)；

（2）在商業(yè)展示空間模型中安裝場景插件，并導(dǎo)出商業(yè)展示空間場景模型文件；

（3）配置并安裝OGRE對商業(yè)展示空間場景模型文件進行渲染；

（4）基于VS2008構(gòu)建Ogre Root并加載該資源文件；

（5）創(chuàng)建相機，完成商業(yè)展示空間的三維建模。

2.3 手勢特征分析與模型構(gòu)建

利用Leap Motion的手勢信息構(gòu)建商業(yè)展示空間中手勢特征提取與識別模型，具體示意圖如圖7所示。

圖7 手部平面圖

圖7中，C代表商業(yè)展示三維空間中手掌的中心位置；n代表與手掌平面相垂直并指向手掌內(nèi)側(cè)的法向量；h代表C指向手指尖位置的方向向量；Fi,i=1,…,5代表商業(yè)展示三維空間中識別到的手指尖位置。

基于上述手勢跟蹤模型就散手部數(shù)據(jù)特征，計算公式具體為：

式中，手指尖與手掌心之間的歐式距離由Di描述；S代表比例因子，通過式（2）計算獲得：

歸一化處理（除方向外）全部手部特征值，其方法是將手指尖與手掌心之間的三維距離除以比例因子S。

商業(yè)展示空間中三維坐標(biāo)點與C、h之間的角度為Ai，具體計算公式為：

式中，代表手指尖在向量n上的投影位置。歸一化處理的手指尖與手掌中心垂直距離由Ei描述，具體計算公式為：

將Leap Motion 提取的每個手勢數(shù)據(jù)進行特征分析，將組成一個包括特征值D、A、E特征值的特征向量集V=(D,A,E)。

為進一步實現(xiàn)商業(yè)展示空間內(nèi)的手勢識別，需要采用支持向量機方法將特征向量集V依據(jù)手勢庫數(shù)據(jù)分為G類。

2.4 交互實現(xiàn)

基于Leap Motion 設(shè)備的體感參數(shù)收集，并且控制器追蹤并記錄手勢數(shù)據(jù)，在3ds Max9創(chuàng)建的商業(yè)展示空間中，處理手勢數(shù)據(jù)，并與預(yù)存手勢庫進行比對和匹配，匹配成功即可實現(xiàn)預(yù)定義的交互，實現(xiàn)并執(zhí)行語義任務(wù)。圖8為交互手勢的實現(xiàn)框架。?

圖8 交互手勢實現(xiàn)框架

2.5 設(shè)計效果分析

2.5.1 交互效果展示

實驗驗證本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)三維商業(yè)展示空間的縮放以及多角度旋轉(zhuǎn)，圖9、圖10為上移和下移、前移和后移以及左移和右移對三維商業(yè)展示空間的控制。

圖9 三維商業(yè)展示空間縮放實驗結(jié)果

根據(jù)圖9可見，手平放靠近Leap Motion控制器即可縮小三維商業(yè)展示空間，手平放遠(yuǎn)離Leap Motion 控制器即可縮小三維商業(yè)展示空間。

根據(jù)圖10可見，手掌平放后左邊高于右邊即可實現(xiàn)三維商業(yè)展示空間的右旋，手掌平放后右邊高于左邊即可實現(xiàn)三維商業(yè)展示空間的左旋，手掌左右兩邊的高度相差越大，旋轉(zhuǎn)角度越大。綜上所述，本文方法能夠使商業(yè)展示空間實現(xiàn)三維體感交互，增加用戶的體驗感。

2.5.2 交互實時分析

實驗驗證三維商業(yè)展示空間上移和下移、前移和后移以及左移和右移所需時間，具體如表2所示。

根據(jù)表2可見，三維商業(yè)展示空間狀態(tài)變化所消耗的時間極少，不超過60ms，說明基于Leap Motion體感設(shè)備和控制器的手勢控制方法反應(yīng)迅速，延時性較低，靈敏度和實時性較好。

2.5.3 用戶滿意度調(diào)查

基于體感設(shè)備的商品展示空間在應(yīng)用后，對用戶進行了定向問卷調(diào)研，在易用度、有用度、體驗感和使用意愿四個維度進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算各個維度的用戶評價分?jǐn)?shù)。描述統(tǒng)計結(jié)果見表3。通過表3 可以看出，用戶對商品的在線展示給出了較高的使用評價，如滿分5分的有用度、體驗感和使用意愿均超過了4.6分，但是易用度還需要繼續(xù)提高。

表3 滿意度調(diào)查描述統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié)束語

本文采用Leap Motion技術(shù)實現(xiàn)三維體感交互商業(yè)展示空間的設(shè)計，主要通過Leap Motion 體感設(shè)備獲取手勢特征，并跟蹤與識別手勢特征，準(zhǔn)確的識別用戶的手勢，完成相應(yīng)的指示，增加用戶的體驗感。但是本文方法仍容易被瞬時重疊現(xiàn)象所影響，出現(xiàn)識別誤差和一定延時的情況，因此還需進行更深入的研究，更好的獲取手勢識別效果。