摘 要：文章首先對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的概念和常用方向進(jìn)行探討，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)論述功能實(shí)現(xiàn)所建立的基礎(chǔ)，提出通過仿真模擬來對(duì)多途徑手勢(shì)進(jìn)行使用驗(yàn)證，幫助提升人機(jī)交互過程中各個(gè)手勢(shì)實(shí)現(xiàn)的仿真能力。對(duì)于當(dāng)前的交互功能實(shí)現(xiàn)，本文所總結(jié)的技術(shù)方法具有可行性，應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段安全且穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；人機(jī)交互；多特征手勢(shì)；檢驗(yàn)算法

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種利用程序匯編和光學(xué)原理，來營造出仿真的游戲氛圍，從而實(shí)現(xiàn)玩家對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)場(chǎng)景更真實(shí)的體驗(yàn)[1]。虛擬場(chǎng)景人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與使用者之間的交融匯合，對(duì)游戲內(nèi)部場(chǎng)景體驗(yàn)也變得更貼近真實(shí)場(chǎng)景。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)展開虛擬設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)部更真實(shí)的交融匯合。當(dāng)前設(shè)計(jì)方案中比較常見的內(nèi)部控制問題虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在識(shí)別系統(tǒng)中，能夠?qū)⑺蹲降降恼鎸?shí)場(chǎng)景轉(zhuǎn)化成為虛擬場(chǎng)景，并在系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)識(shí)別掃描，在此環(huán)境下所開展的各項(xiàng)安全識(shí)別功能能夠更好的實(shí)現(xiàn)[2]。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用廣泛，在不同場(chǎng)景內(nèi)使用均得到體現(xiàn)。該項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)在算法上有很大差別，需要技術(shù)人員掌握這一特征，并從更深層次進(jìn)行分析，選擇一項(xiàng)能夠促進(jìn)場(chǎng)景交換任務(wù)全面進(jìn)行的匯編程序，為控制管理任務(wù)進(jìn)行建立一個(gè)適合的基礎(chǔ)環(huán)境。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)常用方向（The common application

fields of virtual reality）

在一些需要仿真的環(huán)境中常常使用到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。通過建立起適合現(xiàn)場(chǎng)工作任務(wù)進(jìn)行的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)需要構(gòu)建場(chǎng)景的高度仿真，在技術(shù)層面上也能達(dá)到更理想的仿真交互效果[3]。手勢(shì)檢驗(yàn)算法是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用中比較常用的范圍。通過建立起適合工作任務(wù)進(jìn)行的虛擬仿真環(huán)境，對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算進(jìn)行檢驗(yàn)，從而更全面了解當(dāng)前的工作運(yùn)行使用環(huán)境。有關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)工作任務(wù)的開展，建立起適合的環(huán)境也十分重要。常用方向大部分都涉及需要虛擬交換的場(chǎng)景。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)后，不僅所交換的場(chǎng)景內(nèi)部環(huán)境得到控制，計(jì)算機(jī)所模擬出的場(chǎng)景也與實(shí)際情況相符合，更有利于控制計(jì)劃進(jìn)行，使用者也能更全面地感受到內(nèi)部場(chǎng)景變化。目標(biāo)跟蹤也常用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行。根據(jù)不同用戶使用需求來展開跟蹤，進(jìn)行場(chǎng)景之間的交互跟蹤，建立在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的跟蹤體系，不僅反應(yīng)速度快，對(duì)信息的處理效率也會(huì)有明顯提升。

3 基于手勢(shì)的人機(jī)交互的主要任務(wù)與配置（The

main tasks and configurations of human-computer

interaction based on gestures）

3.1 位置跟蹤

建立在人機(jī)交互環(huán)境下所開展的位置跟蹤技術(shù)，首先需要一個(gè)適合的匯編語言環(huán)境，建立起位置跟蹤目標(biāo)，并熟悉掌握各個(gè)功能模塊之間聯(lián)系體系。接收器是跟蹤功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)部分，對(duì)于所建立的手勢(shì)驗(yàn)算體系需要從綜合控制層面開展，運(yùn)動(dòng)跟蹤難度較大。處于該種環(huán)境下進(jìn)行的各項(xiàng)綜合均處于合理分配環(huán)境下，跟蹤器與現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)功能之間需要更合理配合，發(fā)現(xiàn)影響因素后采取技術(shù)性方法解決，才能達(dá)到理想的控制效果?；谑謩?shì)檢驗(yàn)方法所開展的各項(xiàng)人機(jī)交互任務(wù)，位置跟蹤只是功能之一，采用鳥群運(yùn)算方法后所得出的運(yùn)算結(jié)果在功能上更加合理，各個(gè)控制接收器之間也能夠更合理的配合。運(yùn)動(dòng)環(huán)境跟蹤難點(diǎn)在于參考點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后動(dòng)態(tài)點(diǎn)也變得更加具體，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)過程中變化參數(shù)更精準(zhǔn)的捕捉。

3.2 頭盔顯示器

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將操作者帶入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所呈現(xiàn)的畫面內(nèi)，頭盔顯示器需要與運(yùn)動(dòng)跟蹤器結(jié)合使用，佩戴頭盔顯示器后能夠?qū)⑹褂谜邘氲竭\(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景中，從而達(dá)到更理想的使用效果。模擬出人機(jī)交互運(yùn)行狀態(tài)，隨著運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，這種控制功能也能得到更好的提升。頭盔顯示器應(yīng)用的呈像原理與常規(guī)狀態(tài)不同，能夠顯示出與真實(shí)場(chǎng)景相近的內(nèi)容，快速將人物帶入到計(jì)算機(jī)所虛擬的視覺環(huán)境內(nèi)。無論是游戲還是訓(xùn)練使用，這種技術(shù)方法所營造出的氛圍更加逼真。同時(shí)應(yīng)用第一視覺所進(jìn)行的各項(xiàng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)控制也十分有效，建立起長期的工作環(huán)境能夠幫助提升最佳顯示使用效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只是一項(xiàng)程序顯示技術(shù)，需要進(jìn)行算法與實(shí)際程序之間的轉(zhuǎn)換，具體呈現(xiàn)出的內(nèi)容還需要進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。

4 基于手勢(shì)的人機(jī)交互過程及關(guān)鍵技術(shù)（Human-

computer interaction process and key technology

based on gestures）

4.1 交互過程

手勢(shì)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中仿真實(shí)驗(yàn)的一種，受訓(xùn)者手部運(yùn)動(dòng)會(huì)通過一系列數(shù)據(jù)檢驗(yàn)算法傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行控制中，傳感過程中任務(wù)的手部運(yùn)動(dòng)模式與現(xiàn)實(shí)情況之間存在很大的關(guān)系，傳感器輸出的參數(shù)是后續(xù)控制計(jì)劃進(jìn)行所參照的依據(jù)。交互主要是任務(wù)與虛擬場(chǎng)景之間的一個(gè)交換過程。建立擬人環(huán)境后通過這種方法能夠達(dá)到更理想的控制效果。通過對(duì)虛擬場(chǎng)景下的手勢(shì)運(yùn)動(dòng)捕捉，感應(yīng)數(shù)據(jù)手套中有大量的數(shù)據(jù)捕捉點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)期間這些參數(shù)數(shù)據(jù)都是不斷變化的，通過這種方法來達(dá)到更理想的控制效果，從而實(shí)現(xiàn)全面控制計(jì)劃[4]。手套佩戴后需要對(duì)各個(gè)感觸點(diǎn)進(jìn)行校正，達(dá)到最佳使用效果，虛擬系統(tǒng)內(nèi)所顯示的各項(xiàng)參數(shù)也能達(dá)到與實(shí)際情況相一致的效果。對(duì)于當(dāng)前環(huán)境下比較常見的使用功能問題，建立一個(gè)長期性的虛擬場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)參與訓(xùn)練者手部運(yùn)動(dòng)的捕捉。整個(gè)交互過程如圖1所示。

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)備工作結(jié)束后進(jìn)入到更深層次的使用功能中，佩戴者需要操縱手部動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間更全面的控制功能，有關(guān)于使用期間數(shù)據(jù)捕捉的需求，建立在這一環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)全面參與效果。手勢(shì)識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)后可以進(jìn)入到具體的虛擬操作流程中，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的具體劃分控制，從而達(dá)到更理想的設(shè)計(jì)控制效果。當(dāng)前常用技術(shù)性方法中，建立起使用效果并觀察各個(gè)系統(tǒng)之前的配合能力，也能幫助全面提升工作積極性，為管理計(jì)劃開展建立一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)環(huán)境[5]。手勢(shì)識(shí)別開展與其他層面的管理控制功能之間有很大關(guān)系，這也是系統(tǒng)運(yùn)行控制中所必須要達(dá)到的部分。只有建立起需要的功能，接下來開展手勢(shì)控制才能更順利。endprint

4.2 虛擬手建模

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行手勢(shì)變化虛擬仿真，需要根據(jù)手勢(shì)檢驗(yàn)算法來開展基礎(chǔ)建模，建立起適合工作任務(wù)進(jìn)行的仿真環(huán)境。首先是將手部進(jìn)行分解，設(shè)置換分出不同的控制環(huán)境，觀察控制任務(wù)開展期間是否存在可能會(huì)影響信息傳輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)部分做出預(yù)防控制。虛擬手的分解可以分為兩部分：手掌與手指。其中手指還可以繼續(xù)劃分成為五個(gè)不同的手指，分別進(jìn)行多種控制。仿真虛擬建模想要針對(duì)這五個(gè)手指與手掌分別進(jìn)行，技術(shù)允許的情況下還可以對(duì)不同控制關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真建模，這樣仿真手運(yùn)動(dòng)控制也能更符合實(shí)際情況，在運(yùn)動(dòng)功能上與實(shí)際使用需求保持一致。虛擬手與現(xiàn)實(shí)手的運(yùn)動(dòng)均處于仿真環(huán)境下，常規(guī)環(huán)境中開展各個(gè)控制管理任務(wù)都需要觀察手部運(yùn)動(dòng)變化，在關(guān)節(jié)控制作用下手指與手掌部分相互配合，根據(jù)指令來完成不同動(dòng)作。設(shè)計(jì)建模期間要盡可能地減小指令間隔時(shí)間，這樣仿真手與現(xiàn)實(shí)的手部運(yùn)動(dòng)在頻率與動(dòng)作幅度上能保持高度一致[6]。配合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所開展的各項(xiàng)仿真功能，建模過程中會(huì)針對(duì)各個(gè)手指關(guān)節(jié)進(jìn)行坐標(biāo)定位，這樣在運(yùn)動(dòng)中才不會(huì)產(chǎn)生隱患。常見技術(shù)性問題配合實(shí)際使用需求來深入研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真手靈敏度的提升。建模期間發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)中存在問題，能夠通過控制方法來進(jìn)行完善解決，幫助達(dá)到最佳設(shè)計(jì)管理效果。一旦所建立的模型正式投入使用，運(yùn)動(dòng)反應(yīng)不靈敏的現(xiàn)象將長期存在，難以通過技術(shù)性方法解決。

4.3 數(shù)據(jù)手套校正

數(shù)據(jù)手套通常是統(tǒng)一制作并出廠使用的，生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)誤差問題，需要統(tǒng)一校正，最終數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確才能投入到使用中。數(shù)據(jù)手套校正需要佩戴并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，這樣校正任務(wù)進(jìn)行才能保證最佳效果，避免在設(shè)計(jì)中產(chǎn)生隱患問題。傳感器在捕捉數(shù)據(jù)期間，與真實(shí)的手部運(yùn)動(dòng)很容易產(chǎn)生誤差，校正檢驗(yàn)期間要掌握這一誤差隱患，計(jì)算出數(shù)據(jù)的正?？刂品秶⒔⑵鸶咝У目刂乒芾憝h(huán)境，系統(tǒng)之間相互配合來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的控制功能。數(shù)據(jù)手套校正還包括兩根相鄰手指之間的間隔和張力，將所檢驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷設(shè)備是否可以正常使用，以及在功能層面上需要繼續(xù)深入完善的部分。不同訓(xùn)練人員手部大小和運(yùn)動(dòng)模式存在差異性，校正期間要掌握這一差異性，設(shè)置出手掌部分運(yùn)動(dòng)的具體范圍，并結(jié)合實(shí)際技術(shù)性方法加以控制解決，這樣數(shù)據(jù)手套使用時(shí)可以滿足不同方向的需求，在控制能力上也會(huì)得到明顯提升。校正需要在最大范圍與最小范圍控制內(nèi)進(jìn)行，對(duì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證也能更高效開展。

校正時(shí)僅需受訓(xùn)者戴上數(shù)據(jù)手套，做以下三種手勢(shì)：（1）五指并攏平伸；（2） 握緊拳頭；（3）手指盡量張開。上述三種手勢(shì)數(shù)據(jù)手套18個(gè)傳感器的輸出分別記為最小彎曲（張幅）值WanQuMin[n]、最大彎曲值WanQuMax[n]、最大張幅值ZhangFuMax[n]（其中n=0，1，…，17，表示18個(gè)傳感器編號(hào)，前14個(gè)表示各手指及手掌傳感器，后4個(gè)表示指間張幅傳感器）。

4.4 虛擬手驅(qū)動(dòng)

虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互過程中的手部運(yùn)動(dòng)和控制功能實(shí)現(xiàn)，需要建立在驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)上，通過建立一個(gè)適合的基礎(chǔ)環(huán)境，達(dá)到更加豐富的控制效果。驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需要考慮在功能上是否存在數(shù)據(jù)交互問題，并保持手部姿勢(shì)與所需要訓(xùn)練的動(dòng)作一致，這樣在檢驗(yàn)過程中即使存在功能隱患問題，也能更好地控制解決。佩戴數(shù)據(jù)傳輸手套后進(jìn)入到驅(qū)動(dòng)模塊中，各個(gè)系統(tǒng)之間的相互配合工作也能達(dá)到與實(shí)際情況相一致的內(nèi)容。發(fā)現(xiàn)虛擬驅(qū)動(dòng)功能與現(xiàn)場(chǎng)交互任務(wù)之間存在相近的部分，可以改變進(jìn)入到下一姿勢(shì)訓(xùn)練中。佩戴者能夠熟悉掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所模擬出的場(chǎng)景與實(shí)際情況之間的不一致，也能達(dá)到更高效的使用效果。手部在完成旋轉(zhuǎn)等高難度動(dòng)作時(shí)，參與到其中的關(guān)節(jié)數(shù)量多，參數(shù)捕捉也存在一定難度，對(duì)此需要進(jìn)行全方位控制。驅(qū)動(dòng)設(shè)置后需要與虛擬手之間相互連接，在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行更高效的數(shù)據(jù)傳輸。利用虛擬轉(zhuǎn)換技術(shù)來模擬出更真實(shí)更高效的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)控制效果。

訓(xùn)練人員戴上數(shù)據(jù)手套，完成各種手勢(shì)，此時(shí)數(shù)據(jù)手套各傳感器的輸出記為：Input[n]（其中n=0，1，…，17）。虛擬手每個(gè)指段及手掌的彎曲、旋轉(zhuǎn)角度由下式?jīng)Q定θ1[j]=（Input[n]–WanQuMin[n]）×90/（WanQuMax[n]-WanQuMin[n]），j表示各指段及手掌的編號(hào)，j=0，1，…，13；n=0，1，…，13。

指間張幅角度由下式?jīng)Q定

θ2[k]=（Input[n]–WanQuMin[n]）×60/（ZhangFuMax[n]-WanQuMin[n]）

k表示指間張角編號(hào)，k=0，1，2，3；n=14，15，16，17。

上述運(yùn)算過程便是在不同動(dòng)作指令下驅(qū)動(dòng)器對(duì)手勢(shì)的檢驗(yàn)和運(yùn)算原理，其中包含可能會(huì)影響到數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的各項(xiàng)控制能力。運(yùn)算檢驗(yàn)是建立在長期工作環(huán)境下的，具體使用過程中要掌握這一特征，選擇合理運(yùn)算公式，并在檢驗(yàn)過程中進(jìn)行算法與實(shí)際方案之間更合理的控制，達(dá)到最佳運(yùn)算管理效果。選擇正確的檢驗(yàn)方法能夠幫助確定最合理的虛擬受控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中人機(jī)交互的手勢(shì)算法驗(yàn)證，同時(shí)將時(shí)間間隔控制在最佳范圍內(nèi)。

4.5 手勢(shì)定義和識(shí)別

訓(xùn)練過程中不同手勢(shì)所表達(dá)的含義也有很大差異性。要尊重并掌握這一差異性，進(jìn)行更深入的內(nèi)部控制。觀察到手勢(shì)變化后便能將其轉(zhuǎn)換成為一種手勢(shì)語言。手勢(shì)分為靜止與動(dòng)態(tài)兩種。對(duì)虛擬手各項(xiàng)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉時(shí)，首先要確定是出于靜止?fàn)顟B(tài)還是動(dòng)態(tài)變化模式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的變化判斷。手勢(shì)定義也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要基礎(chǔ)。確定系統(tǒng)運(yùn)行變化中所存在的動(dòng)作改變，再進(jìn)行更深入的現(xiàn)場(chǎng)控制，也能模擬出實(shí)際變化環(huán)境。將現(xiàn)實(shí)中的手部變化動(dòng)作通過信號(hào)接收器傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)內(nèi)接收到這一信息后會(huì)自動(dòng)識(shí)別并發(fā)出與之相對(duì)應(yīng)的控制指令，虛擬手接收到之后在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的控制才能隨之開展。

為保障傳輸過程中的數(shù)據(jù)靈敏度，通常會(huì)設(shè)計(jì)18個(gè)感應(yīng)器，分別位于不同關(guān)節(jié)位置，捕捉更靈動(dòng)的運(yùn)動(dòng)效果。參數(shù)轉(zhuǎn)變過程中這18個(gè)感應(yīng)器會(huì)匯合成為最終5個(gè)手指部分的運(yùn)動(dòng)程序，檢驗(yàn)算法公式如下：endprint

Y F Input，Input Input=…（[0][2]，[17]）

其中，Input[n]（n=0，1，…，17）表示數(shù)據(jù)手套傳感器輸出，Y={1，2，3，4，5}，表示 5 種手勢(shì)中的一種。

算法公式中所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)結(jié)合在實(shí)際運(yùn)算內(nèi)容中，形成更長期穩(wěn)定的效果圖，函數(shù)便是所形成的表達(dá)數(shù)據(jù)內(nèi)容之一。

4.6 多特征手勢(shì)檢驗(yàn)算法應(yīng)用

手勢(shì)運(yùn)動(dòng)形式較多的情況下，檢驗(yàn)算法也要與之保持一致，觀察是否能夠從技術(shù)層面加以強(qiáng)化，促進(jìn)最終的控制功能不斷提升。仿真訓(xùn)練中比較常用這種方法。操作人員通過這一技能來達(dá)到更高效的虛擬場(chǎng)景操作控制，并避免在接下來設(shè)計(jì)控制中出現(xiàn)影響最終功能實(shí)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)隱患。不同使用功能趨勢(shì)下手勢(shì)檢驗(yàn)也可以繼續(xù)深入改變，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要的部分，通過這種方法也能達(dá)到更理想的控制效果。應(yīng)用該算法在不同的人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中，都應(yīng)該確定一個(gè)綜合使用功能，并根據(jù)功能來不斷地強(qiáng)化完善，對(duì)系統(tǒng)所進(jìn)行的控制也能達(dá)到更理想的效果。人機(jī)互換是建立在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行的高仿真任務(wù)，充分控制各個(gè)系統(tǒng)之間的配合程度，來營造出更適合的控制環(huán)境。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文研究了虛擬訓(xùn)練中基于手勢(shì)的人機(jī)交互及其關(guān)鍵技術(shù)，給出詳細(xì)的實(shí)施方法與步驟，實(shí)際應(yīng)用表明本文方法可以讓受訓(xùn)者感覺真實(shí)自然的交互。動(dòng)態(tài)手勢(shì)在虛擬操作中占有重要的地位，目前還沒有成熟的方法。對(duì)于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別，還需要今后進(jìn)一步地加以研究。

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作者簡介：

賴晶亮（1977-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：人機(jī)交互，圖像處理，職業(yè)教育.endprint