基于Kinect体感设备投篮系统设计

徐涛　黄贤立　严霞　林瓅

摘 要：随着计算机的飞速发展，自然的图形用户界面应运而生，结合微软推出的体感设备Kinect，以及游戏引擎Unity3D，可以快速搭建实验环境。通过脚本定义投篮手势识别算法，完成投篮手势的识别，并利用算法算出篮球抛出时的初速度，交给Unity3D的物理引擎计算出篮球的运动轨迹，从而完成整个虚拟的投篮过程。

关键词：Kinect；体感；手势识别；Unity3D；投篮系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.266

0 引言

根据冯·诺依曼（John von Neumann，1903～1957）的计算机体系结构，计算机分为五大部分——运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。现在大多数计算机仍是冯·诺依曼计算机的组织结构，只是做了一些改进而已，并没有从根本上突破冯·诺依曼体系结构的束缚。对于计算机的研究和使用人员来说，计算机的发展最终需要解决的问题就是输入和输出的问题。如何对计算机进行高效准确的输入，以及如何让计算机通过算法，进行准确的计算，输出人们想要的结果，一直是计算机研究的一个重要课题。

随着计算机的发展，自然的用户界面（NUI） 随之出现。相对于传统的用户输入方式——鼠标键盘，自然的用户界面显得更加人性化。比如语音输入，手势识别等。显然，自然的用户界面更加符合人们的行为习惯。自然的用户界面更加健康，它可以让对计算机的输入变成与一个人的交流，让用户可以有更加身临其境的感觉。

1 现实生活中体感手势的运用

人们在日常的交际中，经常会用到一些手势，来使得对问题的表述更加具有表现力。这些手势不仅仅只是手指的动作，也不能理解为手部的动作。手势是一个广泛的概念，它包含了有含义、有意义的肢体动作。这也就是说，一个踢腿的动作，也可以被定义为手势。敲击键盘不是一个手势，因为手指快速的按下某一个按键既不容易被观察到，也不能直观地表达其含义。

然而，手势不只是用在交际表达中，人们在日常的生活中，也无处不用到手势。例如，在拧开饮料瓶盖的时候，需要用手握紧瓶盖，另一只抓紧瓶身，通过手腕、手臂的共同协作，完成拧下瓶盖的动作。拧下瓶盖的动作，就是一个手势。我们可以忽略在完成这些动作过程中所使用到、接触到的实际存在的物体，而把注意力转移到肢体本身。假设物体并不存在的，让你笔画着空气来完成一个拧瓶盖的动作，让另外一个人去猜你现在正在做的动作，是否他一眼就能看出你正在演示拧瓶盖的动作呢？

2 基于Kinect体感设备的篮球系统

2.1 手势的识别

如果“猜”出你所做手势的是一台计算机，那么就涉及到计算机的手势识别技术。让计算机去完成一个手势的识别、判断是非常困难的。首先，我们要设法获取人体的相关信息，这涉及到图形、图像识别技术、深度数据挖掘技术。通过微软研制的Kinect，其摄像头在收集了人体的视频信息之后，通过算法的处理，可以把人的肢体信息凝练为20个骨骼节点。它可以准确标定人体的这20个关键点，并对这20个点的位置进行实时追踪。在程序及算法设计中，人的肢体运动，会使得身体各个骨骼节点的三维坐标值发生改变。通过设置合理的数值，当骨骼节点的坐标差值超过某个设定值的时候，触发某一个状态位或一系列状态位的改变，从而完成一个手势或者一系列手势的判定。例如，完成一个完整的投篮手势，需要先抬起手臂。以右手为例，抬起右手意味着右手腕节点的y坐标值超过了右肩膀节点的y坐标值，也就是实际空间中的右手高度，高于右肩膀高度。此时，应该触发抬手状态位的改变，告诉系统，投掷者的手臂已经抬起，准备进行下一步的判断与计算。

当然，在手臂放下之后，要把抬手状态位还原，告诉系统，投掷者的手臂已经放下，不能继续进行投掷算法，不然系统会出现错误投掷判断。由此，抬手状态的触发就相当于投掷算法的第一个开关，整个投篮手势也是由一系列手势构成的。

2.2 运动轨迹的计算

篮球在空间中的运动，是一个球体的物理运动，需要物理引擎来提供物理算法，通常的游戏引擎都会带有物理引擎，我们使用Unity3D游戏引擎中的物理引擎，来完成篮球运动轨迹的计算。这样，我们只需要把篮球被抛出时的方向和速度提供给物理引擎，就可以完成篮球运动轨迹的计算了。

现实中，人完成投篮动作，就是给篮球一个加速度。通过手部用力，让篮球和手拥有相同的速度。当手部停止加速，开始减速，篮球也就不再加速，并且脱离手部，不再和手有接触。篮球拥有了初始速度，就开始抛物运动。这里我们忽略空气阻力的作用。在三维空间中，需要把加速度及速度分解到相互垂直的三個方向上，也就是三维坐标系中，计算三个方向上的加速度，最终提交给Unity3D的物理引擎，形成一个和速度进行计算。手部三个方向上的加速度，可以通过速度计算公式获得。Kinect提供给我们每秒30帧的骨骼节点三维坐标位置变化，一个方向上坐标的差值除以时间，就可以得到此方向上的速度，进一步就可以得到此方向上的加速度。

2.3 模型的构建

最后，我们在Unity3D中创建场景，添加篮球架的模型，并添加脚本判断篮球是否投进，进行计分，并给篮球和篮框添加碰撞器，当篮球碰触篮框时，进行碰撞的检测和碰撞结果的计算，模拟真实的投篮环境，构成一个完整的投篮系统。

参考文献：

[1]沈绪榜，刘泽响，王茹.计算机体系结构的统一模型[J].计算机学报，2007，30（05）：731-736.

[2]张茫茫，傅红.基于实体用户界面与自然用户界面结合的产品设计[J].研究论文，2013，31（28）：99-102.

[3]曹雏清，李瑞峰，赵立军.基于深度图像技术的手势识别方法[J].计算机工程，2012，38（08）：16-21.

[4]朱惠娟.基于Unity3D的虚拟漫游系统[J].计算机系统应用，2012，21（10）：36-40.

作者简介：徐涛（1993-），男，江苏人，本科，研究方向：物联网。