基于Leap Motion技术的三维体感交互商业展示空间设计

马玉喆

（西安翻译学院，陕西 西安 710125）

0 引言

随着互联网技术的发展、商品应用范围的扩大以及商业展示产业链的拓展，互联网营销正在成为厂家重点打造的渠道。而产品的商业在线展示作为电子商务中极其重要的环节，可以通过虚拟现实等手段实现用户在购买前体验产品的使用场景。据此打造的产品展示空间将大幅度促进电子商务的发展[1]。当今商业在线展示空间包括二维在线展示空间和三维在线展示空间，鉴于二维在线展示空间的局限性[2]，三维在线展示空间以全面性、娱乐性、直观性等优势得到广泛的应用。但独立存在的三维展示空间又缺乏互动性与体验感[3]。因此提出基于Leap Motion 技术的三维体感交互商业展示空间设计，增加用户在三维商业展示空间中的互动体验，提升销售转化率。

1 Leap Motion技术特点及手势识别追踪

1.1 Leap Motion控制器技术

Leap Motion 控制器的底层技术是使用红外成像追踪手势动作，并将追踪到的图像以帧为单位进行存储，根据连续侦之间产生的运动信号搭建手势模型。根据捕捉到的手势数据，计算手势的空间姿态，最终将几何信息和交互信息传递给用户。数据传递及处理过程见图1。

图1 Leap Motion控制器信息处理原理

1.2 Leap Motion技术的特点

1.2.1 高精度

Leap Motion 控制器检测手势或物体的精度为0.01mm，跟踪帧率为290帧/秒，工作范围可达在物体或商品上部空间0.02～0.6m的范围，开阔感知视角为150°，可以同时追踪高达三个人的手势及动作，识别范围见图2。

图2 Leap Motion控制器识别范围

1.2.2 双目视觉

Leap Motion 控制器内置2 个摄像头，犹如人的双眼，通过三角测量法，快速提取目标手势或者目标物体的三维特性，并在控制器内建立三维模型。结构见图3，双目视觉测量策略见图4。

图3 Leap Motion控制器体感设备组成

图4 双目视觉测量策略

1.2.3 运动追踪

Leap Motion 控制器内置右手三维坐标系，实时获取控制器内识别或绑定的设备的坐标数据，并持续追踪，内置跟踪策略，实时赋予新的物体以ID，并将三维信息、帧运动信息实时存储，通过端口或者协议将交互数据传递给不同的应用程序。

1.3 手势识别与跟踪

1.3.1 识别标识

当Leap Motion 控制器识别到手指、手或工具是手势时，会给该手指、手或工具一个ID作为标识，只要该手指、手或工具不超过可视区域，那么这个ID就不发生变化，手指、手或工具的基本绑定数据包括：

Hands——全部的手；

Pointables——全部可以作为Pointables 的手指或工具；

Fingers——全部手指；

Tools——全部工具；

Gestures——全部手势。

如果手指、手或工具超过可视区域，那么Leap Motion控制器就会重新生成一个ID。

1.3.2 手势识别

Leap Motion 控制器利用双目视觉的深度成像，建立出手部的三维模型，结合手部骨骼自带的关键点特性信息，记录出每个手指的三维空间坐标并存储，其手部信息的识别用来进行对各种手势执行的动作进行区分。

1.3.3 手势定义

一般依据识别和跟踪到的手指、手或工具实时数据使用手掌法向量对手势进行定义。根据向量反馈值计算手指、手或工具的移动方向、移动距离、移动速度与翻滚角、俯仰角等变化情况，确定手指、手或工具的上移和下移、左移和后移以及前移和后移三种手势，具体情况如表1所示。

表1 上移和下移、左移和后移以及前移和后移的定义

2 基于Leap Motion技术的三维体感交互商业展示空间设计技术

2.1 设计技术原理与技术路线

独立的三维商业展示空间只有展示功能，对于消费者或者强烈购买意向的用户无法提供沉浸式的体验，从而也无法满足消费者想要感触、感知、试用等进一步了解产品的需求，也无法提升商品的转化率。而基于Leap Motion技术开发的交互式设备可以满足消费者远程多角度感知商品的需求，将视觉、听觉、动作等感知设备融入到展示空间的设计中，使消费者如同身临其境地试用商品，加深其对产品的了解。

基于Leap Motion 开发的三维体感交互商业展示空间，其原理是利用三维技术生成虚拟商业展示空间[4]，通过检测识别手势并追踪，提取手势特征，控制展示空间的表达信息。该类设备的应用，极大的提高了用户的体验感和感知度，使商业展示空间高效发挥作用[5]。Leap Motion 交互设备和商业空间的设计一共包括四个关键环节，首先是体感设备的手势识别与跟踪，其次是针对性的手势定义以及手势特征分析、手势特征的分类，第三部分是三维展示空间的设计和模型构建，第四部分是体感交互设备在三维商业展示空间的融合运用。具体设计流程图如图5所示。

图5 基于三维体感交互的商业展示空间设计技术路线

2.2 商业展示空间的搭建

2.2.1 搭建策略

商品的商业展示空间搭建需要基于商品的形态、特点、产业优势，以及消费者的心理联想、消费习惯以及潜意识对商品的需求。故需要运用情景体验模式进行商业空间的设计，突出商品的个性，引发消费者对个性的追求，创造出引人入胜的展示效果和交互体验，让消费者在展示空间内产生共情，加之运用艺术设计进一步引发情感共鸣，则达到了商业展示空间的搭建目标。详细搭建策略如图6所示。

图6 商业展示空间搭建策略

2.2.2 搭建步骤

采用3ds Max9 构建商业展示空间的三维模型，该模型能够完成放大、缩小与旋转等操作，建模完成后，运用oFusion导出商业展示空间模型文件，并运用OGRE渲染商业展示空间图形，实际操作流程如下：

（1）运用3ds Max9对商业展示空间进行建模，并给商业展示空间赋予材质；

（2）在商业展示空间模型中安装场景插件，并导出商业展示空间场景模型文件；

（3）配置并安装OGRE对商业展示空间场景模型文件进行渲染；

（4）基于VS2008构建Ogre Root并加载该资源文件；

（5）创建相机，完成商业展示空间的三维建模。

2.3 手势特征分析与模型构建

利用Leap Motion的手势信息构建商业展示空间中手势特征提取与识别模型，具体示意图如图7所示。

图7 手部平面图

图7中，C代表商业展示三维空间中手掌的中心位置；n代表与手掌平面相垂直并指向手掌内侧的法向量；h代表C指向手指尖位置的方向向量；Fi,i=1,…,5代表商业展示三维空间中识别到的手指尖位置。

基于上述手势跟踪模型就散手部数据特征，计算公式具体为：

式中，手指尖与手掌心之间的欧式距离由Di描述；S代表比例因子，通过式（2）计算获得：

归一化处理（除方向外）全部手部特征值，其方法是将手指尖与手掌心之间的三维距离除以比例因子S。

商业展示空间中三维坐标点与C、h之间的角度为Ai，具体计算公式为：

式中，代表手指尖在向量n上的投影位置。归一化处理的手指尖与手掌中心垂直距离由Ei描述，具体计算公式为：

将Leap Motion 提取的每个手势数据进行特征分析，将组成一个包括特征值D、A、E特征值的特征向量集V=(D,A,E)。

为进一步实现商业展示空间内的手势识别，需要采用支持向量机方法将特征向量集V依据手势库数据分为G类。

2.4 交互实现

基于Leap Motion 设备的体感参数收集，并且控制器追踪并记录手势数据，在3ds Max9创建的商业展示空间中，处理手势数据，并与预存手势库进行比对和匹配，匹配成功即可实现预定义的交互，实现并执行语义任务。图8为交互手势的实现框架。?

图8 交互手势实现框架

2.5 设计效果分析

2.5.1 交互效果展示

实验验证本文方法能够实现三维商业展示空间的缩放以及多角度旋转，图9、图10为上移和下移、前移和后移以及左移和右移对三维商业展示空间的控制。

图9 三维商业展示空间缩放实验结果

根据图9可见，手平放靠近Leap Motion控制器即可缩小三维商业展示空间，手平放远离Leap Motion 控制器即可缩小三维商业展示空间。

根据图10可见，手掌平放后左边高于右边即可实现三维商业展示空间的右旋，手掌平放后右边高于左边即可实现三维商业展示空间的左旋，手掌左右两边的高度相差越大，旋转角度越大。综上所述，本文方法能够使商业展示空间实现三维体感交互，增加用户的体验感。

2.5.2 交互实时分析

实验验证三维商业展示空间上移和下移、前移和后移以及左移和右移所需时间，具体如表2所示。

根据表2可见，三维商业展示空间状态变化所消耗的时间极少，不超过60ms，说明基于Leap Motion体感设备和控制器的手势控制方法反应迅速，延时性较低，灵敏度和实时性较好。

2.5.3 用户满意度调查

基于体感设备的商品展示空间在应用后，对用户进行了定向问卷调研，在易用度、有用度、体验感和使用意愿四个维度进行数据统计，计算各个维度的用户评价分数。描述统计结果见表3。通过表3 可以看出，用户对商品的在线展示给出了较高的使用评价，如满分5分的有用度、体验感和使用意愿均超过了4.6分，但是易用度还需要继续提高。

表3 满意度调查描述统计结果

3 结束语

本文采用Leap Motion技术实现三维体感交互商业展示空间的设计，主要通过Leap Motion 体感设备获取手势特征，并跟踪与识别手势特征，准确的识别用户的手势，完成相应的指示，增加用户的体验感。但是本文方法仍容易被瞬时重叠现象所影响，出现识别误差和一定延时的情况，因此还需进行更深入的研究，更好的获取手势识别效果。