Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・电子技术 基于Ｋｉｎｅｃｔ传感器的姿态识别及应用研究 为了实现远程遥控机器人， 提出了一种姿态识别的方法。利 用Ｋｉｎｅｃｔ传感器来获取景深数据， 并通过计算标定来确定人体的２Ｏ 个关节点。通过对四个姿态在三 维空问中的坐标变换，用欧氏距 离来计算关节点之间的不同角度 与距离。识别结果表明用此方法 进行姿态识别操作简单方便，平 均识别的正确率可达９３％。 关键词】遥控机器人姿态识别ｉｎｅｃｔ欧氏 离 引言 随着信息化的不断发展，人机交互＿】］己 成为２１世纪人类研究的重点。而随着研究 不断深入，人们已经开始把视线从计算机转 到人的身上，即人通过手势，姿态等方式 卖现交互。最早期的设各是人带上数据手 】，计算机通过它获取手的位置及动作。之 就是在手上做标记，通过标记来识别 ］。现 人们已经把重点放在了自然的人身上，即不 吐ｌ任何设备，不做任何标定直接识别人的姿 功作。姿态识别在快速发展的今天有着很重 拘地位，本文提出一种利用Ｋｉｎｅｃｔ来进行 态识别的方法，该方法只需要操作者站在 ａｅｃｔ前面做出相应的动作即可进行识别，识 拘＿准确率高。 骨骼信息的获取 【姿态识别 姿态是指人整个身体的运动或者身体某 个部位的运动 】。近几年，计算机输入设备 锃的越来越迅速，其中以微软的一款Ｋｉｎｅｃｔ 惑外设尤为突出。随着开源代码的出现，人 可以在Ｋｉｎｅｃｔ平台进行研究开发，现如今， 致育界、商务界、医疗界、计算机应用和机 人视觉控制等方面都有很大的成果 １。文中 黾利用Ｋｉｎｅｃｔ来进行姿态识别的。Ｋｉｎｅｃｔ一 百三个摄像头，左右两边的深度摄像头，左 是红外线发射器，右侧的是红外线接收器。 旬的是彩色摄像头。当人们站在Ｋｉｎｅｃｔ面 故出各种动作时，计算机会与之进行交互， 方式不用佩戴任何设备，操作简单【６】。 骨骼信息的获取 首先利用Ｋｉｎｅｃｔ获取彩色图像，该图像 勾清晰，但是该图像只是二维的，而深度图 文／符秀辉 。杜一鸣 ＡＩ（ｘｌ，ｙ１ ｚ１） ｃｌ 图１：举起左手 图２：举起右手 表１ 姿态 识别次数 识别错误次数 识别率％ 举起左手 ２０ ｌ ９５ 举起右手 ２０ Ｏ １０Ｏ 左手前伸 ２０ ２ ９０ 右手前伸 ２０ ２ ９０ 像中包含三维信息。虽然深度图的分辨率比彩 直关系，再加上左腕关节，就形成了一个在三 色图低，但Ｋｉｎｅｃｔ会通过对它的计算推测出 维坐标内的一个三角形。该三角形三边关系与 深度位并进行记录标定，来辨别人体的各个部 在左肘处的角度为： 位，再从图像背景中分离，识别人体的２０个 ＝，／ｌ（ｘ２一ｘ，ｙ＋ 一ｎ ＋ －－Ｚ Ｊ 关节点，最后对骨骼点进行跟踪。当人站在 ｂｌ＝√ －ｘ３）２＋ 一ｙ， ＋（ 一ｚ ） Ｊ Ｋｉｎｅｃｔ面前时，通过处理景深数据来建立人体 各个关节的坐标【９］。骨骼点位置用坐标（ｘ，ｙ，ｚ） ＣＩ；√ ． ｒ＋ —Ｙ２ ＋ Ｚ２ 】 表示，其坐标系是这样设计的：Ｋｉｎｅｃｔ的红外 ＋０ ＾ 摄像头中心为坐标原点，ｚ轴表示红外摄像头 一 — 举起右手的姿态与举 光轴，Ｙ轴正半轴垂直向上，ｘ正半轴向左。 起左手类似，如图２ ａ ＝，／ｔ（ｘ２一 ｒ＋ ｒ＋（２：＿ｚＩ Ｊ ３算法实现 ＝√ ．－ｘ３）２＋ 一ｎ ＋（ｚ． ｒｊ 对人体的姿态识别主要是对骨骼点之间 ｃ２＝√ 。一 ＋ 。一 ： ＋（ｚ．一ｚ ） Ｊ 的角度与距离进行判别。当达到一定的角度与 且： ｓ ： 鱼：＝ ： ‘ ２ａ２Ｃ２ 距离时就认为达到该姿态标准，系统就会处理 判断左手前伸和右手前伸的姿态，此时 并识别。 肩、肘、腕三点成一条直线且与地面平行，为 计算机形成的骨骼图是按顺序连线各个 １８０度。 关节点而形成的，这样关节线之间会有角度， 举起左手与右手时，为了判断该姿态是 关节点之间会有距离，通过计算该角度与距离 否为有效姿态，需要判断以肘部为顶点所形成 来进行识别。主要是利用欧氏距离 与余弦 的角的角度。由于实际操作中不能达到完全垂 定理来实现的。 直，所以只要误差在有效范围内是被允许的。 欧氏距离是指在ｍ维空间中两个点之间 设定有效范围为正负１Ｏ度，那么ｌＯ就是阈值。 的真实距离 在三维空间中，两点之间的距离 还要判断肩肘连线是否与地面平行，阈值仍为 为 一 ｄ ：√ 一０ ＋ 一乃 ＋ 一 Ｊ ｌ０。当满足以上两个条件时，该姿态可被识别 ［１１】。 ｉ，Ｊ＝Ｏ，ｌ，２…ｎ 左手前伸与右手前伸时，标准动作应该 想要判定举起左手的姿态，主要用到的 是肩，肘，腕三点在一条直线上，且与地面平 关节点有左肩、左肘和左腕。只要判定这三个 行，阈值为１０，再判断肘腕连线是否与地面 关节点之间的角度与距离在一定的闽值范围内 平行，阈值仍为１Ｏ。当满足以上两个条件时， 就算成功。图ｌ为举起左手时的姿态关节图。 当举起左手时，左肩与左肘的连线与地 面平行，肩肘的连线与肘腕的连线尽量满足垂 ＜＜下转１５８页 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・１５７ 电子技术・Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡｍｉｇｏＢｏｔ机器人拦截控制方法实现 文／王荣花冯树林 截等。 （ｌ后十１）ｌ Ｉ ｘ（．ｊ｝）＋ｖ（ｋ）ＴｃｏｓＯ（ｋ＋１）Ｉ 本文采用纯比例导航算法， 设计控制策略实现拦截控制。 针对移动机器人平台，用一台 本地计算机作为控制器，和两台 ＡｍｉｇｏＢｏｔ机器人组成一个无线局 域网，基于无线通信方式传输数 据，从而实现对机器人的远程控 制。文中通过分别给出机器人运 动数学模型和位姿误差模型，利 轨迹跟踪问题一直受到关注，有许多相 关研究方法：逆推控制方法比较典型，此外， ｌ （七十１）ｊ ｌ ８（盘）＋ｗ（ ）ｒ ｊ ㈩ 其中［ｘ（ｋ），ｙ（ｋ），ｅ（ｋ）］ 为机器人ｋ时刻的 由于机器人存在非完整性约束，滑模控制方法 也是应用广泛的方法。 对于机器人拦截问题，主要的研究方法： 利用几何规则与运动方程相结合设计控制策 略；基于视觉利用圆形导航算法实现拦截等。 文献［３］利用纯比例导航算法，实现了在无线 传感器网络中对运动目标跟踪和拦截的理论模 型分析。 用给定的控制策略实现拦截。仿 真结果验证了给定控制策略的有 效性。 本文研究工作是基于文献［３］中的纯比例 【关键词】纯比例导航拦截ＡｍｉｇｏＢｏｔ移动 机器人远程控制 ［ｘ （ｋ），Ｙ。（ｋ），０。（ｋ）］ 和［ｘ ｋ），ｙｆ（ｋ），０ ｋ）ｒＩ二 者的位姿误差表示为【ｘＸｋ），ｙｏ（ｋ），０ （ｋ）ｒ。基于 导航算法设计控制策略，实现拦截控制。 ２移动机器人动态模型 ２．１机器人模型 『ｘｏ（ｋ）］ｒｃｏｓｅｌ（ｋ）ｓｉｎＯｆ（ｋ）０］ ＩｌＹ （ｃ（ｋ ）ｊＩ ｌ＝Ｉ ｓ ０ｉｎ０ｆ （ｋ）ＣＯＳＯ０ｄｋ ｌ）０ ｊＩ １引言 近年来，典型的机器人学研究工作包括 可控性、路径规划、队形控制、轨迹跟踪和拦 二维ｘ．Ｙ平面坐标系下，机器人运动模 型数学表达式为： １ （ ）ｙ ”１ Ｏｆ（ｋ）Ｊ －ｙｌ（ｋ）、一（２） … ＜＜上接１５７页 该姿态被识别。 ５结束语 本文利用欧氏距离与余弦定理，通过计算 不同关节点之间的夹角与距离，使Ｋｉｎｅｃｔ识 别四种不同的姿态。解决了传统状态下通过设 ［５］朱涛，金国栋，芦利斌．基于Ｋｉｎｅｃｔ 应用概述及发展前景…．现代计算 机，２０１ ３，０２：０８—１１． ４应用实践 ４．１实验与测试 ［６】沈世宏，李蔚清．基于Ｋｉｎｅｃｔ的体感手 势识别系统的研究［Ｃ］／／第八届全国和 谐人机环境联合学术会议．中国广东广 州，２ ０１２． 为了识别姿态动作，在室内搭建了基于 备来识别的方法，提高了识别率，简化了识别 Ｋｉｎｅｃｔ的实验平台，在ＶＳ２０１０的环境下，结 方式。该结果应用前景广泛，有很大的研究价 值。 合微软的应用平台所实现的。 为了验证实验的准确性，选取了２Ｏ人 分别进行以上四个动作的测试，测试者距离 参考文献 Ｋｉｎｅｃｔ的距离大概在１．５米左右，这是最佳距 ［１］Ｌｉｙｉｎｇ Ｃｈｅｎｇ，Ｏｉ Ｓｕｎ，Ｈａｎ Ｓｕ．Ｄｅｓ ｉｇｎ 离。测试结果如表１所示。 ａｎｄ Ｉｍｐ１ ｅｍｅｎｔａｔ ｉｏｎ ｏｆ Ｈｕｍａｎ—Ｒｏｂｏｔ Ｉｎｔｅ ｒａｃｔｉ ｖｅ Ｄｅｍｏｎ Ｓｔ ｒａｔｉｏｎ Ｓｙ ｓｔｅｍ 【７］樊景超，周国民．基于Ｋｉｆｌｅｅｔ骨骼追踪 技术的手势识别研究…．安徽农业科 学，２０１４，４２（１１）：３４４４－３４４６． ［８］刘相滨，邹业骥，王胜春．一种新的完全 欧氏距离变换算法［Ｊ】．计算机工程与应 用，２００５，１ ３：４４—４Ｓ． 从测试结果中可以看出，该方法对姿态 有较高的识别率。 ４．２应用研究 Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｋｉｎｅｃｔ［Ｃ］／／Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｏｎｔｒｏ１ ａｎｄ Ｄｅｃｉ Ｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２ Ｏ１２；９７１— ９７５． ［９］谢亮，廖宏建，杨玉宝．基于Ｋｉｎｅｃｔ的 姿态识别与应用研究［¨．计算机技术与 发展，２００５ ２ ３（５）：２５８－２６０． ［１０】张荻．Ｋｉｎｅｃｔ应用领域的探讨［Ｊ］．物流 该姿态识别可用于控制机器人运动，举 ［２］ＭＥＥＮＡＫＳＨＩ Ｐ．Ｈａｎｄ ｇｅｓｔｕｒｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ Ｏ ｎ ｓ ｈ ａ Ｐ ｅ Ｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅｔ ｅ ｒ ｓ 起左手和右手的姿态分别控制机器人向左向右 运动，左右手前伸分别用来控制前进与停止。 该移动机器人可以用在灾难现场的救援，可以 用于清洁工作的控制。计算机方面可以用姿态 虚拟键盘鼠标控制浏览器等。在医疗方面医生 可以体感控制手术。在教育界，可以手势控 技术，２Ｏ１ ２，３４（６）：３９－４１． ［Ｃ】．ＣＯｍＰＵｔ ｉｎｇ，ＣＯｍｍｕｎｉ Ｃ ａｔ ｉ Ｏｎ ａｎｄ ＡＰＰ１ ｉ Ｃ ａ ｔ ｉ Ｏｎ ｓ（Ｉ ＣＣＣｈ）， ２ ０１ ２ Ｉｎｔｅｒｎａｔ ｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ．２Ｏ１２． 作者单位 １．沈阳化工大学信息工程学院市１１ Ｏ１４２ 辽宁省沈阳 辽宁省沈 ［３】胡友树．手势识别技术综述［Ｊ】．科技论 坛，２Ｏ０５．２：４１—４２． ２．中国科学院沈阳自动化研究所阳市１１００１６ 制ＰＰＴ的播放。商务界可以用来虚拟穿衣镜 ＿ｌ２】 ［４］黄国范，亚．人体动作姿态识别综述［Ｊ】． 电脑知识与技术，２０１ ３，９（０１）：１ ３３－１ ３５． １５８・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ