Kinect--实现手势识别的三种基本的方法

      手势识别相对来说可以简单也可以很复杂，这取决与要识别的手势。有三种基本的方法可以用来识别手势：基于算法，基于神经网络和基于手势样本库。每一种方法都有其优缺点。开发者具体采用那种方法取决与待识别的手势、项目需求，开发时间以及开发水平。基于算法的手势识别相对简单容易实现，基于神经网络和手势样本库则有些复杂。

 

1 基于算法的手势识别

    算法是解决软件开发中几乎所有问题的最基本方法。使用算法的基本流程就是定义处理规则和条件，这些处理规则和条件必须符合处理结果的要求。在手势识别中，这种算法的结果要求是一个二值型对象，某一手势要么符合预定的手势要么不符合。使用算法来识别手势是最基本的方法，因为对于有一点编程能力的开发这来说，手势识别的代码易于理解，编写，维护和调试。

但是，最简单直接的方法也有其缺点。算法的简单性限制了其能识别到的手势的类别。对于挥手(wave)识别较好的算法不能够识别扔(throw)和摆(swing)动作。前者动作相对简单和规整，后者则更加细微且多变。可能能够写一个识别摆动(swing)的算法，但是代码可能比较费解和脆弱。

    算法还有一个内在的扩展性问题。虽然一些代码可以重用，但是每一种手势必须使用定制的算法来进行识别。随着新的手势识别算法加入类库，类库的大小会迅速增加。这就对程序的性能产生影响，因为需要使用很多算法来对某一个手势进行识别以判断该手势的类型。

最后，每一个手势识别算法需要不同的参数，例如时间间隔和阈值。尤其是在依据流程识别特定的手势的时候这一点显得尤其明显。开发者需要不断测试和实验以为每一种算法确定合适的参数值。这本身是一个有挑战也很乏味的工作。然而每一种手势的识别有着自己特殊的问题。

2 基于神经网络的手势识别

    当用户在做手势时，手势的形式并不总是足够清晰到能够判断用户的意图。例如跳跃手势，跳跃手势就是用户短暂的跳起来，脚离开地面。这个定义不能够提供足够的信息来识别这一动作。

    咋一看，这个动作似乎足够简单，使得可以使用算法来进行识别。首先，考虑到有很多种不同形式的跳跃：基本跳跃（basic jumping）、 跨栏(hurdling)、 跳远(long jumping)、 跳跃(hopping)，等等。但是这里有一个大的问题就是，由于受到Kinect视场区域的限制，不可能总是能够探测到地板的位置，这使得脚部何时离开地板很难确定。想象一下，用户在膝盖到下蹲点处弯下，然后跳起来。手势识别引擎应该认为这是一个手势还是多个手势：下蹲或 下蹲跳起或者是跳起？如果用户在蹲下的时间和跳跃的时间相比过长，那么这一手势可能应被识别为下蹲而不是跳跃。

    看到这些，最开始对跳跃的定义就会变得模糊。这一姿势很难定义清楚，使得不能够通过定义一些算法来进行识别，同时这些算法由于需要定义过多的规则和条件而变得难以管理和不稳定。使用对或错的二值策略来识别用户手势的算法太简单和不够健壮，不能够很好的识别出类似跳跃，下蹲等动作。

    神经网络的组织和判断是基于统计和概率的，因此使得像识别手势这些过程变得容易控制。基于什么网络的手势识别引擎对于下蹲然后跳跃动作，80%的概率判断为跳跃，10%会判定为下蹲。

    除了能够识别复杂和精细的手势，神经网络方法还能解决基于算法手势识别存在的扩展性问题。神经网络包含很多神经元，每一个神经元是一个好的算法，能够用来判断手势的细微部分的运动。在神经网络中，许多手势可以共享神经元。但是每一中手势识别有着独特的神经元的组合。而且，神经元具有高效的数据结构来处理信息。这使得在识别手势时具有很高的效率。

    使用基于神经网络进行手势识别的缺点是方法本身复杂。虽然神经网络以及在计算机科学中对其的应用已经有了好几十年，建立一个好的神经网络对于大多数程序员来说还是有一些困难的。大多数开发者可能对数据结构中的图和树比较熟悉，而对神经网络中尺度和模糊逻辑的实现可能一点都不了解。这种缺乏建立神经网络的经验是一个巨大的困难，即使能够成功的构建一个神经网络，程序的调试相当困难。

    和基于算法的方法相比，神经网络依赖大量的参数来能得到精确的结果。参数的个数随着神经元的个数增长。每一个神经元可以用来识别多个手势，每一个神经远的参数的变化都会影响其他节点的识别结果。配置和调整这些参数是一项艺术，需要经验，并没有特定的规则可循。然而，当神经网络配对机器学习过程中手动调整参数，随着时间的推移，系统的识别精度会随之提高。

3 基于样本的识别

基于样本或者基于模版的手势识别系统能够将人的手势和已知的手势相匹配。用户的手势在模板库中已经规范化了，使得能够用来计算手势的匹配精度。有两种样本识别方法，一种是存储一系列的点，另一种方法是使用类似的Kinect SDK中的骨骼追踪系统。在后面的那个方法中，系统中包含一系列骨骼数据和景深帧数据，能够使用统计方法对产生的影像帧数据进行匹配以识别出已知的帧数据来。

这种手势识别方法高度依赖于机器学习。识别引擎会记录，处理，和重用当前帧数据，所以随着时间的推移，手势识别精度会逐步提高。系统能够更好的识别出你想要表达的具体手势。这种方法能够比较容易的识别出新的手势，而且较其他两种方法能够更好的处理比较复杂的手势。但是建立这样一个系统也不容易。首先，系统依赖于大量的样本数据。数据越多，识别精度越高。所以系统需要大量的存储资源和CPU时间的来进行查找和匹配。其次系统需要不同高度，不同胖瘦，不同穿着（穿着会影响景深数据提取身体轮廓）的样本来进行某一个手势。