什么是手势输入设备

㈠ 什么是输入设备、输出设备有哪些

输入设备：输入设备（Input
Device）是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。
输入设备主要包括：键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置（麦克风）等。
输出设备：输出设备（Output
Device）是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等，也用于把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。
输出设备主要包括：显示器、打印机、绘图仪、音响、磁记录设备等。

㈡ 手势输入方式的手势识别的原理

手势是指在人的意识支配下,人手作出的各类动作,如手指弯曲、伸展和手在空间的运动等,可以是
收稿日期: 2000 - 05 - 15
基金项目: 行业基金项目(院编96311)
作者简介: 曾芬芳(1940 - ) ,女,湖南益阳人,华东船舶工业学院教授。
执行某项任务,也可以是与人的交流,以表达某种含义或意图。基于手势识别的三维交互输入技术,常
用的有基于数据手套的和基于视觉(如摄象机) 的手势识别。
人手有20 多个关节,其手势十分复杂,在VR(Virtual Reality) 中的交互过程,需分析手势的形成并
识别其含义。如用户以自然方式抓取环境中的物体,同时还可以对用户产生相关的感知反馈,如对具有
力反馈的手套,就能使人感知到抓取的物体的重量,对有触觉反馈的手套,能感知到用户所碰到的物体
的质感,如毛毯有多粗糙等。所以计算机要能对人手运动的灵活、复杂的手势进行识别是一项艰难而又
十分有意义的任务。
手势的分类早在40 年代,心理学家Quek[7 ] . ,Pavlovic[8 ]等人从人机接口的角度对手势进行研究,
按其功能分为:
手的运动
无意识的手运动
有意识的手运动(手势
交流手势
表动作
表符号(手语)
引用手语(如表示数字)
情态手势
执行任务(如抓握锤) 手势不但由骨胳肌肉驱动,而且还受人的信念、意识的驱使,它涉及到人的思维活动的高级行为。
人机交互的研究目的之一是使机器对人类用户更方便,从用户产生手势到系统“感知”手势的过程[9 ]如
图1 所示。
图1 系统“感知”手势的过程
Fig. 1 Process of sensing gesture by the system
手的运动,是手势的表现形式。用户的操作
意图是用户要完成任务的内容, 即用户心理活
动(概念手势) G ,经过运动控制(变换) ,用手势
运动H 表达。由经感受设备(变换Thi) 将手的
运动H 变换为系统的输入信息I ,所以从G到I
的映射过程为:
Tgh : G → H , 即H > Tgh ( G)
Thi : H → I , 即I > Thi ( H)
Tgi : G → I , 即I > Thi ( Tgh ( G) ) > Tgi ( G)
其中, Tgh 为人体运动控制传送函数; Thi为输入设备传送函数。
手势识别的任务就是从系统输入I 推断、确定用户意图G ,显然是以上映射的逆过程。即
G = T- 1
gi ( I) ( 1 )
H = T- 1
hi ( I) ( 2 )
G = T- 1
gh ( H) ( 3 )
其中, T- 1
gi , T- 1
hi , T- 1
gh 是Tgi , Thi , Tgh 的逆变换。
所以手势识别可以采用H = T- 1
hi ( I) 时输入信息I ,得到手的运动H ,再由G = T- 1
gh ( H) 手势的表
示推断用户手势的概念意图,也可直接从G = T- 1
gi ( I) 求得概念手势G。
手势识别分为静态手势和动态手势的识别,目前的研究大都是在线静态手势识别,如Lee 研究的就
是静态孤立手势[10 ] 。动态手势识别难度大,一般采用关键帧方法,记录每个手势的始和终状态及手势的
运动轨迹,然后用内插算法重建帧,但仍需给予限制,如Davis研究的动态手势识别就规定开始时手必须
朝上等。 手势的语法信息是通过手的构形、手的运动变化来传递。为了
给用户提供必要的视觉反馈信息, 使其在交互过程中看到自己的手
(图2 是用3DSMAX 绘制) ,同时也为了分析交互过程中手和虚拟对
象之间的相互作用关系,必须建立手几何模型和运动学模型。 人手是一个多肢节系统, 由27 块骨骼组成, 可看成由4 个相邻
手指、一个大拇指和手掌组成, 每个手指由指段和关节组成。因此手
是一种由关节相连的结构, 随着关节运动, 手的形状在不断变化。这
种变化可以通过指段和关节的状态空间位置的变化来描述[11 ] 。
每一个手指( Ⅱ - Ⅴ) 具有四个自由度,其中手指的
基部(MP) 有两个自由度,弯曲和旋转,手指的中间关节处(PIP)
和末端关节处(DIP) 分别各有一个自由度,主要是弯曲运动。大拇
指除了与其他四个手指一样具有四个自由度外, 还有一个外展运
动,所以大拇指具有五个自由度(拇指和手掌之间的一节也可不考
虑) 。外加手掌的前后左右运动二个自由度。所以手运动总共具有
23 个自由度,即状态空间为23 维。
从上述的分析可知,除大拇指外每个手指都具有四个自由度,
从而可以建立一条链,以协调手指的机构及运动。整个手可以以手掌为基础链接五个手指( Ⅰ - Ⅴ) ,在
指段MP 上链接指段PIP ,再链接指段DIP ,每条链可以获取四个参数。从而五个手指以手掌为根节点构
成一个树型结构,树中的每一个节点代表一个关节,关节通过指段具有相互关联的运动特性。
212 手势的输入
手势的输入是实现手势交互的前提。它要求能够有效地跟踪手的运动, 又要方便用户手的运动, 既
要求准确确定手的位置、方位、手指弯曲角度,又要求对手的运动限制很少。就目前而言, 手势的输入有
基于数据手套的和基于视觉(摄象机) 等两种方式。
21211 基于数据手套的手势输入
基于数据手套的手势输入[12 ] ,是根据戴在手上的具有位置跟踪器的数据手套利用光纤直接测量手
指弯曲和手的位置来实现手势输入的。本文使用5DT 公司生产的不带位置跟踪器的5th Glove 右手数据
手套,每个手指中间关节有一个传感器用于测量手指的平均屈伸度,在手腕部位还有一个2 轴倾斜传感
器测量手的转动(绕Z 轴旋转) 和倾斜(绕X 轴旋转) 两个角度,以探测手的上下摆动和旋转。该手套共
带有七个传感器,因此同一时刻只能读出七个角度值。5th Glove 还提供命令、报告数据、连续数据、模拟
鼠标等工作方式,可定义一指、二指和三指( Z 轴) 等手势来控制虚拟手的飞行、视点、运动速度等。
5th Glove 数据手套通过串行接口与微机连接在一起,以传送手运动信号,从而控制手动作。它能将
用户手的姿势(手势) 转化为计算机可读的数据, 因而使手去抓取或推动虚拟物体。人手在运动过程中
会碰撞物体,所以在系统中,虚拟手的交互操作除了实现抓取和释放物体等功能外, 还需实现了碰撞的
检测。
21212 基于视觉的手势输入
基于视觉的手势输入是采用摄象机捕获手势图象,再利用计算机视觉技术对捕获的图象进行分析,
提取手势图象特征,从而实现手势的输入。这种方法使用户手的运动受限制较少,同时用户还可以直接
看到手的图象。基于视觉的输入所输入的原始数据是手的图象,采用重建三维模型来构建手势图象,调
节模型参数如手指弯曲角度的夹角等,以合成手的三维图形。根据手生成的图形和已获得的手图象匹
配,所得到的模型参数就构成了手势。1995 年,Lee J intae 和Kunii Tosiyasv l. 研究用立体图像数据自动
分析三维手势[4 ] 。它用摄像机拍摄手的运动图像,使用轮廓提取边界特征进行识别的方法,成功地提
取27 个交互作用手参数,实现了三维手势的重构。其实早在1981 年, Kroeger 采用两个摄象机实现了
一个获取手势的系统,它通过用户的手在与鼠标垫一般大小的“镜象盒”的3D 空间中来完成交互。两
个镜子被放在大约与前平面成45 度角的位置上,两个镜子代替单个镜子产生了一个虚拟视点,加上两
垂直平面上的两个摄象机共三个视点相交成直角,以提供给用户一个确定的工作空间,在这个空间内允
许用户与计算机交互。

㈢ 什么叫输出设备和输入设备

1. 微型计算机的组成有多种维度的分类方法，可以按照硬件、软件进行区分，也可以按照题目中说法分为输入设备、输出设备。

2. 输入设备（Input Device）指的是向计算机输入数据和信息的设备。通常包括如下类别的设备：键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置、体感设备。

3. 输出设备（Output Device）指的是用来接收计算机数据的输出的数据和信息的设备。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等，VR设备也属于输出设备的一种。