动作感应原理

　　动作感应技术新的革命

　　（2020-02-08）河南郑州科技市场IT产品配送网-郑州电脑手机测评中心

　　一、 一手掌握，动作感应风起云涌

　　作为动作感应技术的鼻祖，任天堂Wii为游戏软硬件技术带来了新的革命，其遥控器的控制系统采用蓝牙技术和主机相连，内部带有动态感应功能，可以侦测到控制器的方位变化，结合控制器上的其他按键从而实现Wii的独特操控方式。

　　在任天堂Wii取得成功之后，无论是手机厂商还是PC厂商对该技术的关注度皆大大提高，并纷纷推出了一些各具特色的技术，例如iPhone手机具备的动作感应器技术。而随着类似技术的普及应用，很多手机都已具备可通过调整手机的机身水平垂直位置来切换图片显示方式等简单的动作感应技术。

　　而在PC领域，一些前沿厂商也纷纷研发应用这类技术。例如华硕、宏碁、联想、惠普等厂商都在其产品中尝试应用这样的动作感应“手柄”。以华硕推出的Eee Stick动作感应控制器为例，其Eee Stick是一款可较完美实现手部动作控制电脑操控的外接设备，它的无线接入的模式让使用者在玩游戏的时候享受完全的行动自由，其具备运动、指向和倾斜三种模式，使得该设备可适用于几乎任何类型的游戏。可作为一个3D鼠标使用，具备常用记忆模式，玩家可以调整控制器的设置，从而适应个人的游戏风格。

　　二、 忘掉鼠标，不用手柄也能感应

　　以前的动作感应技术与设备的弊端在于，用户需要手握手柄，在空中挥舞，才可进行虚拟的网球、飞行、赛车等游戏。而随着SONY和微软在近期纷纷宣布推出全身动作感应操控系统，可完全摆脱手动摇杆限制的技术，让很多读者眼前一亮。

　　SONY这种全新的动作感应控制技术无需专用的手柄控制器，而是可以将现实生活中的任何物体拿来控制游戏，如咖啡杯、书本等任何物体都能成为控制器使用。玩家只需手持物体在摄像头前转动，摄像头就会自动扫描并将物体的形状以及动作数据保存下来。

　　三、 无拘无束，Natal技术“探秘”

　　而微软的技术比SONY的更先进一步，其推出针对XBOX 360游戏机的Project Natal（纳塔尔计划）就是一套全身动作感应操控系统，能够让玩家透过摄影头捕捉身体的动作，进而将数据传进XBOX里面处理，转换成输入指令，操控者就可以操作屏幕当中的窗口进行游戏。使用该系统进行游戏的玩家可完全摆脱手动摇杆的限制，以身体动作及话语来控制游戏。

　　Project Natal究竟是如何实现全身动作感应操控的呢？Project Natal系统由RGB摄像头、深度传感器、多阵列麦克风以及运行特定软件的可定制芯片组成。

　　《一》、深度传感器

　　深度传感器也是Project Natal的核心组成部分。Project Natal拥有一个配备了单色CMOS传感器的红外投影仪，允许Project Natal在任何光照条件下识别房间内的3D空间（而不是将房间作为一个2D图像来识别）。

　　其原理由于微软技术保密的原因没有透露，但我们可以通过3D扫描仪的原理来推敲其实现过程。大家知道，平面扫描仪的目的是识别和记录一个平面上的黑白或彩色的图案，建立一个平面坐标系，将这些图案以点阵方式排列在其中，输出或记录。而3D扫描仪是一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合3D非接触式测量技术，其是对一个空间物体的表面实行扫描，一般只识别记录物体表面的形状而不管其表面的颜色图案等，从而能建立一个3D立体坐标系，把对象物体表面各部分的点排列在这个坐标系里，输出或记录，从而能更精确的实现运动摄像互动操控。

　　而微软的该深度传感器系统则可能利用匹配技术、三角形测量原理，较精准解算出由RGB摄像机公共视区内像素点传回的3D坐标及“动作表情”。

　　《二》、RGB摄像头

　　微软首先收购了3DV公司的ZCam摄像系统，ZCam系统可以实现视频游戏、网页的操控，微软将这种源自PC方面的技术更进一步深化，设计出RGB摄像头来捕捉玩家的动作。

　　从技术原理上来看，目前实现三维数据的采集方式主要有三种方式：一是接触式，如三坐标测量；二是非接触式，如结构光法、激光三角法等；三是逐层扫描方法，如CT法和核磁共振法、自动断层扫描法等。ZCam的技术属于非接触式，与普通的只能记录2D平面影像的摄像头不同，Zcam摄影头的技术独特之处其是一个3D感应摄像头，其镜头旁边有一圈LED光源，会发射光波，其摄像头能侦测短暂时间片中的光脉冲变化以定位目标的位置和动作，其原理类似传统的雷达系统，不过以光波替代了无线电波，所以该技术能较精准的感受3D立体空间的相对位置变化。而且Zcam能及时计算每秒60fps的体感运算，不需要依赖主机的辅助，所以能让游戏主机专心计算画面效果，体感部分由摄影机来负责，这也是它的独到之处。

　　而RGB摄像头正是基于这样的原理，且一个RGB摄像头由三根不同的线缆分别传输三个基本彩色成分，用三个独立的CCD传感器来获取三种彩色信号，能采集更精确的彩色图像与3D图像。通过RGB摄像头可以更清楚地辨别反射回的动作及表情，所以对于Project Natal来说，通过RGB摄像头就可清楚地识别出操控者脸部乃至各种手势的动作，从而让深度传感器能更好的进行识别。

　　《三》．多阵列麦克风

　　Project Natal内置一个多阵列麦克风，通过声音来识别语音，并过滤环境噪音。为什么新一代动作感应系统不采用普通的单麦克风或双麦克风来去除噪声呢？这是因为由于实际环境噪声的复杂性，这两种系统均不能达到满意的消噪要求。

　　从技术原理上来看，阵列信号处理采用广义旁瓣对消思想，能够点对点的从声源位置获取较高品质的语音信号，同时抑制其他说话人的声音及环境噪声，具有很好的空间选择性。阵列麦克风通过对拾取的多路语音信号进行分析与处理，使阵列形成的波束主瓣对准目标，“零点”指向干扰源以抑制干扰信号，从而尽可能地获取目标语音。其中波束方向及波束主瓣宽度与麦克风的间距、数目、摆放位置、声源入射角及采样频率紧密相关。而波束的形成不仅可消除使用单个麦克风时需人工调节麦克风指向性问题，而且可以使输出语音的信噪比大幅度提高，获得高质量的语音。

　　阵列麦克风早已被广泛应用于机器人语音识别领域，而应用于PC、游戏机、游戏领域应是水到渠成，其能更精确的实现语音定位，通过阵列麦克风语音增强与语音识别相结合能更精确地“理解”指令，让未来的游戏机、PC成为真正全方位的人机交互娱乐系统。除此而外，定制芯片和定制软件也是该系统的核心。据微软介绍，定制芯片（运行有微软专利软件层）这一专利软件层“使得一切Project Natal的魔法得以成真，让Project Natal与目前市场上的任何其他技术都卓而不凡”。并且，随着微软及其他公司对这方面软硬件技术研发的不断深入，未来的游戏乃至影视将可能全面进入“真人扮演”时代，这完全有可能让您为此沉醉并欲罢不能。

　　微软已明确表示，Project Natal系统将成为XBOX游戏机和PC的佳选，“XBOX和Windows两个部门的技术人员都在进行相应技术测试”。而Project Natal系统一旦投入实用化，并不断完善，其将为未来的游戏世界、PC操控方式、娱乐方式、健身方式、硬件技术带来革命性的变化。Wii及其他动感控制技术的局限在于仅能用手控制，而Natal则让你的身体无所不为，无论是手、脚、躯体、头、口……“全身运动，齐身游戏，身临其境”将成为更真实的可能。

　　当然，Project Natal系统要想全面实用化，无论在相关软硬件上，还是游戏、影视支持上，都还有较长的路走。而且即使Project Natal成功，也不代表手持式动作感应技术的灭亡，这技术仍将在便携设备等领域发挥重要作用。并且影响一种新技术普及度的因素除了性能，还有成本和价格因素。当然，随着Project Natal的初露锋芒，相信包含任天堂、SONY在内的游戏公司，相关PC厂商、游戏厂商都会逐步加大对类似技术的研发力度，未来的动作感应技术必将因此更多彩。而近期，微软和SONY也正式宣布杀入动作感应这一体验领域。微软在E3上推出的名为Natal的全新动作感应游戏形式令业界兴奋，因为该方式用户不需游戏手柄，只需通过机器附带的摄像头、深度传感器、麦克风等设备，就能将用户的举手投足一一感知，从而实现全新的无手柄动作感应与操控体验。

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