Unity3D中使用Leap Motion进行手势控制

Leap Motion作为一款手势识别设备，相比于Kniect，长处在于准确度。

在我的毕业设计《场景漫游器》的开发中。Leap Motion的手势控制作为重要的一个环节。以此，谈谈开发中使用Leap Motion进行手势识别的实现方式以及须要注意的地方。

一、对Leap Motion的能力进行评估

在设定手势之前。我们必须知道Leap Motion能做到哪种程度，以免在设定方案之后发现非常难实现。

这个评估依靠实际对设备的使用体验。主要从三个方面：

1.Leap Motion提供的可视化的手势识别界面

2.SDK文档说明

3.Leap商店中的APP

基本能够的得出：

1.Leap Motion的识别对于水平方向或者以水平方向为基础手势可以较好的识别。

2.对于握拳或者垂直的行为识别会出现误差。这样的误差和详细的手势行为有关。

3.不应该过分依赖高准确度，Leap Motion能检測到毫米级别是没错的，可是有时候会把你伸直的手指识别成弯曲的。所以要做好最坏的打算。

二、实际的须要

移动、旋转、点击button、缩放和旋转物体、关闭程序、暂停，主要的功能需求是这样。

有一些原则：

1.同样环境下的手势应该接近和方便的转换。旋转和移动的之间的转换应该设计的非常自然。

2.手势避免冲突，手势过于相似不是什么好事。

比方三个伸直的手指和四个伸直的手指不应该被设计成两个手势。当然这不是绝对的。假设你进行一个缓慢的动作而且动作是面向Leap Motion的摄像头，这时候应该相信它。至少要针对这个手势做一个单独的測试。

三、考虑主要的数据结构和算法的轮廓

Leap Motion的SDK在第一部分的时候已经浏览过。最起码能知道Leap Motion能够包括的信息。从SDK看来这是非常丰富的，既然设计自己的手势，那么最好不要依赖于SKD开发包的炫酷的手势。非常可能，这些手势仅仅是官方用来演示或者炫耀的。自己设计手势的基本数据结构也有另外的优点，比方更换了体感设备，可是功能是相似的。这时候仅仅须要更改获取数据的方式就能够了（从一个SDK更换到还有一个SDK），而不要改动算法。

算法的轮廓与基本数据有非常大的关系。所以数据结构一定要尽量的精简而且同意改动（可能某个算法占领了决定性因素，可是開始没考虑到）。

public class HandAndFingersPoint : MonoBehaviour 
{
	const int BUFFER_MAX=5;
	Controller m_LeapCtrl;

    <span style="white-space:pre">	</span>public E_HandInAboveView m_AboveView = E_HandInAboveView.None;
    
	//手指-数据 ,[0]表示左手，[1]表示右手
	private Dictionary<Finger.FingerType,FingerData>[] m_FingerDatas = new Dictionary<Finger.FingerType, FingerData>[2];
	//buffer,[0]表示左手，[1]表示右手,[,n](n属于0,3。表示第n次缓存)
	private Dictionary<Finger.FingerType,FingerData>[,] m_FingerDatasBuffer=new Dictionary<Finger.FingerType, FingerData>[2,BUFFER_MAX];
	private int m_CurBufIndex=0;
	//palm 0：左手 和1：右手
	private PointData[] m_PalmDatas = new PointData[2];
	
	private readonly PointData m_DefaultPointData = new PointData(Vector.Zero, Vector.Zero);
        private readonly FingerData m_DefaultFingerData = new FingerData(Vector.Zero,Vector.Zero,Vector.Zero);

HandAndFingersPoint类中剩下的部分是对数据的填充、清除、刷新等方法。E_HandInAboveView记录哪仅仅手先进入Leap Motion的视野。用于设定优先级。
另外两个主要的数据结构PointData和FingerData：

//一个手指的数据包括一个指尖点数据和手指根骨的位置数据
public struct FingerData
{
    public PointData m_Point;//指尖的位置和指向
    public Vector m_Position;//手指根骨的位置,对于拇指来说是Proximal phalanges近端指骨的位置

    public FingerData(PointData pointData, Vector pos)
    {
        m_Point = pointData;
        m_Position = pos;
    }

    public FingerData(Vector pointPos, Vector pointDir, Vector pos)
    {
        m_Point.m_Position = pointPos;
        m_Point.m_Direction = pointDir;
        m_Position = pos;
    }

    public void Set(FingerData fd)
    {
	m_Point = fd.m_Point;
	m_Position = fd.m_Position;
    }
}
//一个点的数据，包括方向和位置
public struct PointData
{
    public Vector m_Position;//位置
    public Vector m_Direction;//方向

	public PointData(Vector pos,Vector dir)
	{
		m_Position = pos;
		m_Direction = dir;
	}

	public void Set(PointData pd)
	{
		m_Position = pd.m_Position;
		m_Direction = pd.m_Direction;
	}

	public void Set(Vector pos,Vector dir)
	{
		m_Position = pos;
		m_Direction = dir;
	}
}

//先被看到的手
public enum E_HandInAboveView
{
    None,
    Left,
    Right
}

基本数据定义好之后，最好确认数据的填充是没问题的。实际通过Frame frame = Leap.Controller.Frame();来获取最新的数据。

这时候并不急着写完和基本数据相关的方法。如今终于要的是手势算法的合理性。要推断是否合理，最好先写一个算法。

最简单的是伸掌手势，在控制中水平的伸掌用于漫游，垂直的伸掌用于暂停。我发现手掌依赖于手指，而手指包含两个状态——伸直和弯曲。

另外，其它的手势，也都是手指的伸直或者弯曲，外加方向的判定累积出各种效果。理所当然的，应该单独写出手指的弯曲和伸直判定算法：

/// <summary>
/// 该方法提供对于单个手指匹配的算法，如伸直。弯曲
/// 以后可能的改变：对于不同的场景可能要求有所不同。这里的阈值或许会随之改变
/// </summary>
public class FingerMatch
{
	//弯曲状态的角度阈值
	static readonly float FingerBendState_Radian = Mathf.PI*4f / 18 ;//40度
	//伸直状态的角度阈值
	static readonly float FingerStrightState_Radian = Mathf.PI/12;//15度

	/// <summary>
	/// 手指伸直的状态,当根骨-指尖的方向和指向的偏差小于阀值时，判定手指为伸直状态。
	/// 注意无效的方向为零向量。先判定是零向量
	/// </summary>
	/// <param name="adjustBorder">对阈值做的微调</param>
	/// <returns></returns>
	public static bool StrightState(FingerData fingerData, float adjustBorder=0f)
	{
		bool isStright =false;
		Vector disalDir = fingerData.m_Point.m_Direction;
		//假设指尖方向为0向量，表示无效的数据
		if (!disalDir.Equals(Vector.Zero)) 
		{
			Vector fingerDir = fingerData.m_Point.m_Position - fingerData.m_Position;//指尖位置减去指根位置，由指根指向指尖的向量	        
			float radian = fingerDir.AngleTo(disalDir);
			
			if (radian < FingerStrightState_Radian + adjustBorder)
			{
				isStright = true;
			}
		}
		return isStright;
	}

	/// <summary>
	/// 推断一根手指是否处于弯曲状态
	/// </summary>
	/// <param name="fingerData">须要判定的手指数据</param>
	/// <param name="bandBorder">弯曲的阈值</param>
	/// <returns></returns>
	public static bool BendState(FingerData fingerData, float adjustBorder=0f)//,out float eulerAugle)
	{
		bool isBend = false;

		//eulerAugle = -1f;
		Vector disalDir = fingerData.m_Point.m_Direction;
		if( !disalDir.Equals(Vector.Zero) )
		{
			Vector fingerDir = fingerData.m_Point.m_Position - fingerData.m_Position;//指尖位置减去指根位置，指跟到指尖的向量

			float radian = fingerDir.AngleTo(disalDir);
			//eulerAugle = radian*180/Mathf.PI;	
			//夹角超过定义的阈值时，认定为弯曲状态
			if (radian > FingerBendState_Radian + adjustBorder)
			{
				isBend = true;
			}
		}

		return isBend;
	}

}

上面包括了一个重要的概念——阈值。它是描写叙述究竟何种程度算是伸直，何种程度算是弯曲。阈值的确定是须要实际測试来决定的。

写到这里也是时候进行一次简单的測试了，毕竟算法的轮廓已经确定。我甚至没写出手掌伸直的判定算法。就确定是可行的。

基本数据结构相关的操作——HandAndFingersPoint类：源码GitHub链接

该类使用基本数据。在Unity Editor中执行会展示了一个手掌的轮廓，蓝色表示手指的方向。红色表示手指骨根到掌心和指尖的连线，黄色表示掌心到指尖的连线：

四、手势实现中简要的概括

其它代码都能够在我的GitHub:Leap Motion In Unity3D仓库中获取。在手势的实现中，也包括了一些小的技巧。比方对于动作的匹配要防止手指的颤抖引起的误差。採用离散的数据取样——每隔一定时间做一次取样。

使用和观察这些脚本的方式：能够把这些脚本放在一个GameObject中。通过Leap Motion会看到脚本的属性在匹配成功时会发生变化。另外，脚本中包括了事件的注冊功能，换句话说。外部能够向随意的手势注冊一个事件，以便手势完毕匹配或者到达某种匹配状态时做一些额外的处理。这些脚本如今并不能直接完毕我们的需求，如暂停。我们须要在这些手势状态或者动作上做进一步的限定，如依据掌心的方向设定垂直向前的手掌为暂停，水平的手掌为平移之类的。