基于体感交互技术的太阳系三维模型演示系统的研究

　　1 kinect体感交互技术的应用现状

　　1.1 kinect体感交互技术概述

　　体感交互技术，在于人们可以很直接地使用肢体动作，与周边的装置或环境互动，而无需使用任何复杂的控制设备，便可让人们身历其境地与内容做互动。Kinect可以在不需任何穿戴装置的情况下，准确地识别人的动作，手势以及声音。基于该特点，Kinect体感交互技术被广泛地应用于商务，医疗，教育等多个领域。随诊科技水平的日益提高，它必将会融入大众，给我们的日常生活发生巨大变革。

　　1.2 应用现状

　　1.2.1 医疗领域

　　很多手术中对无菌操作的要求很高，但是目前的技术在医生不接触设备的情况下，很难保证进行手术的医生与设备很好的交互，因此，手术的准确和安全便不易实现。而kinect体感操作恰恰可以克服这方面的困难。在手术中需要电脑完成某些任务时，医生不需要接触设备，便可以通过手势和语音来控制他们，而且还能保证较高的识别率。

　　1.2.2 电子商务领域

　　而Kinect应用开发的进一步深入，势必会给电子商务的发展带来全新的变革。例如，将Kinect应用于增强现实技术相结合，为大型商场的服装店创建虚拟试衣镜，为顾客提供便捷的试穿服务。顾客不需要在换衣间更换衣服，便可以直接看到挑选的服装衣帽在自己身上的搭配效果。基于运动捕捉，顾客还可以通过转身，弯腰等动作，实时地看到不同角度的穿戴效果。

　　1.3 应用新趋势

　　随着计算机技术的迅猛发展，人机交互的方式也逐渐趋于自然。Kinect作为一个革命性的产品，在此过程中起到了一个里程碑式的作用。它能够识别用户的声音，动作，手势，并且将这些信息处理为电脑可以接受的命令，让人们摆脱了键盘鼠标以及各种输入设备，真正做到了“用户的身体便是控制器”。

　　kinect在人机交互方面的优势也大大地吸引了教育工作者的目光。Kinect 具有实时动态捕捉、影像辨识、骨骼跟踪、语音控制、社群互动等功能，可以整合到课堂教学中，提供更为自然的人机交互方式。将kinect应用于课堂教学中，能提高课堂效率，激发学生的学习积极性，促进教学信息化的进程。

　　2 研究内容

　　此项目的内容是设计开发一个基于kinect技术的太阳系三维模型演示系统，该系统可以实现与太阳系模型的自然交互以及一些地理天文知识的科普。具体内容可以分为以下三个方面，即自然交互式太阳系天体的展示，地球自转、海陆分布、昼夜交替及时差现象的展示以及日食、月食天文现象的演示。

　　2.1 创建自然交互式太阳系天体展示系统

　　2.1.1 3D太阳系虚拟模型的展示

　　制作太阳及八大行星的模型，模拟行星围绕太阳旋转，帮助学生从宏观上认识太阳系。

　　2.1.2 利用Kincet与太阳系模型进行自然交互

　　构建基于Kinect手势识别和语音识别的自然交互系统，通过手势控制太阳系模型的放大、缩小，说出某一行星的名字，视角即转向该行星，可以让用户具体观察，行星旁边可以显示其具体信息。

　　2.2 关于地球自转、海陆分布、昼夜交替及时差现象的展示

　　当视角切换到地球后，发出“自转”的语音命令，地球模型开始逆时针（从北极上空看）旋转，地球的详细信息（如自转周期、公转周期、轨道半径等）在旁边显示，地球上的海陆分布的信息很直观地展现出来。这时通过手势旋转视角到两极，可以直观地观察到地球自转方向。当发出“停”的语音命令时，地球停止自转。可以通过手势来人为控制地球的自转，由于受到太阳光照的影响，地球昼夜交替的现象、晨昏线的变化也可以很清晰地展现，同时，也可以解释时差现象，即时间的东早西晚。

　　2.3 关于日食、月食天文现象的演示

　　制作日食、月食演示动画，通过“日食”或“月食”的语音命令，播放相应的演示动画，让学生能够很容易理解这些天文现象的形成原理，方便地理教学。

　　3 实现方案及可行性分析

　　基于体感交互技术的太阳系三维模型演示系统按功能划分为以下三个模块：体感交互的输入模块，信息处理模块以及虚拟现实的输出模块。体感交互的输入模块包括对人体手势信息和语音信息的输入与采集；信息处理模块主要是对采集到的信息进行智能解析。虚拟现实的输出模块主要是开发系统的三维互动界面，包括构建太阳系的三维模型以及用编程语言实现体感输入与显示界面的互动。

　　3.1 系统框架

　　本系统的开发框架如图1所示

　　图1 系统开发框架

　　在软件层级，Unity 3D是一款功能强大的渲染引擎，整合了一套完整的开发工具，能通过快速的开发流程创造出可交互的虚拟空间，其脚本系统为开发者提

　　供了极大的灵活性。目前主流的体感游戏开发主要是采用Unity3D和Kinect结合交互进行开发。卡内基梅隆提供了kinectWrapper.unitypackage这个包，可以导入Unity 3D中进行开发。