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，优点在于精确度。

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需要注意的地方。

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很难实现。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

基本可以的得出：

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

2.对于握拳或者垂直的行为识别会出现误差，这种误差和具体的手势行为有关。

3.不应该过分依赖高精确度，Leap Motion能检测到毫米级别是没错的，但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、实际的需要

移动、旋转、点击按钮、缩放和旋转物体、关闭程序、暂停，基本的功能需求是这样。

有一些原则：

1.相同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很自然。

2.手势避免冲突，手势过于相似不是什么好事。比如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，如果你进行一个缓慢的动作并且动作是面向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测试。

三、考虑基本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可以包含的信息，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。很可能，这些手势只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好处，比如更换了体感设备，但是功能是相似的，这时候只需要更改获取数据的方式就可以了（从一个SDK更换到另一个SDK），而不要修改算法。

算法的轮廓与基本数据有很大的关系。所以数据结构一定要尽量的精简并且允许修改（可能某个算法占据了决定性因素，但是开始没考虑到）。

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记录哪只手先进入Leap Motion的视野，用于设定优先级。
另外两个基本的数据结构PointData和FingerData：

//一个手指的数据包含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，现在最终要的是手势算法的合理性。要判断是否合理，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，而手指包括两个状态——伸直和弯曲。另外，其他的手势，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，这里的阈值也许会随之改变
/// </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;//如果指尖方向为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>/// 判断一根手指是否处于弯曲状态/// </summary>/// <param name="fingerData">需要判定的手指数据</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;}}

上面包含了一个重要的概念——阈值。它是描述到底何种程度算是伸直，何种程度算是弯曲。阈值的确定是需要实际测试来决定的。写到这里也是时候进行一次简单的测试了，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：源代码GitHub链接

该类使用基本数据，在Unity Editor中运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

其他代码都可以在我的GitHub:Leap Motion In Unity3D仓库中获取，在手势的实现中，也包含了一些小的技巧，比如对于动作的匹配要防止手指的颤抖引起的误差，采用离散的数据取样——每隔一定时间做一次取样。

使用和观察这些脚本的方式：可以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，脚本中包含了事件的注册功能，换句话说，外部可以向任意的手势注册一个事件，以便手势完成匹配或者到达某种匹配状态时做一些额外的处理。这些脚本现在并不能直接完成我们的需求，如暂停。我们需要在这些手势状态或者动作上做进一步的限定，如根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。

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