Leap motion简介

王小青 傅俊飞

摘 要：leap motion是当前市面上较新的且正在进一步研发的一项科技创新。本文对leap motion做了一个功能和原理上的简要介绍，同时通过了解它的应用和前景进行个人观点上的解析。

关键词：leap motion；体感控制；可交互空间

众所周知的《钢铁侠》里有这样一个片段：主角在自己的实验室内有个虚拟的可视化3D实验台，通过空中的抓取、缩放、组合，对虚拟网络物體进行操作。也许，这样的技术情况现在还达不到，但是如今市面上的新技术leap motion却使我们对该情况的实现更近了一步。

1 Leap Motion简介

Leap Motion是体感控制器制造公司Leap发布的体感控制器，于2013年5月13日正式上市。而2013年7月22日发布了具有更高的软硬件结合能力的新版的Leap Motion。

2014年8月30日Leap Motion正式在中国登陆，中文名为“厉动”，取义于“不明觉厉，动人心弦”。

我们与电脑之间的开阔空间，现在通过leap motion可成为双手的舞台。我们在空间内随意抓取、挥动就能对相应Mac 或 PC进行隔空且流畅自如地操作。同时，不管你手指每一次的移动多细微，或幅度多大，Leap Motion 体感控制器都能精确的追踪到。从技术上来说，就是通过对手指动作的识别形成一个可交互式 的3D 空间。

我们不妨想一想：只需在空中挥动手指就可进行浏览网页、绘画、游戏等一系列网络操作。还可以通过leap motion体验新的学习方式，比如直接用双手探索宇宙，触摸星星，弹奏空气乐器，让知识体验感十足。这是多么神奇且激动人心的景象。

Leap Motion体感控制器在提供广阔视野的同时，还利用了红外夜视能力以增强现实感，使得虚拟和真实世界间的切换没有迟滞感，更顺滑。它动作感应的保真度是其他景深摄像头望尘莫及的：精度高、延迟低。

同时，Leap Motion官方已在其官网上出售VR设备专用的开发者底座。开发者们借助这款外设能更方便地把Leap Motion体感控制器附加到VR设备上。而且，配套的Beta版本SDK已向开发者们全面开放，同时它能和旧款的Leap Motion控制器完美的匹配。在leap motion的体验会上，一个由几名高中生团组成的团队，展示了独立基于leap motion体感控制器开发的机器车；一支国内的开发团队展示了基于leap motion体感控制器开发的3D全息显示设备（Depth-VR）。

Leap Motion通过挥舞手指或手掌来和计算机进行交互。而这一款颠覆传统、新人耳目的设备，虽然能力非常新奇，但外形实际上还是非常低调的。它拥有规格为79 x 30 x 11mm的机身，顶部有红外传感器，是黑色的光滑面板。毕竟它的硬件设备主要是是两个摄像头传感器，更多支持该技术的是如何通过复杂的算法将多样而复杂的手指、手掌活动转化为有效合理的数据，并能无失真的反映手指运动。

Leap Motion 控制器并不会替代键盘、鼠标等外部输入设备，而是协同工作。当需要运行该软件时，将它插入Mac 或 PC 中即可。

当然，动作追踪的能力所依靠的不仅是硬件，leap motion的能力只有依靠基于它打造的软件才能实现。

2 Leap Motion的特点

1、Leap Motion 传感器可以无一遗漏地捕捉我们全部 10 只手指的所有动作，精度高达 0.01毫米。它比现今已有的运动控制技术精确的多很多。这使得我们可以在小至一英尺宽的立方体空间中，绘制迷你作品。

2、Leap Motion拥有150°超宽幅度的空间视场，我们可以像在真实世界中那样，随意地在3D空间内移动双手，不会有所拘束感，伸展范围大。在其应用中，可伸手抓住物体，移动、旋转它们，甚至可以更改视角。

3、Leap Motion 控制器能够以每秒 200 帧以上的速度追踪我们的手部移动，这个速度比显示屏刷新速度还要快，使得屏幕上的动作与我们的实际首部移动完美同步。

3 Leap Motion的原理

结构上，Leap 传感器内置有两个摄像头，它们会从不同角度捕捉画面，通过复杂的软件算法重建出手指在真实三维空间的运动信息。能检测到的范围大致处于传感器上25到 600 mm间，呈一个倒四棱锥体的空间。

首先，Leap Motion会建立一个如下图的直角坐标系，以传感器的中心作为坐标的原点， X 轴平行于传感器，指向屏幕右方。坐标轴Y 轴垂直指向空间上方。Z 轴指向背离计算机屏幕的方向。单位为毫米：

使用过程中，传感器向Mac或PC定期发送手指的运动信息，每份信息称为帧 （ frame ）。每帧信息包含：所有手掌的列表、信息；所有手指的列表、信息；手持工具（例如一枝笔）的列表、信息；所有可指向对象（也就是所有手指和工具这种可以作为有效操作点）的列表及信息。

leap 传感器会先给所有对象分配一个唯一标识（ID）。根据ID，通过 Frame：：hand（ ） ， Frame：：finger（ ） 等函数，可查询每个运动对象的信息。

Leap 根据当前帧和前一帧检测到的数据，生成旋转的轴向向量、旋转的角度、平移向量、缩放因子等数据，并分析出运动信息。例如，如果检测到两只手同时朝一个方向移动，那么可记为平移；若像握着球一样转动，则认为是旋转；如果两只手靠近或分开，那么就是缩放。

4 Leap Motion的应用

Airspace应用程序商店中包括游戏、音乐、教育、艺术等分类，可用于leap motion的体验。

在游戏上，通过在空中手指的挥动，切水果，割绳子游戏更显魅力，畅快自如、无所阻碍地游戏，让游戏爱好者尽情享受其中的爽快与自由。

在音乐应用上，有一款名为AirHarp的应用，可让用户弹奏数字琴弦，还可通过手指向前移动增强混响。AirHarp能帮我们适应、调节手指在空中的控制动作的准确性。还有一款聪明的小应用Chordion Conductor，可以让用户通过不同的音色、乐器、节奏和其他设置来自主制作歌曲。

在教育性应用方面，leap motion更突显出其魅力。Cyber Science 3D可以让我们通过拆分人类的头骨更体验性地辨别每一块骨头。我们还可以通过Frog Dissection应用解剖一只数字青蛙，通过这样模拟化的操作，从而学习到许多动物生物学的相关知识。

5 总结

关于leap motion的兴起和应用，也许它的设计并不是我们生活的必须，但是却能丰富我们的休闲娱乐生活，让人类的生活品质在科技的作用下有所提高。也正是这样一类产品的发展和出现，推动了科技的进步。

参考文献

[1]《信号与系统》 陈后金 北京：高等教育出版社，2007.12

[2]《Open NI体感应用开发实战》 任侃 机械工业出版社，2014.6.1

[3] 《Kinect体感程式设计入门》 王森 碁峰資訊股份有限公司 2012.9.1