孫連山， 王今雨

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引 言

虛擬翻書系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，VR)[1]及基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢識(shí)別技術(shù)[2]的一種具體應(yīng)用.虛擬翻書系統(tǒng)采用基于Flash的電子書封裝豐富的文字、視頻和音頻素材，配合基于視頻分析或紅外遮擋檢測的智能手勢運(yùn)動(dòng)識(shí)別引擎，響應(yīng)用戶手勢翻動(dòng)電子書，為用戶帶來與翻閱實(shí)體書相類似的體驗(yàn)，被廣泛地應(yīng)用于各種現(xiàn)代展館當(dāng)中[3].但現(xiàn)有相關(guān)研究側(cè)重于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的手勢識(shí)別算法[4]，而沒有從軟件工程的角度系統(tǒng)地研究虛擬翻書系統(tǒng)的構(gòu)造問題.本文從軟件工程的視角考察基于視頻分析的虛擬翻書系統(tǒng)的構(gòu)造問題，在分析虛擬翻書系統(tǒng)的功能需求和質(zhì)量屬性需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種開放的參考軟件體系結(jié)構(gòu)，允許用戶定制簡單、高效的動(dòng)作識(shí)別算法、靈活地設(shè)置觀測區(qū)域、調(diào)整手勢動(dòng)作和翻書行為語義之間的映射并且區(qū)分不同的動(dòng)作監(jiān)測狀態(tài)，在保證實(shí)時(shí)性的前提下避免了讀者偶然動(dòng)作造成的誤翻.

1 需求分析

分析現(xiàn)有的虛擬翻書系統(tǒng)，不難發(fā)現(xiàn)，其初衷是為用戶提供通過手勢動(dòng)作操縱電子書的能力，模仿用戶閱讀實(shí)體書的過程，提升用戶的沉浸感和交互感.

首先，現(xiàn)有的虛擬翻書系統(tǒng)大都實(shí)現(xiàn)了3個(gè)基本功能：(1)向讀者展示電子書的當(dāng)前頁面，供讀者閱讀；(2)偵測讀者揮手動(dòng)作，將電子書翻到下一頁；(3)偵測讀者揮手動(dòng)作，將電子書翻到前一頁.

其次，虛擬翻書系統(tǒng)畢竟是一種信息技術(shù)的應(yīng)用，它模擬真實(shí)場景，但又具有高于真實(shí)場景的一些靈活性.如虛擬翻書無需模擬真實(shí)翻書的全過程，只要用戶做出翻書的有效指令，系統(tǒng)就會(huì)幫助用戶自動(dòng)完成翻書動(dòng)作，降低用戶的操縱負(fù)擔(dān).虛擬翻書系統(tǒng)中具有信息技術(shù)特色的功能有：(1)管理員可選擇在展臺(tái)中展示的電子書；(2)系統(tǒng)捕獲讀者翻書意圖，自動(dòng)補(bǔ)完翻書動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)各種翻書效果；(3)自動(dòng)循環(huán)播放電子書內(nèi)容；(4)定位讀者手指點(diǎn)，模擬鼠標(biāo)點(diǎn)擊，實(shí)現(xiàn)類似通用計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用的復(fù)雜和多樣的人機(jī)交互.事實(shí)上，功能(4)對(duì)讀者的操作提出了附加的要求，降低了閱讀的沉浸感.在實(shí)現(xiàn)功能(4)的系統(tǒng)中，為激活鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作，讀者必須在特定區(qū)域停留一段時(shí)間.

第三，虛擬翻書系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)質(zhì)量屬性需求[5]：(1)實(shí)時(shí)性，即必須實(shí)時(shí)識(shí)別并響應(yīng)讀者的動(dòng)作，完成翻書操作，提升閱讀的沉浸感和交互感；(2)準(zhǔn)確性，必須準(zhǔn)確地判定讀者手勢的語義，防止無響應(yīng)或過度響應(yīng)造成的抖動(dòng)等現(xiàn)象；(3)擬真性，盡可能只要求讀者遵守真實(shí)的翻書習(xí)慣，不設(shè)置額外的限制和要求；(4)可定制性，虛擬翻書系統(tǒng)可能需要適應(yīng)不同的展臺(tái)設(shè)備以及視頻捕捉設(shè)備，由各種不同類型的讀者使用，如兒童、殘疾人等.

2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)的高層藍(lán)圖，是凝結(jié)軟件開發(fā)早期關(guān)鍵決策的制品.軟件體系結(jié)構(gòu)往往用于在軟件開發(fā)早期分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的質(zhì)量屬性，如性能、安全、可靠性等[6].本節(jié)首先給出虛擬翻書系統(tǒng)的總體架構(gòu)，然后重點(diǎn)探討其中的行為識(shí)別子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu).

2.1 總體架構(gòu)

圖1 虛擬翻書系統(tǒng)高層軟件體系結(jié)構(gòu)圖

人的運(yùn)動(dòng)可分為3個(gè)層次[8]：動(dòng)作、行為和行動(dòng).動(dòng)作是運(yùn)動(dòng)的基元，是最基本的運(yùn)動(dòng)，是形成其他復(fù)雜、 高級(jí)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，如讀者的手或身體的移動(dòng).而行為則是一系列動(dòng)作的集合，能夠清晰地表示人的主觀性和目的性，如讀者的手在某個(gè)方向上持續(xù)移動(dòng)，形成揮手的行為.我們將虛擬翻書系統(tǒng)劃分為如圖1所示的6個(gè)子系統(tǒng).圖1采用UML2.0[7]的符號(hào)體系建模.

電子書展示子系統(tǒng)負(fù)責(zé)為讀者展現(xiàn)豐富的視音頻及文字材料，需要能夠屏蔽不同類型展示設(shè)備的異構(gòu)性以及不同電子書操縱模式的差異，為行為實(shí)施子系統(tǒng)根據(jù)讀者的行為操縱電子書提供規(guī)范的編程接口,如向前后翻頁等.

視頻捕獲子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理視頻監(jiān)控設(shè)備，接收、整理、存儲(chǔ)來自指定監(jiān)控通道的視頻數(shù)據(jù).特別地，在通用的虛擬翻書系統(tǒng)中，視頻捕獲子系統(tǒng)需要能夠屏蔽不同類型視頻監(jiān)控設(shè)備的異構(gòu)性.

動(dòng)作識(shí)別子系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析捕獲的視頻幀序列，分析讀者的動(dòng)作軌跡，為根據(jù)讀者動(dòng)作所在區(qū)域、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)方向和規(guī)律分析讀者的行為語義奠定基礎(chǔ).動(dòng)作識(shí)別子系統(tǒng)需要為視頻捕獲系統(tǒng)提供統(tǒng)一的編程接口，響應(yīng)視頻幀捕獲事件.由于視頻幀往往以固定的時(shí)間間隔到達(dá)，因此動(dòng)作識(shí)別子系統(tǒng)必須滿足一定的實(shí)時(shí)性需要，在下一個(gè)視頻幀到達(dá)之前完成對(duì)當(dāng)前視頻幀的分析和處理.事實(shí)上，基于計(jì)算機(jī)視覺的人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別問題是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，且已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，并產(chǎn)生了大量的成果[2].在虛擬翻書系統(tǒng)中，識(shí)別讀者的揮手動(dòng)作,甚至確定讀者的指尖位置、手勢等問題均存在較為成熟的算法[4].本文的目標(biāo)不是研究更復(fù)雜的動(dòng)作識(shí)別算法，而是對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行集成和應(yīng)用，提升虛擬翻書的效果.在實(shí)現(xiàn)中，我們根據(jù)視頻監(jiān)控區(qū)域背景的性質(zhì)，采用兩種類型的算法捕獲運(yùn)動(dòng)目標(biāo).在靜態(tài)背景條件下，采用背景差分方法得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和輪廓[9,10].在動(dòng)態(tài)背景條件下，采用幀間差分方法得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和輪廓.

行為識(shí)別子系統(tǒng)也是虛擬翻書系統(tǒng)的核心模塊之一，它接收來自動(dòng)作識(shí)別子系統(tǒng)的一系列動(dòng)作數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行整合、分析，抽取出能夠表達(dá)讀者意圖的行為，作為行為實(shí)施子系統(tǒng)執(zhí)行各種翻書動(dòng)作的依據(jù).行為識(shí)別子系統(tǒng)須根據(jù)既定的行為語義規(guī)約，分析讀者動(dòng)作所在區(qū)域、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)方向和規(guī)律，確定讀者的意圖.

行為實(shí)施子系統(tǒng)根據(jù)抽取出來的行為語義執(zhí)行具體的翻書動(dòng)作，如前翻一頁、后翻一頁、前翻多頁、后翻多頁等.行為實(shí)施引擎需要將行為語義轉(zhuǎn)化為具體的電子書翻閱指令，如將前翻一頁的語義轉(zhuǎn)化為一系列的鼠標(biāo)消息，模擬讀者拖動(dòng)鼠標(biāo)翻閱電子書的過程.行為實(shí)施子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)各種虛擬翻書系統(tǒng)中各種特定于信息技術(shù)功能的模塊，如為了增強(qiáng)神奇感，還可以定義翻書時(shí)拖動(dòng)鼠標(biāo)的路徑，實(shí)現(xiàn)不同的翻書效果，如水平方向拖動(dòng)、拋物線方向拖動(dòng)等等.

類似于動(dòng)作識(shí)別子系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)性需求，行為識(shí)別子系統(tǒng)和行為實(shí)施子系統(tǒng)也必須滿足實(shí)時(shí)性需求，及時(shí)響應(yīng)讀者的行為啟動(dòng)相應(yīng)的翻書動(dòng)作.

翻書配置管理子系統(tǒng)允許管理員監(jiān)控翻書系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整虛擬翻書系統(tǒng)的各種配置選項(xiàng)，如調(diào)整所展示的電子書的內(nèi)容、調(diào)整觀測的視頻通道、調(diào)整動(dòng)作識(shí)別引擎所使用的算法以及算法的參數(shù)、定義行為模式、調(diào)整翻書動(dòng)作的鼠標(biāo)拖動(dòng)路徑、設(shè)置視頻監(jiān)控的范圍以及靈敏度等等.其他5個(gè)子系統(tǒng)間接依賴于翻書配置子系統(tǒng).

2.2 行為識(shí)別子系統(tǒng)

動(dòng)作識(shí)別子系統(tǒng)負(fù)責(zé)捕獲讀者的動(dòng)作，而行為識(shí)別子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收來自動(dòng)作識(shí)別子系統(tǒng)的一系列動(dòng)作數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行整合、分析，抽取出能夠表達(dá)讀者意圖的行為.已有的行為識(shí)別算法也有很多[2]，本文結(jié)合觀測區(qū)域、讀者手運(yùn)動(dòng)趨勢以及間隔時(shí)間等因素區(qū)分讀者的行為語義.

2.2.1 翻書狀態(tài)機(jī)

首先，我們給出如圖2所示的虛擬翻書系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)模型，作為定義不同翻書行為語義的基礎(chǔ).

圖2 虛擬翻書系統(tǒng)狀態(tài)圖

除去起始態(tài)和終止態(tài)之外，虛擬翻書系統(tǒng)具有 6個(gè)狀態(tài),分別是“閱讀-無監(jiān)測”狀態(tài)、“閱讀-無動(dòng)作”狀態(tài)、“閱讀-有動(dòng)作”狀態(tài)、“自動(dòng)播放”狀態(tài)、“翻多頁”狀態(tài)以及“翻單頁”等.

虛擬翻書系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入“閱讀-無監(jiān)測”狀態(tài).“閱讀-無監(jiān)測”狀態(tài)中，讀者可閱讀電子書中當(dāng)前頁面內(nèi)容，且為保證讀者閱讀免于偶然動(dòng)作的干擾，規(guī)定此狀態(tài)必須持續(xù)一定的時(shí)間(K秒)，如K=60 s，在此期間的任何用戶運(yùn)動(dòng)都不會(huì)引起電子書的誤翻，從而保證了讀者閱讀過程的相對(duì)平穩(wěn).

當(dāng)“閱讀-無監(jiān)測”狀態(tài)持續(xù)K秒之后虛擬翻書系統(tǒng)進(jìn)入“閱讀-無動(dòng)作”狀態(tài)，虛擬翻書系統(tǒng)開始監(jiān)控視頻流中的用戶動(dòng)作.若監(jiān)測到用戶動(dòng)作，則將用戶動(dòng)作存入一個(gè)動(dòng)作隊(duì)列，虛擬翻書系統(tǒng)進(jìn)入“閱讀-有動(dòng)作”狀態(tài)；若超過L秒仍未監(jiān)測到動(dòng)作，則虛擬翻書系統(tǒng)進(jìn)入“自動(dòng)播放”狀態(tài)，開始循環(huán)播放電子書的內(nèi)容.

在“閱讀-無動(dòng)作”狀態(tài)中，虛擬翻書系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測用戶動(dòng)作，并將其存入一個(gè)動(dòng)作隊(duì)列，同時(shí)對(duì)動(dòng)作隊(duì)列進(jìn)行分析和整理，若發(fā)現(xiàn)匹配的翻書行為模式則清空動(dòng)作隊(duì)列并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，進(jìn)入“翻單頁”或“翻多頁”狀態(tài).若動(dòng)作隊(duì)列與任何給定的行為模式都不匹配則定義為雜亂的行為，這時(shí)須清空動(dòng)作隊(duì)列并返回“閱讀-無動(dòng)作”狀態(tài).

在 “翻單頁”狀態(tài)，虛擬翻書系統(tǒng)模擬用戶拖動(dòng)鼠標(biāo)的動(dòng)作，完成電子書的單頁前翻或后翻動(dòng)作.“翻單頁”包含翻頁方向信息，如包括向前翻一頁和向后翻一頁等兩種不同的翻頁動(dòng)作.在“翻單頁”狀態(tài)中，虛擬翻書系統(tǒng)停止監(jiān)測用戶動(dòng)作.翻頁完成后進(jìn)入“閱讀-無監(jiān)測”狀態(tài)，允許讀者平穩(wěn)地閱讀電子書當(dāng)前頁面的內(nèi)容.

在“翻多頁“狀態(tài)中，虛擬翻書系統(tǒng)允許讀者向前或向后翻動(dòng)多頁電子書，快速瀏覽電子書，定位感興趣的內(nèi)容.“翻多頁”號(hào)包含一些參數(shù)，如翻書的方向和翻動(dòng)的頁數(shù)等等.連續(xù)翻頁過程中虛擬翻書系統(tǒng)不監(jiān)測用戶動(dòng)作，但連續(xù)翻頁完成之后，虛擬翻書系統(tǒng)返回到“閱讀-無動(dòng)作”狀態(tài)，立即開始監(jiān)測下一次連續(xù)翻頁動(dòng)作，而不同于從“翻單頁”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“閱讀-無監(jiān)測”狀態(tài)時(shí)必須停留K秒的時(shí)間窗不監(jiān)測用戶動(dòng)作，為用戶提供穩(wěn)定的閱讀時(shí)間.

若在“閱讀-無動(dòng)作”狀態(tài)中停留L秒之后,虛擬翻書系統(tǒng)仍未監(jiān)測到任何用戶動(dòng)作，則進(jìn)入“自動(dòng)播放”狀態(tài)，虛擬翻書系統(tǒng)自動(dòng)播放電子書內(nèi)容供讀者瀏覽.這時(shí)，虛擬翻書系統(tǒng)不監(jiān)測用戶動(dòng)作，而是在停留M秒之后進(jìn)入“翻單頁”狀態(tài)，執(zhí)行翻單頁的操作，翻頁完成后返回“自動(dòng)播放”狀態(tài)，準(zhǔn)備開始下一次翻頁.

從圖2可以看出，只有處在“自動(dòng)播放”狀態(tài)、“閱讀-無動(dòng)作”狀態(tài)以及“閱讀-有動(dòng)作”狀態(tài)時(shí)虛擬翻書系統(tǒng)才通過視頻監(jiān)測用戶動(dòng)作，施加這種限制能夠極大地降低用戶隨機(jī)動(dòng)作造成的誤翻，而區(qū)分3類閱讀狀態(tài)則為讀者閱讀電子書內(nèi)容提供了足夠的穩(wěn)定時(shí)間窗口.

2.2.2 翻書行為模式

用戶的一系列動(dòng)作構(gòu)成了表達(dá)用戶意圖的行為模式.為提高擬真性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)不要求用戶做出定點(diǎn)懸停以及其他更復(fù)雜的手勢，用戶只需通過簡單的揮手動(dòng)作來操作電子書，完成閱讀所需的各種操作.例如，在面向書模的情況下，用戶向左揮手則表示電子書后翻一頁，向右揮手則表示電子書后翻一頁.

為了模擬逐頁閱讀、快速瀏覽等實(shí)際閱讀的需要，本系統(tǒng)采用觀測區(qū)域與用戶行為相結(jié)合的方式來表達(dá)4種翻書行為，即前翻一頁，向后翻一頁，前翻多頁以及后翻多頁.具體來講，本系統(tǒng)將視頻監(jiān)測區(qū)域劃分為上下(左右)兩個(gè)區(qū)域，分別標(biāo)示為A區(qū)和B區(qū)，并作如下約定：若在A區(qū)監(jiān)測到用戶左右揮手行為則將之翻譯為“翻單頁”信號(hào)，指示虛擬翻書系統(tǒng)前翻一頁或后翻一頁；若在B區(qū)監(jiān)測到用戶左右揮手行為則將之翻譯為“翻多頁”信號(hào)，指示虛擬翻書系統(tǒng)前翻多頁或后翻多頁.這樣，就能較好地區(qū)分讀者的4種翻書意圖了.

為防止用戶的偶然動(dòng)作所造成的誤翻現(xiàn)象，須對(duì)構(gòu)成用戶故意行為的動(dòng)作序列做出一定的約束.我們對(duì)讀者的行為進(jìn)行如下形式的定義，并說明構(gòu)成合法行為必須滿足的約束.

定義1a= {mi|i= 1,…,N}分別表示用戶向前翻書或向后翻書的行為，其中mi表示構(gòu)成行為的用戶動(dòng)作，N是行為中動(dòng)作元素的個(gè)數(shù)，每個(gè)動(dòng)作是由水平方向r和水平d構(gòu)成的一個(gè)二維向量，即mi=(ri,di)，則稱用戶的行為a是合法的當(dāng)且僅同時(shí)滿足下面3個(gè)條件：

(1)N>M，其中M為給定的正整數(shù)，規(guī)定了構(gòu)成行為的最少動(dòng)作元素個(gè)數(shù).適當(dāng)?shù)腗取值能夠防止用戶偶然動(dòng)作造成的抖動(dòng).

(2)mi，i= 1,…,N的方向ri均相同，意味著讀者沿同一方向揮手翻書.

(3)di>D,i= 1,…,N，即每個(gè)動(dòng)作的水平位移必須超過給定的閥值D，意味著讀者翻書動(dòng)作足夠清晰、完整，能夠充分表達(dá)讀者的主觀意圖.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖3是前臺(tái)電子書展示系統(tǒng)的快照.圖3(a)是向后翻一頁，圖3(b)是向前翻一頁的情況.圖4是后臺(tái)翻書配置系統(tǒng)的快照.圖4(a)是運(yùn)行監(jiān)控場景下的快照，圖4(b)是配置參數(shù)時(shí)的快照，其中的紅色網(wǎng)格表示執(zhí)行翻書動(dòng)作起始區(qū)域.

圖3 虛擬翻書系統(tǒng)前臺(tái)展示快照

當(dāng)前虛擬翻書系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)僅分析單個(gè)攝像頭采集的連續(xù)視頻幀序列，識(shí)別最基本、最常用的4種翻書行為，著重于保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、擬真性和準(zhǔn)確性，這些功能和質(zhì)量特征構(gòu)成了系統(tǒng)的第一個(gè)發(fā)布版本.后續(xù)版本將來陸續(xù)實(shí)現(xiàn)更豐富的行為語義，為讀者提供智能的、個(gè)性化的服務(wù).例如，可采用2個(gè)攝像頭配合工作的方式，從多個(gè)角度捕捉讀者的手勢動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)豐富的翻書行為語義，如回目錄、定義書簽等等；可采用攝像頭和紅外線感應(yīng)器相互配合的手段，在不增加圖像處理算法復(fù)雜度的情況下，盡可能地豐富翻書行為語義.

圖4 虛擬翻書系統(tǒng)后臺(tái)配置快照

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了虛擬翻書系統(tǒng)的功能需求和質(zhì)量屬性需求，并給出虛擬翻書系統(tǒng)的一種參考軟件體系結(jié)構(gòu)，指出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)必須注意的一些關(guān)鍵問題，證明了采用通用、簡單、高效的動(dòng)作識(shí)別和行為識(shí)別算法，配合適當(dāng)?shù)男袨檎Z義規(guī)約實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)時(shí)性 、擬真性以及準(zhǔn)確性等質(zhì)量屬性需求的虛擬翻書系統(tǒng)的可行性，給出了建設(shè)通用的基于視頻的虛擬翻書系統(tǒng)的參考方案.

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