基于视觉传达技术的人机交互系统色彩研究
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摘 要： 针对传统人机交互系统设计过程中的技术问题，实现基于视觉传达技术的人机交互系统设计。首先，针对色彩空间的肤色检测方法根据光照条件不同的阈值变化问题，在BP神经网络模型基础上创建基于模糊模式的神经网络色彩滤波器。该文所设计滤波器的学习速度快，能够在广阔的光照条件以及复杂环境中使用。另外，所设计的人机交互系统满足人们使用习惯，将EC5?1719CLDNA嵌入之星作为硬件平台，与迷你投影系统和辐射控制系统相互结合，在软件中开发无纸化办公交互引擎，充分使用多线程和硬件平台强大的计算性能。最后对系统进行测试，结果表明系统能够满足实际需求。
关键词： 人机交互系统; 系统设计; 视觉传达; 色彩滤波器; 信息收集; 系统测试
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）18?0157?04
Abstract： In allusion to the technical problems in the design of traditional man?machine interface system， the design of man?machine interface system based on visual communication technology is realized. As the skin color detection method in color space is based on the threshold change of different illumination conditions， a neural network color filter based on fuzzy mode is created on the basis of BP neural network model. The learning speed block of the designed filter can be used in the broad illumination conditions and in the complex environments. The designed man?machine interface system can satisfy people′s usage habits， by which the EC5?1719 CLDNA embedded star is used as the hardware platform， and in combination with mini projection system and the radiation control system. The paperless office interaction engine is developed in software， and the powerful computing performance of multi?threading and hardware platform is fully utilized. The system is tested， and the results show that the system can meet the actual needs.
Keywords： man?machine interface system; system design; visual communication; color filter; information collection; system testing
0 引 言
人機交互（HCI）技术主要是对计算机、人和彼此影响技术进行研究，目前已经充分展现了此领域的潜力，比如在智能手机中所设计的地理空间跟踪技术;在可戴式计算机、浸入式、隐身技术等中使用的动作识别技术;将无声语音识别应用到语言障碍人士中。虽然使用潜力良好，但是还面临着一定的挑战，比如具有较差的实时性、视觉手势的识别率比较低等。所以，就要实现多种算法的研究，对识别精度和速度进行识别，但是并没有普及其使用的范围局限[1]。其次，云计算等技术融合也要进一步的探索。摩尔定律表示，计算机硬件性能以指数方式持续提高。但是人机交互方式发展比其他技术发展要落后，全新计算机场景使传统人机交互方式不自然，以此要求更加自然、适应性强、直觉的交互方式。此为感知界面（PI）技术的研究目的。在PI领域，计算机视觉主要任务就是对交流有意义的视觉信息进行检测与识别，简单来说就是观察用户并且报告其位置、手势、表情与姿态等。
在HCI领域，使用计算机视觉对用户行为进行感知和理解，从而开展的人机交互界面技术为基于视觉的界面技术[2]。
1 系统的整体方案
本文系统通过EC5?1719CLDNA嵌入之星作为硬件平台，与辐射控制系统、迷你投影系统相互结合，在用户输入体验中使用独特镭射增强反射非确定表面Multi?touch技术，代替传统鼠标与触摸屏部件，在不需要标准配件中，基于任何环境都能够实现家庭娱乐办公的人机交互。利用Java语言使软件交互系统得到实现，保证软件系统可移植性，并且独特软件架构设计能够对功能扩展性进行保证。在已经完成的功能中，能够有效实现图片浏览、多用户参与、记事办公、多界面模式和家居设计等功能。在未来版本中，实现完成用户和用户之间文件传输与共享等功能[3]。图1为系统的总体框架。 2 人机交互系统的设计
2.1 人体模型
人体几何模型将人体各部分的形状、大小与连接关系充分的展现了出来，其中具有人体生理结构先验的知识。人体结合模型指的是圆柱模型、骨架模型、纸板模型、圆台模型，并且还存在超二次曲线与分层结构化模型等。模型越复杂，跟踪结果就会越精准，但是需要大量参数与时间对解空间进行搜索。Jphansson等人针对人类运动感知开展了实验，在实验过程中，人体关节附着亮点，人在黑暗环境中可以看到关节。通过实验结果可以看出，对于静态光电集合，人视觉感知模型不能够得出有意义的信息，针对运动过程中光点集合序列，人们能够对运动型态识别，比如走路、跑步等[4]。图2为人体光点集合。
本文基于此理论，创建人体骨架和连接关系，在跟踪指定人的时候要对各部分大小和适应此个人尺寸进行调整。
通过几何图形能够直观地看出人体不同部位通过关节点相互连接创建树形结构，树的每个节点就是某人体部位，此节点之间存在父子关系，比如手为前臂后代，前臂为上臂后代。所有节点都保存相对于父节点的相对位置，根节点在人体处于物理空间的绝对位置中保存。使人体模型各个部分以树形结构，实现四层人体树形模型的创建，使其作为根，二层节点包括大腿、腰部躯干、颈部和前臂，三层节点包括小腿、头和小臂，四层节点包括手和脚[5]。图3为人体骨架与连接的关系，图4为人体结构树形模型。
2.2 手势手套硬件设计
图5为手势手套系统的内部结构，单片机最小系统中的主控芯片主要包括电阻电压转换电路、陀螺仪加速度计部分、弯曲传感器接口、电源供电部分和蓝牙接口等，全部模块都相互集成。
此模块的传感器主要包括加速度计、弯曲传感器和陀螺仪。为了能够测量手指的弯曲程度，利用曲度传感器进行。弯曲传感器的工作原理就如同电位器，利用曲度使阻值大小改变：平直（常规组织）;180°曲度（最大电阻值）;90°曲度（电阻值继续增加）;45°曲度（电阻值增加）[6]。
在基本的Flex传感器电路用语阻抗缓冲的是单面运算放大器，由于电压分压器与弯曲传感器相同，降低运算放大器的电流，会使错误的出现概率降低。通过单片机AD读取全部通道运算放大器的电阻值，能够得出传感器与手指弯曲程度，利用得出数值判断手指弯曲[7]。
2.3 手部信息收集和处理
手部活动是比较复杂的，主要包括手在空间中运动与手指弯曲。对手指的弯曲进行全面的考虑，将其作为刚体，刚体在空间运动的过程中主要指的是顶点平动与转动。那么通过陀螺仪能够收集空间三个周运动角速度。通过弯曲度传感器能够收集手指的弯曲，通过可变电阻实现弯曲传感器的创建，通过弯曲度对组织改变。通过所收集的弯曲度信息，收集加速度计和陀螺仪角度的信息，对其进行濾波处理。由于卡尔曼滤波思想会影响到算法，所以计算比较简单，能够在嵌入式设备中进行实现[8]。
2.4 视觉感知与色彩配置
2.4.1 标志视觉感知
标志视觉感知指的是人对于标志生理感知与情感体验两方面，生理感知为人对于标识最为客观的反应，情感体验为人对于标志所反应的想法;标志生理感知是单纯对于标志色彩感知，此过程比较短。视觉对于色彩也存在相应感知，通过标志设计角度，此感知包括体量感、温度感与距离感。
标准情感体验指的是比生理感知更深的视觉感知，主要表现在标志色彩生理感知和大脑通过分析结合自身经验对标志的情感判断。
2.4.2 视觉感知对标志色彩配置的作用
实现色彩配置，首先要掌握标志主色和原色、调和色与对比色的视觉感知。主色（M）包括两种：鲜明色（M1）和深暗色（M2）。辅助色（A）3种配置类型包括原色（Am）、对比色（A2）和调和色（A1）。利用2×3的组合方式得出6种色彩配置方案，但是调和色和原色不同，没有色彩配置，所以只有4种色彩配置方案。使不同视觉感知2个组合，得到不同色彩配置视觉感知效果。
标志主色和辅助色为主从关系，两者并不平等，所以在研究感知过程中要作为加权处理，主从关系方面得到主色权重值比辅助色要大。主色都是单色，生理感知中没有远近感与重力感，只有温度感。对比色两个的对比强烈，色彩鲜明。表1为色彩配置方案视觉感知。
2.4.3 色彩模型人机交互方式
对于色彩设计系统来说，良好的交互方式具有重要作用，大部分成功且优秀的电子产品与良好的用户体验具有密切关系。传统软件色彩交互方式的设计都是通过鼠标的拖拽和点击选择，即便是最新电子终端产品，此方式还是对笔者的思想造成束缚。表2为色彩模型人机交互方案，三维色彩模型与多点触控终端相互适应。
2.5 色彩模型的显示
利用立体色块将色彩充分展现出来，色块重点为坐标值、顶点坐标、色彩信息与形状，从而实现可视化数据结构的设计：
式中：tab1～tab3为对应色彩块在颜色体系标号;x，y，Y对应此颜色GIE x，y，Y坐标值;R，G，B为对应此色块的R，G，B三个值。
使用RGB色彩体系作为计算机图形图像显示系统，利用HV/C实现颜色体系，并且还能够实现计算机可视化，有效解决模式的转换问题。
通过GIE标准色度学习系统，将其作为模块转换媒介，确定色块R，G，B值。利用颜色体系数据表，确定标定色块和相互对应的GIE x，y，Y值。转换公式如下：
式（1）为GIE x，y，Y三个值转变成为GIE X，Y，Z三个值;式（2）为GIE X，Y，Z三个值转变成为R，G，B三个值。OpenGL中色彩指的是r，g，b，三者的取值范围为0～1，以此通过式（3）将可视化模型数据结构的R，G，B转化得到实现。 确定三维色彩模块的色彩坐标：色彩体系中的原始数据为确定色彩坐标基础，与色彩HV/C标号相互对应。此标准对应色块的基准点，已知OpenGL中的点与面信息之后的可视化色块。确定色块的顶点坐标，结合前面色块的色彩信息，从而有效实现色块的可视化。通过此方式能够充分展现全部的色块信息，但是此方法在实现过程中计算量比较大，而且会降低效率。利用基本点与色块的方式实现坐标确定，通过基本点圆柱坐标能够得到全部点的圆柱坐标，之后利用直角坐标和圆柱坐标转换公式，对各点直角坐标进行计算，实现高效、快速地确定全部色块坐标[9]。
3 测试和验证的方案
将电工实验室作为测试环境，在实验室中配置电脑、防静电实验桌，另外还包括1台信号发生器、频谱仪、手持万用表、50 MHz示波器和2台稳压源。
关键功能实现包括：测试手臂姿态传感器，将手套佩戴到右手，要求小臂平行于地面，手心朝下，基于手肘使小臂旋转120°，对此动作重复进行，通过虚拟示波器能够得出传感器数据波形。利用测试结果可以看出，手指弯曲传感器具有较大的波动。使手势在短时间内实现不同语义的匹配，中继设备能够对电极、舵机进行控制，佩戴人员能够对设备直接控制。调整控制手势的步骤为：将手在被控设备中平移，然后进入设备待选模式中，单手抱拳使设备控制状态接触设备到上个控制量维持;假如在使用的过程中出现突发情况，按下中继板TSI中的紧急制动，或者使全部设备紧急停止。
之后，对本文所设计系统进行可靠性的测试，佩戴满电状态下的手套，重复做内需型动作。在上位机中发送姿态编码，对手势序列进行对比，得出431组数据，其中有73组数据位没有匹配，精准率达到82%。系统在此过程中工作稳定，而且并没有出现发送程序与硬件错误的问题，电磁干扰比较强，并且具有较强的静电等环境适应能力[10]。
4 结 语
本文所设计系统利用全新的设计理念诠释了人机交互概念，颠覆了传统的单人、垂直性人机交互和根据标准输入设备交互模式，通过更合适人们习惯的方式，提高用户的使用体验。系统在软件功能扩展性、识别精准性、交互实时性等方面都充分展现了良好的应用前景。
参考文献
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[2] 李安安.基于色彩应用的视觉传达设计研究[J].商业故事，2016（19）：35.
[3] 周友，万萱.色彩变化在视觉传达设计中的研究与应用[J].美术教育研究，2018（20）：51.
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[5] 徐丽平.视觉传达设计中色彩的表现与传递[J].美术教育研究，2018（8）：29.
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[8] 彭静，冷飞.基于视觉传达效果的传统艺术图像重建方法研究[J].现代电子技术，2017，40（24）：118?120.
[9] 廖莹，曾显峰，邓秀茹，等.浅谈校园VI设计中色彩的应用[J].科技创新与应用，2017（12）：296.
[10] 李燕杰.基于色彩量化的人机交互界面质量评价[D].合肥：合肥工业大学，2017.
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