Leap Motion控制器工作原理详解

    2012年全球最炙手可热的科技公司毫无疑问当属美国的Leap Motion（以下简称LM）。他们带来了新一代的桌面体感设备，工作精度可达到0.01mm，官方声称是目前任何设备的200倍（应该是指实时体感设备），但是价格却只有大约70$。

    LM的控制器演示一出，网上关于该设备工作原理的各路技术讨论异常热烈，我们也在第一时间对其原理进行过剖析和预测。对于网上关于LM控制器原理及应用的曲解，我们非常希望能够之纠正，但是由于缺乏必要的论据支持，我们也无法使大家信服。随着最近工作的进展，我们也对LM控制器的追踪性能进行了模拟，从而证明理论的可行性。但是因为从事相关的专业工作，请允许我们无法如数倾囊，但是我们会在允许的范围内，尽可能为大家详细解读LM控制器的工作原理。以下为我们通过普通摄像头所模拟的LM控制器工作原理及目标追踪性能。

 

    LM控制器采用立体视觉原理，配备双摄像头的控制器如同人眼一样，能够对空间物体进行坐标定位。为了方便理解，大家可以试着快速轮流闭合左右眼，可以看到物体的位置会发生平移，这就是视差。一旦出现视差，就可以在人脑中产生空间纵深的感觉，这就是3D电影的基本工作原理。电影在制作的时候分别拍摄给左右眼看的画面，人为制造视差，所以在观看平面画面时会产生三维空间错觉。当然这个视差是不能随意定义的，必须和人眼瞳孔的间距匹配起来，我们称之为基线长度。不同年龄、性别、种族的人群的视觉基线长度都略有差别，所以3D电影不一定适合所有人群观看。

 

 

    这种应用于立体视觉的测量方法，我们称之为三角测量法。三角测量法是用于定位目标空间位置最常用和最基本的方法，应用场合小到我们常见的Kinect、激光反求等，大到飞机装配等高精度作业环境。在LM控制器的双摄像头基线距离固定后，就可以进行设备校准。校准后的控制器可以精确计算出目标相对于摄像头的空间坐标。

    在了解LM控制器的基本工作原理后，下面我们讲讲控制器的工作过程。当我们把手伸到控制器的工作区时，两个摄像头需要同时捕捉目标，并且实时计算目标的视差，就可以得到它的空间信息。这里我们所说的目标是指已经过滤后的目标信息，如指尖和掌心，所以大家不要再想着可以通过控制器来做三维扫描，这是办不到的。控制器的工作区域必须是双摄像头的公共视场区域，所以过于复杂的多点姿势操作控制器是无法识别的。 

    照明部分。为了更加方便地识别目标，控制器上的LED灯需要对目标进行照明，加强目标与背景的亮度对比，使之更容易识别，同时使设备在光线较暗的环境中也可以使用。相反，如果在室外有太阳或者红外光较充分的地方，会影响控制器的正常使用。

    计算效率。LM在算法上主要采用了TBD技术。该技术的一大优点就是能够准确跟踪目标，但是缺点是对于内存有一定压力，而且也会需要一定的计算量，况且还采用了高帧率的双摄像头。根据官方的动态来看，未来LM会通过数学模型的优化再来降低CPU的占用资源。

 

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