HTC Vive controller手柄运动方向识别

本文由catzhang 编写，转载请注明出处，所有权利保留。

博客地址：http://blog.csdn.net/cartzhang

github地址：https://github.com/cartzhang

一、概要

使用Vive手柄，我们需要做一个简单的姿势识别，用来判断手柄的运动方向，然后我根据需要做了一个运动方向的识别，根据上下左右和各个夹角的方向，总共有八个方向。

功能：基本实现了手柄的八方向运动方向识别，也可以叫动作识别。识别精度和效率，可以根据参数来调整。
里面也附带了一个通过射线识别的方法，当然有缺点在后面也做了分析和说明，若有问题，还请不吝指教。

同样工程在后面会给出源码和unity包，还有图片路径地址。

二、 实现原理和实现过程

1 实现原理

原理很简单，就是根据路线，在一定时间内，记录路线数据，然后把数据映射到相机平面上，在根据取第一个点、中间点以及最后一个点，计算角度和斜率，在一定度数之内，都认为是某个方向的运行识别成功。

2 实现过程

1. 项目使用之前的vive消息解耦传递方法。

使用了Unity的5.4.0f3版本，也使用了之前的vive的Event项目的消息传递机制。
项目地址，把它放在了图说VR的工程中

https://github.com/cartzhang/ImgSayVRabc/tree/master/ViveEventDemo

希望有需要可以迁出和修改，提交，前几天也做了一点点的修改和提交。
当然，根据惯例，本项目的源码也会在项目后面分享出来，并给出到处的unity包，贴心吧。

2. 项目说明

打开下载好的项目，打开DemoScene中SteamVR_motion_direction_recongnize这个场景。
可以看到检视板中，内容不算多。

看看工程中大致的内容，包括样例场景，预制体对象，脚本和steamVR原插件中的内容。
当然SteamVR中代码已经做了部分修改，这个之前Event消息解耦使用所添加的一点点代码。

若你需要了解可以参考：

http://blog.csdn.net/cartzhang/article/details/53915229

https://github.com/cartzhang/ImgSayVRabc/tree/master/ViveEventDemo

有不足之处还请不吝指教。

3. 对相机渲染层的设置

因为这里有Vive的头盔中项目camera(eye)，需要把层设置为不渲染UI。

然后也同样对UI项目做了处理，让他只渲染UI。

4. 手柄运动方向识别

主要的脚本为：GestureJudge.cs。
我在测试场景中，只使用了右侧手柄来处理，这里没有在left左侧手柄挂载代码，若有需要，可以自己添加，是没有问题的。

可以通过调节参数来识别效果。

挥动超过距离：手柄在识别过程中的路线，必须大于一定长度才算数。这里设置的为0.8f.

数据跟踪的最短距离: 在同一个位置，间隔太小的手柄位置，不作为参考数据。手柄运动之间间隔大于这个值，才有效的位置数据。

检测周期：数值越大识别越容易。但是过大，就会提高误识别率。默认为0.15秒。测试结果到0.3s也是可以的，这个值作为参数吧。数据过了这个时间，就重新清零检测。

检测角度：我们本来检测的是八个方向，在把个方向一定角度内都算是某个方向的，这就是冗余，因为没有冗余，必须直直的路线才可以的。

5. 手柄路径标识

写了个小代码来标识手柄的运动路线。
就是在手柄的位置，每间隔一段距离就放置一个红色小球来表示。

代码：

/// <summary>/// 标记手柄路经。/// @cartzhang/// </summary>public class CotrollerPathMark : MonoBehaviour{    public GameObject spehere;    public float StepDistance = 0.1f;    private Vector3 currentPos;        // Use this for initialization    void Start ()    {        currentPos = this.transform.position;    }    // Update is called once per frame    void Update ()    {        if ( Vector3.Distance(currentPos, this.transform.position) > StepDistance)        {            GameObject Tmpobj = Instantiate(spehere, currentPos,Quaternion.identity) as GameObject;            currentPos = transform.position;            Destroy(Tmpobj, 0.3f);        }    }}
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6. 结果

在键盘上按下S键后，就可以挥动手柄来测试结果了。结果会实时在头盔中文字提示。

基本在正常速度下，都可以识别出来。

识别出来的结果还是通知来实现。若需要在根据结果来操作，只需要简单的订阅消息就可以了。是不是很简单。

三、识别代码解析

1. 代码

using UnityEngine;using System.Collections;using SLQJ;using System.Collections.Generic;using UnityEngine.UI;/// <summary>/// 主要功能：/// 1.实现8中不同方向上的姿势识别/// 2.实现输入矢量来判断是否完成对应路线。 /// 注意：每次只能识别一个姿势，需要等识别完毕，才能下一个。/// @cartzhang/// </summary>public enum GestureType:int{    None = 0,    Left_Right,    LeftDown_RightUp,    Down_Up,    RightDown_LeftUp,    Right_Left,    RightUp_LeftDown,    Up_Down,    LeftUp_RightDown}public partial class GuestureJudge : MonoBehaviour{    public Text showState;    private bool isStartRecongnize = false;    [Header("挥动需要超过的距离 default 0.8")]    public float RecongnizeMinStepDistance = 0.8f;    [Header("数据跟踪的最短距离 default 0.08")]    public float addListMinStepDist = 0.08f;    [Header("检测周期时间,default 0.15")]    public float stepTime = 0.15f;    [Header("检测角度的最小冗余")]    [Range(5,15)]    public float MaxAnlgeToConfirm = 15f; // 8个方向都有15度的间隔    int arrowLayer = 10;    int layerMask;    int step = 0;    float currentStepTime;    ///开始检测标志    private bool bStartCheck = false;    //检测结果标志    private bool bOutputResult = false;    private GestureType gestureType = GestureType.None;    private Camera mainCamera;    void Start()    {        arrowLayer = 10;        layerMask = 1 << arrowLayer;        currentStepTime = stepTime;        isStartRecongnize = false;        bOutputResult = false;        gestureType = GestureType.None;        NotificationManager.Instance.Subscribe(NotificationType.Gesture_Recongnize.ToString(), GestureRecongnize);        StartUnderEditorTest();        mainCamera = Camera.main;    }    void Update()    {        UpdateUnderEditor();        #if UNITY_EDITOR        Debug.DrawRay(transform.position, transform.forward, Color.red);        #endif        CheckGestureByRay();        CheckGetsturebyCoordinate();    }    void GestureRecongnize(MessageObject obj)    {        object[] objArray = (object[])obj.MsgValue;        StartCoroutine(RecongnizeGetsture(Vector3.zero,(float)objArray[1]));    }    /// <summary>    /// 射线检测    /// </summary>    /// <param name="getstureVec"></param>    /// <param name="TimeToDectect"></param>    /// <returns></returns>        IEnumerator RecongnizeGetsture(Vector3 getstureVec, float TimeToDectect)    {        Debug.Log("start recongnize");        bOutputResult = false;        gestureType = GestureType.None;        bStartCheck = true;        currentStepTime = stepTime;        while (TimeToDectect > 0)        {            if (bOutputResult || gestureType != GestureType.None)            {                Debug.Log("jump out while");                #if !UNITY_EDITOR                //for test                TimeToDectect = 0;                #endif            }            yield return null;            TimeToDectect -= Time.deltaTime;                    }        bStartCheck = false;        Debug.Log("begin notify");        NotificationManager.Instance.Notify(               NotificationType.Gesture_Recongnize_Result.ToString(), bOutputResult);        NotificationManager.Instance.Notify(               NotificationType.Gesture_Recongnize_Result.ToString(), gestureType);    }    /// <summary>    /// 射线来检测碰撞体标签    /// </summary>    private void CheckGestureByRay()    {        if (!bStartCheck)        {            return;        }        currentStepTime -= Time.deltaTime;        if (currentStepTime <= 0)        {            currentStepTime = stepTime;            step = 0;        }        // 动作判断        RaycastHit hit;        if (Physics.Raycast(transform.position, transform.forward, out hit, 6f, layerMask))        {            if (hit.collider.tag == "ArrowA")            {                Debug.Log("collison A");                step = 1;            }            if (hit.collider.tag == "ArrowB" && step == 1)            {                Debug.Log("collison B");                step = 2;                bOutputResult = true;                bStartCheck = false;                //Destroy(hit.transform.parent.gameObject, 0);            }        }    }    #region  Test by use coordinate    /// <summary>    /// 每隔一帧采样数据，然后在时间间隔内    /// </summary>    /// <param name="getstureVec"></param>    /// <param name="TimeToDectect"></param>    /// <returns></returns>    private bool bInitialOnce = false;    private int linkListMaxLength;    private List<Vector3> recordPosList;    private List<Vector3> recordWorldToViewPosList;    private Vector3[] SamplePos = new Vector3[3];    private int UpdateLenToCheck = 5;    private int iNewAddCount = 0;    private void CheckGetsturebyCoordinate()    {        if (!bStartCheck)        {            return;        }        // 1. 初始化数据表，并把数据转换到相机视口坐标系上。        Vector3 currentRecordPos = transform.position;        Vector3 currentWVPPos = mainCamera.WorldToViewportPoint(currentRecordPos);        gestureType = GestureType.None;        if (!bInitialOnce)        {            bInitialOnce = true;            linkListMaxLength = (int)(RecongnizeMinStepDistance / addListMinStepDist);            linkListMaxLength = linkListMaxLength < 5 ? 5 : linkListMaxLength; // 最小存5个数据            recordPosList = new List<Vector3>(linkListMaxLength);            recordWorldToViewPosList = new List<Vector3>(linkListMaxLength);            recordPosList.Add(currentRecordPos);            recordWorldToViewPosList.Add(currentWVPPos);            UpdateLenToCheck = (int)(linkListMaxLength * 0.4f);            iNewAddCount = 0;        }        //2. 数据加入，最小距离判断是否符合加入条件        if (Vector3.Distance(recordPosList[recordPosList.Count - 1], currentRecordPos) > addListMinStepDist)        {            recordPosList.Add(currentRecordPos);            recordWorldToViewPosList.Add(currentWVPPos);            iNewAddCount++;        }        //3. list 的数据的添加和刷新，每次新入多少数据，重新开启检测。        int currentListLen = recordPosList.Count;        if (currentListLen >= linkListMaxLength)        {               // 刷新iNewAddCount个数据，再做检测。            if (iNewAddCount > UpdateLenToCheck)            {                iNewAddCount = 0;                // 4. 移动行程换算角度来做判断                if (Vector3.Distance(recordPosList[0], recordPosList[currentListLen - 1]) > RecongnizeMinStepDistance * 0.3f)                {                    int middleIndex = currentListLen >> 1;                    SamplePos[0] = (middleIndex <= 3) ? recordWorldToViewPosList[0]:                        (recordWorldToViewPosList[0] + recordWorldToViewPosList[1] + recordWorldToViewPosList[2])/3;                    SamplePos[1] = (middleIndex <= 3) ? recordWorldToViewPosList[middleIndex]:                         (recordWorldToViewPosList[middleIndex-1] + recordWorldToViewPosList[middleIndex] + recordWorldToViewPosList[middleIndex+1]) / 3;                    SamplePos[2] = (middleIndex <= 3) ? recordWorldToViewPosList[currentListLen - 1]:                        (recordWorldToViewPosList[currentListLen - 1] + recordWorldToViewPosList[currentListLen - 2]) / 2;                    CalcuolateDirection();                    showState.text = gestureType.ToString();                    if (gestureType != GestureType.None)                    {                        Debug.Log("current recongnize gesture is " + gestureType.ToString());                    }                }            }            // 移除首位，并开始判断            recordPosList.RemoveAt(0);            recordWorldToViewPosList.RemoveAt(0);            //Debug.Log("current recongnize gesture is " + gestureType.ToString());        }    }    /// <summary>    /// 姿势判断。    /// </summary>    private void CalcuolateDirection()    {           float anlge1 = GetAngleWithX(SamplePos[1] - SamplePos[0]);        float anlge2 = GetAngleWithX(SamplePos[2] - SamplePos[1]);        float stepAngle = 45;   // 8平分角度间隔        int step = 0;        //1. X轴0度夹角附近        if ((anlge1 < MaxAnlgeToConfirm  + stepAngle * step || (anlge1 > stepAngle * 8 - MaxAnlgeToConfirm && anlge1 < 8 * stepAngle)) &&            //             (anlge2 < MaxAnlgeToConfirm + stepAngle * step || (anlge2 > stepAngle * 8 - MaxAnlgeToConfirm && anlge2 < 8 * stepAngle))           )        {            gestureType = GestureType.Left_Right;            goto CDEND;        }        //2. X轴逆时针方向计算        for (step = 1; step < 8; step++)        {            if ((anlge1 > stepAngle * step - MaxAnlgeToConfirm && anlge1 < stepAngle * step + MaxAnlgeToConfirm) &&                (anlge2 > stepAngle * step - MaxAnlgeToConfirm && anlge2 < stepAngle * step + MaxAnlgeToConfirm))            {                gestureType = (GestureType)(step + 1);                break;            }        }    CDEND: return;    }    /// <summary>    /// 计算与X轴夹角    /// </summary>    /// <param name="pos3D"></param>    /// <returns></returns>    private float GetAngleWithX(Vector3 pos3D)    {        float angleOutput = Vector2.Angle(new Vector2(pos3D.x, pos3D.y), Vector2.right);        if (pos3D.y <= 0)        {            angleOutput = 360 - angleOutput;        }        if (angleOutput <= 0)        {            return 0;        }        return angleOutput;    }    #endregion}/// <summary>/// 动作识别的调用和结果返回。/// </summary>public partial class GuestureJudge{    void StartUnderEditorTest()    {        NotificationManager.Instance.Subscribe(              NotificationType.Gesture_Recongnize_Result.ToString(), GetRecongnizeResult);    }    void UpdateUnderEditor()    {        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.S))        {            NotificationManager.Instance.Notify(                NotificationType.Gesture_Recongnize.ToString(),new Vector3(5,0,0),1000.0f);            //Debug.Log("start to check gesture");        }    }    #if UNITY_EDITOR    void OnDrawGizmosSelected()    {        Gizmos.color = Color.blue;        Gizmos.DrawLine(transform.position, transform.position + (transform.forward * 100f));    }    void GetRecongnizeResult(MessageObject obj)    {        Debug.Log("recongnize output is " + obj.MsgValue);    }    #endif    }
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识别的代码并算多，但也不少。我把类写成了两个部分，一部分就是常规的算法实现过程，另一部分就是辅助操作的代码，包括按下按键S开始识别运动方向，实时绘制射线，消息的通知和订阅等，结果的显示。

2. 方向枚举类

首先给八个方向定义了一个枚举类。

public enum GestureType:int{    None = 0,    Left_Right,    LeftDown_RightUp,    Down_Up,    RightDown_LeftUp,    Right_Left,    RightUp_LeftDown,    Up_Down,    LeftUp_RightDown}
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这里说明，我实现了两种方向判断的，一种是用射线来判断的，对应函数CheckGestureByRay（），而另一种方法，是根据开头文章说的，根据路线方向通过矢量判断。

3. 射线判断方法及其优缺点

射线判断方法，使用了先判断射线射中的对象，通过层过滤和标签过滤来判断是否通过A点，然后在通过B点，这里就返回了。

优点是，几乎可以识别相机平面的所有方向，不在意朝向和位置，只要碰撞盒对就没有问题。

缺点就是，需设置层和标签。还有就是移动速度也不能过高，因为他会来不及计算或穿透过碰撞体，也可能会发生的。

说明，这个方法在的demo场景中并没有展示。有需要的可以找我或自己也可以根据代码稍微设置下tag和Layer，几乎无难度。

4. 路径跟踪计算及其优缺点

路径跟踪计算，根据记录来判断有限长度序列中的点，判断与X轴

优点是，可以屏蔽转向中，不会误识别成功。计算量其实也不大，效率也可以。可以根据需要随时调节参数，得到想要的结果。

缺点：算法需要转换为相机矩阵下的平面，因为手柄在移动过程中，相机也在移动，造成数据点在不同坐标平面下，可能会造成误识别。若每个点都计算在当前下，在整体计算过程中，就会得到记录的坐标点大家都不在一个坐标下生成的尴尬情况，这样更不能保证是否精确了。（希望大家有好的方法或想法，还请不吝指教。）

还有就是在代码中

    /// <summary>    /// 姿势判断。    /// </summary>    private void CalcuolateDirection()
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里面使用了很多人不太乐意的goto。其实，我大部分或说绝大部分时间都不希望这样用的，但是这里觉得可以用一些。

四、源码地址

源码地址：

https://github.com/cartzhang/vive_motion_direction_recongnize

整个工程包下载地址：

https://github.com/cartzhang/vive_motion_direction_recongnize/raw/master/MotionDirectionRecongnizeTest/vive_motion_direction_recongnize_cartzhang.unitypackage

图片地址：

https://github.com/cartzhang/vive_motion_direction_recongnize/tree/master/img

五、 参考

[1] https://github.com/cartzhang/ImgSayVRabc/tree/master/ViveEventDemo

[2] http://blog.csdn.net/cartzhang/article/details/53915229