人体交互装置的专利技术综述

摘 要：人机交互的用户体验度一直是研究人员关注的焦点，利用头部跟踪、视觉跟踪、手戴式装置、神经系统活动检测的人体交互方式将会更加便捷与自然。文章对国内外人体交互装置的相关专利申请数据的统计与分析，对该领域的重要申请人以及重要专利进行详细的阐述，最后对人机交互的未来发展进行了展望。

关键词：人机交互；头部跟踪；视觉跟踪；手戴式装置；神经系统活动检测

1 人体交互装置概述

人机交互（Human-computer Interaction， HCI）是一种人与计算机之间的信息交互技术，由ACM（美国计算机协会）人机交互专门兴趣小组SIGCHI提出[1]。早期人机交互装置如操作杆、键盘、鼠标、触摸板等存在交互不够便捷自然、移动性不强、体验度低等缺陷[2]。随着图像处理技术、传感器技术、人工智能技术的兴起与发展，大批科研人员开始关注基于肢体运动的人机交互方式。利用操作者的头部、眼部、腕部或肌电信号等控制操作对象已经成为人体交互装置的重要发展趋势。因此，对人体交互装置相关专利进行详细的分析和总结，将有助于了解本领域的研究现状，引导科研人员的研究方向。

2 专利的整体情况分析

文章的专利数据检索以SIPOABS数据库中截止到2015年12月31日已受理的公开专利数据。图1显示了SIPOABS数据库中人体交互装置领域的专利申请年度分布图。可以看出，2000至2005年间，人体交互装置专利申请量处于平稳阶段；这段时间内传感器、图像处理等技术的不断成熟为人体交互装置的发展奠定了一定的基础，2006年以后的专利申请量进入快速增长阶段，2013年专利申请量达到最大值。由于增强现实技术的研究热点不断升温，导致2014年以后人体交互装置的年申请数量出现一定程度的回落。

从图2显示了本领域重要申请人，日本索尼公司专利申请量排名第一。美国的微软、谷歌、英特尔、苹果，中国的联想，韩国的三星和LG也有大量的申请。

3 本领域重要专利分析

基于头部跟踪的输入装置主要利用传感器进行面部识别，从而感测到头部的运动而生成相应的指令。微软在2003提交了申请号为US20030452783的专利，提出了一种根据估计的头部姿势跟踪用户的关注区域的方法。随后三星提交了申请号为CN201410539366的专利，针对手戴式穿戴设备在进行操作时需要同时用到两只手才能实现输入的缺陷，提出了一种通过采集佩戴者头部的运动或腕部的移动或旋转动即可实现对便携式设备进行输入控制的方法。联想在2015年提交了申请号为CN201510093083的专利，该申请利用用户头部发生运动时的运动参数和环境空间信息，从而获取用户头部发生运动之后的位置信息，有效解决了传感器误差导致头部追踪结果不准确的技术问题。

视觉跟踪是指对图像序列中的运动目标进行检测、提取、表达和识别，然后获得关于运动目标相应的运动参数，如位置、速度、加速度及其运动轨迹，在通过进一步的处理与分析，实现对运动目标行为理解从而完成更高一级的任务[3，4]。索尼在2004年提出了申请号为JP2004012577的专利申请，该申请基于用户视点控制图像的清晰度，在确保用户能使识别所显示内容的同时能使非使用者的第三人难以容易地看到所显示的内容。随后，联想公司和Intel公司分别进行了专利申请（申请号分别为：CN201210050728和CN201280073525），联想公司的申请是通过用户眼球的运动判断是否需要切换电子终端的操作模式，Intel公司的申请主要是通过采集的视觉数据来部分地调节3D显示屏到用户的投影距离。

手戴式交互技术发展较早，在2003年三星公司提交了申请号CN200380108059的专利，其通过检测佩戴在手指运动的手指装置来执行三维操作输入。LG公司的申请（申请号：KR20130124741）是基于所接收手掌触摸输入来改变智能手表的状态。努比亚公司的申请（申请号：CN201510613668）是用于识别手势动作的手部穿戴件通过无线模块关联设备，从而取代桌面上移动的鼠标。由此可知，手戴设备与手势有机的结合是该技术领域的发展趋势。

神经系统活动检测的输入装置领域中通常采用脑电波（EEG）检测、肌动电流（EMG）检测，皮肤活动反应检测等手段。中国科学技术大学提出了申请号为CN200910077155的专利，公开了用于对信号采集模块采集到的表面肌电信号进行调制，将调制后的表面肌电信号通过无线传输的方式进行发射并显示相关内容。

4 结束语

人机交互经过近30年的发展，其发展历史是从人适应计算机过渡到计算机适应人的过程[5]。随着移动终端功能变得更加多样化，终端可支持更加复杂的功能，基于头部跟踪、视觉跟踪、手戴式输入/输出装置、基于神经系统活动检测的输入装置等多样化的人机交互方式在不久将来将会渐渐替代传统的交互方式，其将在智能家居、教育、健康监测、虚拟现实、游戏等领域发挥重要作用。

参考文献

[1]王平，等.浅谈人机交互技术的发展进程与专利概貌[J].中国发明与专利，2013，5：39-43.

[2]董士海.人机交互的进展及面临的挑战[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004，16（1）：1-12.

[3]YILMAZ A，JAVED O，SHAH M.Object tracking：a survey[J].ACM Computing Surveys，2006，38（4）：1-45.

[4]侯志强，韩崇昭.视觉跟踪技术综述[J].自动化学报，2006，32（4）：603-617.

[5]赵罡，等.复杂产品虚拟装配系统的人机交互技术[J].北京航空航天大学学报，2009，35（2）：137-141.

作者简介：廖凌慧（1988，10-），女，汉族，研究生学历，湖北省应城人，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，专利审查员，研究方向：人机交互，虚拟现实，主要从事人机交互，虚拟现实方面的专利审查工作。