基于改进量子粒子群优化算法的人手运动追踪系统研究

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1、中文图书分类号：TP18密级：公开UDC：621.3学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：基于改进量子粒子群优化算法的人手运动追踪系统研究论文作者：赵正学科：控制科学与工程指导教师：于乃功教授论文提交日期:2017年4月UDC：621.3学校代码：10005中文图书分类号：TP18学号：S201402132.密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目基于：改进量子粒子群优化算法的人手运动追踪系统研究RESEARCHONIMPROVEDQUANTUMPARTICLE英文题目：SWARMOPTIMIZATIONBASED

2、HANDKINEMATICSTRACKINGSYSTEM论文作者：赵正学科：控制科学与工程研究方向：模式识别与智能系统申请学位：工学硕士指导教师：于乃功教授所在单位：信息学部答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：赵正日期：20

3、17年5月24日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：赵正日期：2017年5月24日导师签名：于乃功日期：2017年5月24日摘要摘要自二十世纪八十年代StuartK.Card，AllenNewell，和ThomasP.Moran等人在它们的著作《ThePsychologyofHuman-ComputerInteraction》中提出了人机交互（Huma

4、n-ComputerInteraction，HCI）概念以来，世界各国都致力于HCI技术的研究。随着技术的发展，如今人类在复杂环境下的探索活动越来越频繁，任务也变得越来越复杂，如何通过最直接的人体语言让计算机理解人的行为和意图已经成为HCI研究的主要部分。其中基于人手运动追踪的人机交互系统拥有最有前途的应用前景，目前已广泛应用在工业、能源、国防、娱乐、抢险救灾和医疗康复等领域，并成为促进社会生产力发展的重要科技研究方向。本文针对现有的人手动作追踪系统存在的问题提出了一种基于匹配模型和优化算法的追踪方法。并以此为出发点，首先改进了一种量子行为粒子群优化算法，然后

5、设计了一种用DenavitHartenberg（DH）参数描述的铰链结构的简约人手模型。最后通过改进的优化算法对人手模型和目标输入之间差异进行优化从而得出当前人手的位姿信息。论文的工作主要有：（1）首先从需求出发选择一种能够在工程上快速、准确地对运动目标进行寻优的优化算法。根据本系统对待求解问题建模的分析，最终选择量子粒子群优化算法（QPSO）作为本系统的关键核心算法。同时，为了解决QPSO算法在系统中所遇到的早熟及收敛速度问题，提出了两种改进措施：通过改进的β分布吸引子模型加速种群的收敛速度；通过引入动态混沌机制使种群在搜索周期中能够有更大概率获得真实全局最

6、优解，并在检测到粒子早熟时赋予种群以一定的概率从局部最优解逃逸。通过对通用测试函数和变分自编码器的反向重构的实验，证实了改进措施的有效性，而且算法性能超过传统粒子群优化算法及量子粒子群优化算法，并为下一步的运动追踪寻优打下理论基础。（2）为了获得精确的人手运动及位姿，通过对人手模型在生物学和运动学充分分析的基础上，建立了具有生物关节运动约束的可信人手模型。该模型具有仿生的人手结构，通过DH方法计算各连杆关节坐标系之间的数学关系，然后将26维的人手模型数据映射到位姿空间中，也即解向量空间中。并根据人手运动的特点对模型进行了约束,减少了后续最优解的搜索范围，提高了

7、优化速率。（3）实现了用优化算法对目标手运动的姿态求解。首先利用Kinect获取目标手的深度图像，提出了对人手部位提取的预处理方法。然后对改进的量子粒子群优化算法设计了一种高效的Cost函数，用以准确地计算当前输入手和模型手之间的差异。整个追踪系统在“模型生成-匹配寻优”这样的框架下对手的运动-I-北京工业大学工学硕士学位论文进行追踪。实验通过对现实情况下人手运动追踪的时间性能和精确度进行分析，表明此基于改进量子粒子群优化算法的运动追踪系统可以实现复杂人手运动姿态的求解，并具有十分强的鲁棒性。课题得到国家自然科学基金项目(NO.61573029)和北京市自然科

8、学基金项目(NO.4162012)的资