摘 要

改革开放如今已经过去四十年，我们国人民的收入水平得到了极大地提高，市场开放也让人民在物质消费上有了多样化的选择。华夏大地接入互联网的时间已有二十多年，如今互联网已融入大部分百姓的生活当中，并不同程度地影响了我们衣食住行的方式。网络购物已经成为大部分现代人的首选购物方式。传统的购物网站是以鼠标与键盘作为外设，这样的外设输入确实满足了人们日常的使用需求，而且准确度较高。但是随着以AR与VR为代表的体感交互装备的问世，且开始涉及医疗、交通等重要领域，并给这些行业的发展予以启发。若用户在网购时能够与网站进行互动，这能给用户带来新奇的体验，同时浏览购物网站的时间不会太长，避免了长时间体感交互给用户带来劳累感，以上分析可以得出网络购物与体感交互结合具有一定可行性。

本文首先分析了体感交互是未来的发展趋势。其次，针对以Unity为开发平台搭建购物平台的UI界面进行需求分析并提出设计思路。最后，分别从Unity与Leapmotion两个模块的角度论述设计思路、方案，并对系统进行总结。

关键词：Unity；Leapmotion；UI设计；手势交互

Abstract

Now that the reform and opening up has passed for 40 years, the income level of our people has been greatly improved, and the opening up of the market has also made people have diversified choices in material consumption. China has access to the Internet for more than 20 years, and now the Internet has been integrated into the lives of most people, and has affected our way of food, clothing, housing and transportation to varying degrees.Online shopping has become the preferred way of shopping for most modern people. Traditional shopping websites use mouse and keyboard as peripherals. Such peripheral input really meets people's daily needs and has high accuracy.With the advent of somatosensory interactive equipment represented by AR and VR, it has begun to involve important fields such as medical treatment and transportation, and inspired the development of these industries.If users can interact with the website when they buy online, it will bring users a novel experience, and the time of browsing the shopping website will not be too long, which avoids the long-term somatosensory interaction to bring users a sense of fatigue. The above analysis can conclude that the combination of online shopping and somatosensory interaction is feasible.

Firstly, this paper analyses the development trend of somatosensory interaction in the future. Secondly, the UI interface of shopping platform based on Unity is analyzed and the design idea is put forward. Finally, the design ideas and schemes are discussed from the perspective of Unity and Leapmotion modules, and the system is summarized.

Key Words：Unity;Leapmotion;UI design;gesture interaction

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文内容与结构 3

第2章 主要技术介绍 4

2.1 Unity技术 4

2.2 Leapmotion技术 4

第3章 需求分析与技术方案 6

3.1 需求分析 6

3.2 技术方案 7

第4章 Unity的GUI设计与实现 9

4.1 GUI的设计流程 9

4.2 Scrollbar（滚动条）翻页模块的设计与实现 10

4.2.1 Scrollbar（滚动条）模块组件分布层次 10

4.2.2 Scrollbar（滚动条）翻页模块的grid排序 11

4.2.3 Scrollbar（滚动条）翻页模块的滚动显示 12

4.2.4 Scrollbar（滚动条）翻页模块的分页显示 14

4.2.5 Scrollbar（滚动条）翻页模块的分页显示优化 16

4.3 Toggle（开关）翻页模块的设计与实现 17

4.3.1 Toggle（开关）组件的设计思路 17

4.3.2 Toggle（开关）与Scrollbar（滚动条）的联动设计 18

第5章 Unity与Leapmotion的联动设计 22

5.1 Unity 与Leapmotion联动的准备工作 22

5.2 Unity 与Leapmotion联动设计的局限 23

5.3 Unity 与Leapmotion联动设计的优化 24

第6章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

近年来，以AR、VR等为代表的交互技术开始从各种途径进入到人们的视野中，尽管在内容呈现方式上来看，这些高科技产品与大部分使用者之间存在较大的科技壁垒，但是从本质上来看，其终究还是属于交互的范畴，与人类的关系密切，只是通过计算机、互联网等媒介来支撑起科技时代的交互。

在历史的长河里，不同地区孕育了各具特色的人类文明，随之产生了颇具地区特色的文明产物，而这些文明的产物，都可以落脚于“交互”。在四大古国当中，古巴比伦和古埃及的文化产物闻名于工程、法律等领域，主要是研究人与物之间的关系。而谈起古印度文明，人们下意识地就会联想到这个文明与宗教、神有着深刻的联系，相应地，其文化产物则可总结为研究人与抽象事物的交互。中华文明，体现的不仅仅是人与物，人与神之间的交互，更是人与人之间融洽相处，人与环境之间的和谐共生的问题。通过比较古代文明与现代文明本身及其文化产物，我们会发现世界的焦点仍然是“交互”，这个方向对于今日的科学研究具有十分重要的意义。

交互指的是利用某些载体作为媒介与外界进行信息交流，这里的外界一词，对于交互本身来说，可以聚焦于人与人、人与物、人与环境等之间的信息交流^[1]。本论文里的交互，则指的是人与物交互中的人机交互（Human-Computer Interaction，HCI），这是一门研究系统与用户之间交互关系的学科门类，也是指人与系统之间以一定的交互方式，为完成确定任务而进行的信息交换过程，这里所说的系统，包括各种各样的机器与计算机的系统与软件。

当前，人机交互的发展来到了第三阶段，即用户通过GUI图形用户界面（Graphical User Interface），配合鼠标、键盘等外设的输入，实现与计算机的交互^[2]。就目前的使用情况来看，鼠标与键盘仍旧是在普及率、精准度与使用效率最高的计算机外设产品，但是在现代社会中一些有特殊需求的场合下，鼠标与键盘却有着很大的局限性。在移动设备这一领域中，最初的移动设备无一不使用键盘式输入，直到21世纪第一个十年中旬，第一台以触摸屏为外设输入的MP5播放器问世，用户体会到了触摸屏在操作便捷性方面带来的便利并愿意去使用触摸屏，这在一定程度上推动了触摸屏的发展 。在良好的市场反应推动下，触摸屏也从当初的电阻屏发展到了电容屏，用户体验上得到了优化，更是推动了以触摸屏为输入方式移动设备（以智能手机、平板电脑等为主）的发展，现如今触摸屏智能手机普及率极高，但是就操作的形式来看，用户还是需要通过触摸屏幕才能实现交互，触摸式输入设备仍然具有局限性。

人类本身作为高级灵长类动物，拥有丰富的肢体语言，针对这一特征，催生出了体感交互这一新晋的交互研究方向。在科幻电影中，我们往往能够看到体感交互技术的展示，如今，越来越多的公司和科研组织投入到体感交互的研究当中，并成功研发出一些产品。最初的产品往往需要借助一些辅助设备才能够完成体感交互，如使用肌电信号的 Myo 手势控制臂环，虽然解放了双手，但是在没有辅助设备的情况下，交互便不能正常进行。后来以Kinect为代表的完全不需要人体佩戴设备的体感交互面世，其使用红外摄像头采集人体运动信号，通过算法识别出人体的动作，这是一个用户更愿意去接受的方向，虽然在精确度、识别动作数目等方面仍存在不足，但是这能让用户在无需辅助设备的情况下通过肢体动作便能实现人机交互。

物联网与5G网络将在不久的将来得到推广，这使得信息交换比过去更加频繁，相应地，人机交互的研究也在深度和广度上得到了拓展。政府对外发布的物联网发展规划，给目前国内外发展迅猛的物联网产业指明了发展方向，而体感交互作为人机交互范畴中的一个模块，能够实时跟踪并掌握多种信息，可以被广泛应用于生活服务等各种领域中，尤其是对于购物网站这样的服务型商业，能够提高用户的线上参与感并提高用户的场景沉浸度。综合来看，手势交互在网络购物领域能够充分体现出其优势。

手势交互作为体感交互的一个分支，是用户通过手掌和手臂通过有意义的运动来传达信息的方式，相比体感交互本身有更大的市场潜力。尽管肢体动作来实现交互确实能够给用户带来新奇的体验，但长时间的使用肢体动作本质上就成为了一项体力劳动，不利于这项技术的推广。但是网络购物，这种需要有一定内容向用户展示，希望用户能有一定互动的场合，往往不需要用户长时间操作，不会出现用户体力疲劳的情况，而且新的交互方式可以给用户带来新奇的体验。综合考虑，本次论题以购物平台的UI界面为切入点是一个不错的选择。

1.2 国内外研究现状

自打体感交互技术诞生以来，尽管目前该技术还存在不少问题亟待解决，但都不能否认该技术获得了许多开发者的认可，行业内对该技术的未来发展趋势持乐观态度。尽管鼠标与键盘灯外设产品当前的地位仍不可撼动，最重要的是其准确性高，且使用者不需要使用较大幅度的肢体动作便可完成信息输入。凡事都有两面性，在优点的背后，其缺点同样不容忽视，用户在输入信息时双手收到外设的约束，在外设出现故障或传输延迟等情况时，用户的状态容易受到影响。这也是手势交互技术得以迅速发展的客观原因之一，最初，体感交互技术是通过娱乐、游戏等领域进入到人们的视野当中，除了这些消遣性质的用途，如医疗、运动与建筑等领域是该技术目前国内外在研究的重点方向。

以Kinect为例，这是微软公司推出的Xbox 360游戏主机的体感交互外设，其同样是通过体感交互游戏来进行初步尝试，该外设于2017年短暂停产，并于2018年回归，新品的尺寸比原来更小，配备的组件的功能比原来更加全面，在继续为娱乐行业提供服务的同时，新品尝试与其他领域相结合。

微软新发布的Kinect SDK功能强大，能够满足开发者基于Kinect为特殊行业开发出行业级别的应用。众所周知，手术室对环境的要求极高，往往要接近无菌环境，这就对设备有严格的要求，但是在手术的时候，外科医生可能会有查看资料的需求，在英国伦敦圣托马斯医院就利用kinect开发出了手术室辅助系统，医生在手术时通过定义完毕的手势来查看一些影像资料或患者的化验信息，这项技术的运用极大地提高了手术效率并降低了手术风险。

除了医疗领域，教育领域也可以与手势交互相结合，一些学科在教学的过程中往往会因为学科特性，或概念抽象、缺乏设备等原因，让学习者难以理解^[3]。对于这些学科，采用体感交互技术能够将一些微观层次的内容直观地呈现在学习者面前。以化学学科为例，Leapmotion在Mac上提供了一款名为Molecules（分子）的app，学习者通过手势输入，来对分子模型进行放大、转动到不同的角度了解各原子之间的关系，还能够让学习者身临其境地体验微观世界的化学键。

现在，各种体感交互外设系统的功能不断得到完善，并呈现出与各行各业融合发展的趋势，未来现在的人机交互方式将会被改变，鼠标、键盘等外设都将逐步被体感交互外设所取代。

1.3 论文内容与结构

本文首先从交互的历史开始论述，并以触摸屏为切入点，引申到体感交互的发展上，最终过渡到本文的研究对象手势交互上，提出手势交互的背景和意义。接着对本论文项目开发的相关技术进行介绍，包括Unity软件的整体介绍以及对常用的关键功能进行介绍等。随后对整个项目进行需求分析并分别对Unity模块、Leapmotion模块各自功能的设计与实现进行论述。最后对本次项目进行总结，对未来的进一步发展做出展望。

本文共分为以下几个部分：

第一章绪论对手势交互的研究背景与意义展开论述，以及与该课题相关技术的国内外发展现状，章节的最后介绍本论文的内容与结构。

第二章对本次设计使用的主要开发平台与技术进行介绍，分别按照Unity部分、Leapmotion部分展开论述，并阐述两部分的关联。

第三章针对项目内容进行需求分析，按照Unity部分、Leapmotion部分讨论解决方案，并提出总体的设计思路。

第四章是关于Unity部分需求的设计与实现的内容。

第五章是关于Leapmotion部分需求的设计与实现的内容。

第六章对本次毕业设计项目进行了总结，并对未来的工作进行了展望。

第2章 主要技术介绍

在本次毕业设计的项目中，主要使用到Unity与Leapmotion两个模块的技术，将通过以下篇幅分别来介绍这两个模块技术在项目中的主要应用。

2.1 Unity技术

Unity是以一款强大的游戏开发引擎的角色被人们熟知的，这个平台其能够给开发者提供丰富的开发资源（开发者可在官方的资源网站Asset Store）上获取免费的或付费的开发素材，同时，也为开发者提供了交流的途径，开发者可在该资源网站上分享自己的资源。此外，该平台还提供了一个网络交流社区，供开发者在此分享知识、提出问题或回答问题。该平台的延展性极其出色，无论是前期资源整合与开发阶段还是后期的发布阶段，都能将该平台的优势体现得淋漓尽致^[4]。

以该毕设项目为例，就开发引擎本身而言，其开发UI界面布局清晰、操作简便，同许多开发引擎一样，菜单栏位于开发界面的顶部，菜单栏相当于一个导航系统，将各部分功能分门别类地汇总于此，菜单栏包括File、Assets、GameObject等九个选项。

File菜单模块主要涉及创建项目与场景，并对其进行保存或另存为等操作，这里需要特别说明，工程（project）有别于场景（scene），一个工程下可以包括多个场景。以UI界面来举例，完整的UI是一个项目工程，UI下的各级画面则是各个场景，场景之间通过功能性组件或编写脚本来实现跳转。

Assets资源模块主要涉及资源、资源包、场景的操作，该模块的操作可以通过顶部的菜单栏操作，也可以直接在工程（project）栏里点击鼠标右键进行操作。该模块常常用来对资源（包）、场景的导入导出等进行操作，开发者也可以通过资源栏下的create来在场景在创建脚本、UI、预设体（prefab）等资源。

GameObject游戏对象模块主要涉及场景的设计与管理，该模块常常通过添加模型、GUI等操作来完成游戏对象的创建。可以直接只用获取的资源，也可以通过自行创建空的游戏对象（Create Empty），随后按需求或喜好添加各类组件，从而完成游戏对象的搭建。

2.2 Leapmotion技术

Leapmotion是一款以高精准度、高跟踪帧率闻名的，用来跟踪并检测手势与动作的高科技硬件，在目前的多项研究与开发中被用作外设输入。目前，Leapmotion已经推出带第三代产品，在第二代的基础上，第三代的SDK（Software Development Kinect）库中可提供给用户使用的脚本更多，相应地，能够识别的手势数目也更多了^[5]。本次设计项目使用的Leapmotion为第二代，非最新的版本。

在利用Leapmotion进行开发之前，需要将对应的客户端安装到PC上，而客户端安装包就需要登陆官方网站下载SDK，SDK里除了客户端安装包外还有一些与Unity相关的文件夹，后续需要复制到Unity中的相应文件中，以完成Unity与Leapmotion的连接。

Unity与Leapmotion的联动完成之后，需要到官方网站下载用于开发的Unity包，其中CoreAssert核心包必不可缺，因为其内部包含的类与脚本是开发过程中必须使用的，此外，还有UI-Input Model包，运用此包的类与脚本可实现与UI交互的功能，例如使用手部模型与UI界面的交互。除此以外，其他的诸如HandsModule与PinchModel等包按实际开发需求来添加。

第3章 需求分析与技术方案

3.1 需求分析

在科技水平不断提高的今天，对于项目开发等工作，研发人员在开发过程中需要投入大量的人力、物力与财力， 若最终的项目成果不符合用户的需求，这既是对开发资源的极大浪费，更会使得所有的投入都徒劳白费了，若是涉及商业利益的项目，更是会影响企业或机构的声誉，会对其收入照成直接影响。需求分析实质上是调研，通过调研充分理解用户的真实需求，避免因为方向错误而造成的资源浪费，同时也对目前拥有的可供开发使用的资源进行了解，这样做有利于后续的规划与设计的开展与实施。需求分析应该是从用户的角度来切入项目内容，需要了解用户的需求，并结合项目自身的开发资源（如软件、硬件等）考虑，初步设计出相应的解决方案，同时，根据软硬件等资源的可行性，对手头上的开发资源进行规划，力求既能够满足用户的需求，又能充分利用现有开发资源的优势，尽可能的降低开发成本，也降低了未来维护系统的成本。

从本次毕业设计的题目来理解，本次设计的题目是基于Unity与Leapmotion的UI交互设计，以购物平台为落脚点，需要利用Unity作为开发引擎搭建网络购物平台，以满足用户浏览商品的需求。而体感交互信息采集硬件Leapmotion则用来对用户的手势进行跟踪，开发者可调用Leapmotion内部封装好的四种手势，也可以编写后台程序赋予特定手势以特定功能，当体感交互信息采集硬件扫描到用户通过手势做出有意义的动作时便能通过该手势来操作UI，从而实现通过手势交互来实现对基于Unity搭建的购物平台UI进行翻页浏览等交互动作。

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