Leap Motion で手の回転状態を取得する

Leap Motion Controller の公式 SDK では、手の回転の状態をオイラー角で取得できるようになっています。
具体的には、Hand.Direction (Vector オブジェクト) の Yaw, Pitch, Roll プロパティが用意されています。
ただし、Hand クラスの説明を参照すると、 ロールについては Direction.Roll ではなく PalmNormal.Roll を使うように書かれています。

float pitch = hand.Direction.Pitch;
float yaw = hand.Direction.Yaw;
float roll = hand.PalmNormal.Roll;

しかし、これらの値を使って実装してみても、期待通りの動作にはなりません。

そこで、前回の 3D における回転の表現と相互変換の内容をもとに、手の回転の状態を取得する機能を自作しました。

Hand.Direction と Hand.PalmNormal はともに長さ 1 で直交しているため、
これらをそれぞれ (0, 0, -1) と (0, -1, 0) の回転後のベクトルと見なして、
前回作成した Rotation3DHelper クラスを利用してオイラー角を求めれば OK です。

全体のソースコードは HandRotationLeap (GitHub) にあります。
このサンプルでは、手とさいころの回転の状態を同期させています。

Hand Rotation by Leap Motion Controller

前回: 3D における回転の表現と相互変換

バージョン情報
.NET Framework 4.5
Leap Motion SDK 2.3.1

参照
Hand クラス

Kinect for Windows v1 の KinectInteraction

Kinect for Windows Developer Toolkit には、KinectInteraction という、
つまむ操作 (Grip) や押す操作 (Press) を判定するためのライブラリが含まれています。
今回は、KinectInteraction でこれらのジェスチャ認識を実装するための方法について説明します。
Kinect for Windows のバージョンは 1.8 とします。

Kinect for Windows Developer Toolkit に付属するサンプルの中にある「ControlsBasics-WPF」では、
Microsoft.Kinect.Toolkit.Controls プロジェクトの中で UI コントロールまで作り込まれていますが、
ここでは KinectInteraction を単独で利用してみます。

KinectInteraction を利用するには、次の DLL が必要になります。

  • Microsoft.Kinect.dll
  • Microsoft.Kinect.Toolkit.Interaction.dll
  • KinectInteraction180_32.dll (ネイティブ、32 ビット向け)
  • KinectInteraction180_64.dll (ネイティブ、64 ビット向け)

ちなみに、Microsoft.Kinect.Toolkit.dll は KinectInteraction とは直接には関係がないため不要です。

 

■ プロジェクトの作成と参照の追加

Visual Studio で、WPF アプリケーション プロジェクトを作成します。
既定では [プラットフォーム ターゲット] が Any CPU、[32 ビットの優先] がオンに設定されています。
この設定のままであれば、32 ビット用の DLL を利用します。

64 ビットで動作させたい場合は、
[プラットフォーム ターゲット] を x64 に設定するか、[32 ビットの優先] をオフに設定して、
64 ビット用の DLL を利用します。

.NET の DLL への参照は、[参照の追加] から 1 つずつ追加してもよいのですが、
なるべく環境変数を利用したいので、プロジェクト ファイル (.csproj) を直接編集します。
次のように、Kinect に関連する部分を ItemGroup に追加します。


<Reference Include="Microsoft.Kinect">
  <HintPath>$(KINECTSDK10_DIR)Assemblies\Microsoft.Kinect.dll</HintPath>
</Reference>
<Reference Include="Microsoft.Kinect.Toolkit.Interaction">
  <HintPath>$(KINECT_TOOLKIT_DIR)Redist\Microsoft.Kinect.Toolkit.Interaction.dll</HintPath>
</Reference>


次に、ネイティブの DLL をビルド時にコピーさせるための設定です。
プロジェクト ファイルの下のほうに、次の ItemGroup を追加します。


<ItemGroup>
  <Content Include="$(KINECT_TOOLKIT_DIR)Redist\x86\KinectInteraction180_32.dll">
    <Link>KinectInteraction180_32.dll</Link>
    <CopyToOutputDirectory>PreserveNewest</CopyToOutputDirectory>
  </Content>
</ItemGroup>


 

プロジェクトのプロパティ

 

■ 実装について

今回は、取得できるプロパティの値の一覧を表示するアプリケーションを実装します。
次のコードはその一部です (全体のソースコードは KinectInteraction (GitHub) にあります)。

InteractionStream のコンストラクターには、IInteractionClient オブジェクトを渡す必要があります。
IInteractionClient インターフェイスの実装については公式ドキュメントも存在しないようで、詳細は不明です。
ここでは、とくに何の処理もしない DummyClient クラスを用意しています。
(サンプルの「ControlsBasics-WPF」には、 IInteractionClient インターフェイスを実装した KinectAdapter クラスが存在します。)

InteractionStream クラスは、DepthImageStream と SkeletonStream を拡張したクラスとなっており、
AllFramesReady イベント ハンドラーでそれぞれのデータを InteractionStream に渡します。
すると、InteractionFrameReady イベントで UserInfo のコレクションを取得できます。
最大で 2 人まで同時に認識できるようです。

次の図は、アプリケーションを実行した結果です。

InteractionWpf

表示されているのは、主に InteractionHandPointer クラスのプロパティの値です。
IsInteractive が true となるには、それぞれの手が有効な範囲に入る必要があります。
有効な範囲とは、左手であれば左肩周辺、右手であれば右肩周辺です。
この領域の左上が (X, Y) = (0, 0)、右下が (X, Y) = (1, 1) となります。

IsTracked は有効な範囲に入っていなくても true になることがあります。
IsInteractive は、IsTracked かつ (X ,Y) が (0, 0) から (1, 1) までの四角形の範囲に入っている状態です。

座標を取得するためのプロパティとして、X, Y, PressExtent, RawX, RawY, RawZ があります。
X, Y と RawX, RawY はそれぞれ同じ値のようです。
PressExtent ≧ 1 のとき、IsPressed が true となります。
PressExtent は、下限値が 0 で、1 より大きい値にもなります。

有効な範囲が高い位置にあるため、少し下の位置で使えるようにしたいとは思うのですが、
とくに PressExtent と RawZ は、有効な範囲にないときの値はあまり信用できません。
このためか、IsInteractive でないときも IsPressed になることがあるため注意が必要です。
したがって、ジェスチャを判定するときは先に IsInteractive が true であることを確認しましょう。

 

作成したサンプル
KinectInteraction (GitHub)

バージョン情報
.NET Framework 4.5
Kinect for Windows SDK 1.8

参照
KinectInteraction
Microsoft.Kinect.Toolkit.Interaction Namespace

Kinect for Windows SDK のセットアップ

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Leap Motion v2 のセットアップ

Leap Motion SDK のバージョン 2 系を .NET 開発で利用するためのセットアップの方法について記述します。
(以前に Leap Motion のセットアップを書きましたが、その改訂版です。)

Leap Motion のサイトから、ドライバーおよび SDK をダウンロードできます。
開発環境ではこれらの両方が必要ですが、非開発環境ではドライバーのみをインストールします。

 

■ 非開発環境におけるセットアップ

Setup Your Leap Motion Controller でドライバーをダウンロードしてインストールします。

最新版以外のバージョンを指定してインストールするには、
V2 Desktop | Leap Motion Developers で Leap Motion SDK (ZIP) をダウンロードします。
ダウンロードするには、アカウントの登録が必要です。
この ZIP ファイルにはドライバーのインストーラーが含まれているので、それを実行します。

なお v2 では、Leap Motion コントロール パネルの [トラッキング] タブで
[道具の追跡] が既定でオフになっているようです。
指以外のツールを使えるようにするには、これをオンに設定します。

 

■ 開発環境におけるセットアップ

V2 Desktop | Leap Motion Developers で、
現在の最新版である [Leap Motion SDK v2.3.1.31549] (ZIP) をダウンロードします。
ダウンロードするには、アカウントの登録が必要です。
この ZIP ファイルを任意の場所に展開します。
中にドライバーのインストーラーが含まれているので、まずそれを実行します。

Leap Motion SDK を .NET Framework 4.0 以降のアプリケーションで利用するには、

  • LeapSDK\lib\LeapCSharp.NET4.0.dll (.NET アセンブリ)
  • LeapSDK\lib\x86\Leap.dll (ネイティブ アセンブリ)
  • LeapSDK\lib\x86\LeapCSharp.dll (ネイティブ アセンブリ)

が必要になります。

したがって、Visual Studio における手順は以下のようになります。

  1. プロジェクトの参照に LeapCSharp.NET4.0.dll を追加する。
  2. プロジェクトのプロパティを開いて、
    [ビルド イベント] – [ビルド後イベントのコマンド ライン] に次のようなコマンドを設定する。
    (DLL のパスを指定します。環境によって変わるので注意してください。)

copy "$(ProjectDir)..\..\LeapSDK\lib\x86\Leap.dll" "$(TargetDir)"
copy "$(ProjectDir)..\..\LeapSDK\lib\x86\LeapCSharp.dll" "$(TargetDir)"

ビルド イベント

ビルドしたときに、この 3 つの DLL が bin にコピーされていれば OK です。

出力ディレクトリ

 

(追記) また、上記のような設定を自動で実施するための NuGet パッケージを作成しました。

 

バージョン情報
Leap Motion SDK 2.3.1
Visual Studio 2015

参照
Setup Your Leap Motion Controller
V2 Desktop | Leap Motion Developers

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Kinect アプリで画面のフリーズを防ぐ

Kinect を利用したアプリを普通に実装してみると、
アプリの起動に時間がかかったり、途中でフリーズしたりすることがあると思います。
(Kinect SDK にあるサンプルでも発生します。)
今回は、その原因と回避方法について記述していきたいと思います。

ではまず、WPF アプリケーションを新しく作成し、Microsoft.Kinect.dll を参照に追加して、
MainWindow を次のように実装してみます。
おそらく、よく見られる実装だと思います。

MainWindow.xaml


<Window x:Class="KinectAsyncWpf.MainWindow"
       xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
       xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
       Title="MainWindow" Height="400" Width="600">
    <Grid>
        <TextBlock x:Name="PositionText" HorizontalAlignment="Center" VerticalAlignment="Center" FontSize="36"/>
    </Grid>
</Window>

MainWindow.xaml.cs


public partial class MainWindow : Window
{
    KinectSensor sensor; 

    public MainWindow()
    {
        InitializeComponent();

        Loaded += MainWindow_Loaded;
        Closed += MainWindow_Closed;
    }

    void MainWindow_Loaded(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        Thread.Sleep(2000); // 意図的な負荷。

        if (KinectSensor.KinectSensors.Count == 0) return;

        sensor = KinectSensor.KinectSensors[0];
        sensor.SkeletonStream.Enable();
        sensor.Start(); 

        sensor.SkeletonFrameReady += sensor_SkeletonFrameReady;
    }

    void MainWindow_Closed(object sender, EventArgs e)
    {
        if (sensor != null)
        {
            sensor.Stop();
        }
    }

    void sensor_SkeletonFrameReady(object sender, SkeletonFrameReadyEventArgs e)
    {
        Thread.Sleep(15); // 意図的な負荷。

        using (var frame = e.OpenSkeletonFrame())
        {
            if (frame == null)
            {
                ShowPosition("");
                return;
            }

            var skeletons = new Skeleton[frame.SkeletonArrayLength];
            frame.CopySkeletonDataTo(skeletons);

            var skeleton = skeletons.FirstOrDefault(s => s.TrackingState == SkeletonTrackingState.Tracked);
            if (skeleton == null)
            {
                ShowPosition("");
                return;
            }

            var p = skeleton.Position;
            ShowPosition(string.Format("({0:N3}, {1:N3}, {2:N3})", p.X, p.Y, p.Z));
        }
    }

    void ShowPosition(string text)
    {
        PositionText.Text = text;
    }
}


Kinect で人物をトラッキングして、その中心の座標を表示するだけのアプリです。
上記のコードでは、検証のために意図的に処理に時間がかかるようにしています。

このように実装して実行すると、次のような現象が見られると思います。

(1) アプリを起動した直後、ウィンドウは表示されるがしばらくフリーズする。
(2) 一見問題なく動作しているが、ウィンドウをマウスでドラッグすると不連続に動く (またはフリーズする)。

どちらも、UI スレッドに大きな負担をかけていることが原因です。
したがって、UI のパフォーマンスを下げる要因をなるべくバックグラウンド スレッドに移すことが望ましいです。
それぞれの詳細は次の通りです。

 

(1) Kinect の初期化処理

Kinect の初期化処理は、その内容によってはかなり時間がかかることがあります。
上記のコードでは Loaded イベントで実行しており、この場合、ウィンドウが表示された直後にフリーズします。
なお、MainWindow のコンストラクター内で実行する場合は、ウィンドウが表示されるまでに時間がかかってしまいます。

したがって、Kinect の初期化処理を表す

sensor.SkeletonStream.Enable();
sensor.Start();

の部分をバックグラウンドで実行するとよいでしょう。

(2) 各フレームのデータに対する処理

上記のコードでは、各フレーム発生時のコールバックである sensor_SkeletonFrameReady メソッドが
UI スレッドで実行されています。
したがって、ジェスチャを判定したり深度を解析したりするなど、処理に時間がかかってしまうと画面がフリーズします。

実は Kinect SDK では、SkeletonFrameReady などのイベントハンドラーを登録するときに
内部的に SynchronizationContext.Current を取得して保持しており、
イベントハンドラーを実行するときにこの同期コンテキストを使おうとします。

つまり、

sensor.SkeletonFrameReady += sensor_SkeletonFrameReady;

を UI スレッドで実行すれば sensor_SkeletonFrameReady メソッドは UI スレッドで実行され、
バックグラウンドで実行すればバックグラウンド (登録時とは別のスレッド。どのフレームでも同じスレッド ID) で実行されます。

 

以上を踏まえ、コードを次のように修正します。


public MainWindow()
{
    InitializeComponent();

    Loaded += (o, e) => Task.Run(() => MainWindow_Loaded(o, e));
    Closed += MainWindow_Closed;
}


void ShowPosition(string text)
{
    Dispatcher.InvokeAsync(() => PositionText.Text = text);
}

MainWindow_Loaded メソッド全体をバックグラウンドで実行させます。
これにより sensor_SkeletonFrameReady メソッドはバックグラウンドで呼び出されるようになるため、
UI 要素を操作するには、Dispatcher.InvokeAsync メソッドを呼び出して UI スレッドに戻して実行させます。
(Dispatcher.Invoke メソッドを使った場合、アプリ終了時に TaskCanceledException が発生したり、
sensor.Stop メソッドを呼び出すとデッドロックが発生したりします。)

以上で、UI スレッドへの負荷を軽減し、UI がフリーズしないアプリにすることができました。
(ちなみにこの場合、sensor_SkeletonFrameReady メソッドの処理にやたら時間がかかっても、
単にフレームレートが下がるだけでアプリは続行できます。)

ただし、今回は TextBlock の Text プロパティの値をコードから直接変更しましたが、
UI 要素への値の反映については、以前にデータ バインディングと非同期処理 (その 1) で書いた通り、
データ バインディングを使うほうがよいでしょう。

ちなみに Leap Motion の場合は、初期化でフリーズすることはなく、
各フレーム発生時のコールバックはつねにバックグラウンド スレッドで実行されます。

 

作成したサンプル
KinectAsyncWpf (GitHub)
KinectAsyncWpf2 (データ バインディングを利用) (GitHub)

バージョン情報
Kinect for Windows SDK 1.8

参照
Kinect for Windows SDK のセットアップ
データ バインディングと非同期処理 (その 1)

Kinect for Windows v2 のセットアップ

Kinect for Windows v2 のセットアップの方法や注意点について記述します。
開発環境と非開発環境では方法が異なります。
(v1 系については、以前に Kinect for Windows SDK のセットアップに書きました。)

 

■ 開発環境におけるセットアップ

開発環境には、Kinect for Windows SDK 2.0 (約 280 MB) をインストールします。

インストール後の接続確認をするには、「Developer Toolkit Browser」を利用するとよいでしょう。
これには多数のサンプルが含まれています。

環境変数については、Kinect for Windows SDK 2.0 をインストールすると

KINECTSDK20_DIR=C:\Program Files\Microsoft SDKs\Kinect\v2.0_1409\

が追加されます。

 

さて、アプリケーションを開発するには、Microsoft.Kinect.dll への参照が必要になります。
Visual Studio の参照マネージャーで、[アセンブリ] – [拡張] からこれを選択できます。

参照マネージャー

ただし、この方法では特定のバージョンに依存することになり、
例えば、今後バージョン 2.1 の SDK にアップグレードした場合、プロジェクトはビルドエラーになってしまいます。
そこで前述の環境変数を利用して、
プロジェクト ファイル (C# なら .csproj) において例えば次のようにアセンブリのパスを指定することもできます。


  <ItemGroup>
    <Reference Include="Microsoft.Kinect">
      <HintPath>$(KINECTSDK20_DIR)Assemblies\Microsoft.Kinect.dll</HintPath>
    </Reference>
    <Reference Include="System" />
    <Reference Include="System.Data" />
    (以下略)


この方法であれば、特定のバージョンに依存せずにビルドすることができます。

 

■ 非開発環境におけるセットアップ

本番用・配布用端末では SDK は不要で、Kinect for Windows Runtime 2.0 (約 90 MB) をインストールします。

なお、Kinect for Windows Runtime は Kinect for Windows SDK にも付属しており、次のパスに存在します。

%KINECTSDK20_DIR%Redist\KinectRuntime-v2.0_1409-Setup.exe

 

バージョン情報
Kinect for Windows v2
Kinect for Windows SDK 2.0
Visual Studio 2013

参照
Kinect for Windows v2 センサー
Kinect for Windows SDK 2.0
Kinect for Windows Runtime 2.0

Kinect for Windows SDK 2.0 (MSDN)
Getting Started (MSDN)
Kinect for Windows SDK のセットアップ (v1 用)

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Google Glass の画面を PC に表示する

Google Glass を Windows PC に USB で接続して、画面をリアルタイムで複製して表示する方法を紹介します。
画面表示のためのツールとしては、Android Screen Monitor を利用します。
(Google Glass に限らず、Android であれば表示できます。)

なお、ここでは非開発環境を想定し、なるべく最小限のセットアップにしたいと思います。

 

(1) Java Runtime Environment (JRE) をインストールします。

(2) Android SDK のページで [VIEW ALL DOWNLOADS AND SIZES] を表示し、
     [SDK Tools Only] の android-sdk_r23.0.2-windows.zip をダウンロードして、任意のフォルダーに展開します。

ここでは、C:\android-sdk に展開したと仮定して進めます。

(3) Android SDK Manager を起動し、次のものをインストールします。

  • Android SDK Platform-tools
  • Google USB Driver

なお、企業内環境など、プロキシを利用して通信する場合は、
Android SDK Manager の [Settings] で [HTTP Proxy Server] および [HTTP Proxy Port] を指定しておきます。

(4) Android Screen Monitor (ZIP ファイル) をダウンロードして、任意のフォルダーに展開します。

(5) 展開したフォルダー (asm.jar の存在するフォルダー) で、次の内容の BAT ファイルを作成します。

 

asm.bat


set PATH=%PATH%;C:\android-sdk\tools\
set PATH=%PATH%;C:\android-sdk\platform-tools\

java -jar asm.jar


 

(6) Google Glass 上で [Setting] → [Device Info] と移動し、[Turn on debug] と表示されたらタップします。

タップすると、[Turn off debug] に変わります。

Turn off debug

 

(7) Google Glass を USB ポートに接続します。

初回の接続時に、ドライバーのインストールを試みるはずです。
ドライバーのインストールでエラーが発生した場合、
デバイス マネージャーを起動して Google Glass を探し (「Glass 1」と表示されているはず) 、
[ドライバー ソフトウェアの更新] を実行します。

ドライバーの場所を手動で

C:\android-sdk\extras\google\usb_driver

と指定します。

成功すれば、Android Device として認識されるようになります。

Glass 1のプロパティ

 

(8) Google Glass との接続が成功すると Google Glass 側に通知されるので、次のようにしてアクセス許可を与えます。

  • [Trust this computer?] と表示されたらタップする
  • [Always allow] と表示されたらタップする

 

以上で設定は完了です。

asm.bat を実行して Android Screen Monitor を起動させ、
対象のデバイスを選択すれば Google Glass の画面が表示されます。

Select a Android Device

Android Screen Monitor

 

参照
Android Screen Monitor
Google Glassの簡単なアプリを作る

Leap Motion のセットアップ

Leap Motion Controller のバージョン 1 系を .NET で利用するためのセットアップの方法について記述します。
(なお、v1 系の最終版は v1.2 になると思われます。
v2 系については、改訂版として Leap Motion v2 のセットアップを書きました。)

Leap Motion のサイトから、Software および Developer SDK をダウンロードできます。
開発環境ではこれらの両方が必要ですが、非開発環境では Software のみをインストールします。

 

■ Software (ドライバー)

公式には Leap Motion Software と呼ぶようですが、要するにドライバーです。
Developer SDK + Documentation にアクセスして、[v.1.2.2 for Windows] をクリックします。
ダウンロードするには、アカウントの登録が必要です。
このインストーラーを実行して、Software をインストールします。

なお、Setup Your Leap Motion Controller でダウンロードできる Software は、現在ではバージョン 2 系になっています。

 

■ Developer SDK

Developer SDK + Documentation にアクセスして、[v.1.2.0.10970 for Windows] をクリックします。
ダウンロードするには、アカウントの登録が必要です。
ファイル名は LeapDeveloperKit_release_win_1.2.0+10970.zip で、これを任意の場所に展開するだけです。

Developer SDK を .NET Framework 4.0 以降のアプリケーションで利用するには、

  • LeapDeveloperKit\LeapSDK\lib\LeapCSharp.NET4.0.dll (.NET アセンブリ)
  • LeapDeveloperKit\LeapSDK\lib\x86\Leap.dll (ネイティブ アセンブリ)
  • LeapDeveloperKit\LeapSDK\lib\x86\LeapCSharp.dll (ネイティブ アセンブリ)

が必要になります。

したがって、Visual Studio における手順は以下のようになります。

  1. LeapCSharp.NET4.0.dll をプロジェクトの参照に追加する。
  2. プロジェクトを右クリックして [追加] – [既存の項目] を選択し、
    Leap.dll および LeapCSharp.dll をリンクとして追加する。
  3. Leap.dll および LeapCSharp.dll のプロパティで、
    [出力ディレクトリにコピー] を [新しい場合はコピーする] に設定する。

既存項目の追加

出力ディレクトリにコピー

 

ビルドしたときに、この 3 つの DLL がコピーされていれば OK です。

出力ディレクトリ

 

(追記) また、上記のような設定を自動で実施するための NuGet パッケージを作成しました。

 

バージョン情報
Leap Motion Software 1.2.2
Leap Motion Developer SDK 1.2.0
Visual Studio 2013

参照
Setup Your Leap Motion Controller
Leap Motion Developers
V1 Developer SDK + Documentation

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