Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning: Applications on human-machine interaction

Tese de Doutoramento em Engenharia de Eletrónica e de ComputadoresSendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.Hand gesture recognition is a natural way of human computer interaction and an area of very active research in computer vision and machine learning. This is an area with many different possible applications, giving users a simpler and more natural way to communicate with robots/systems interfaces, without the need for extra devices. So, the primary goal of gesture recognition research applied to Human-Computer Interaction (HCI) is to create systems, which can identify specific human gestures and use them to convey information or controlling devices. For that, vision-based hand gesture interfaces require fast and extremely robust hand detection, and gesture recognition in real time. Nowadays, vision-based gesture recognition systems are able to work with specific solutions, built to solve one particular problem and configured to work in a particular manner. This research project studied and implemented solutions, generic enough, with the help of machine learning algorithms, allowing its application in a wide range of human-computer interfaces, for real-time gesture recognition. The proposed solution, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), allows the definition in a simple way of a set of commands that can be based on static and dynamic gestures and that can be easily integrated and configured to be used in a number of applications. It is easy to train and use, and since it is mainly built with open source libraries it is also an inexpensive solution. Experiments carried out showed that the system achieved an accuracy of 99.2% in terms of hand posture recognition and an average accuracy of 93,72% in terms of dynamic gesture recognition. To validate the proposed framework, two systems were implemented. The first one is an online system able to help a robotic soccer game referee judge a game in real time. The proposed solution combines a vision-based hand gesture recognition system with a formal language definition, the Referee CommLang, into what is called the Referee Command Language Interface System (ReCLIS). The system builds a command based on system-interpreted static and dynamic referee gestures, and is able to send it to a computer interface which can then transmit the proper commands to the robots. The second one is an online system able to interpret the Portuguese Sign Language. The experiments showed that the system was able to reliably recognize the vowels in real-time. Although the implemented solution was only trained to recognize the five vowels, it is easily extended to recognize the rest of the alphabet. These experiments also showed that the core of vision-based interaction systems can be the same for all applications and thus facilitate its implementation. The proposed framework has the advantage of being generic enough and a solid foundation for the development of hand gesture recognition systems that can be integrated in any human-computer interface application. The interface language can be redefined and the system can be easily configured to train different sets of gestures that can be easily integrated into the final solution