Design of an Arm Gesture Recognition System Using Feature Transformation and Hidden Markov Models

This paper presents the design of an arm gesture recognition system using Kinect sensor. A variety of methods have been proposed for gesture recognition, ranging from the use of Dynamic Time Warping(DTW) to Hidden Markov Models(HMM). Our system learns a unique HMM corresponding to each arm gesture from a set of sequential skeleton data. Whenever the same gesture is performed, the trajectory of each joint captured by Kinect sensor may much differ from the previous, depending on the length and/or the orientation of the subject's arm. In order to obtain the robust performance independent of these conditions, the proposed system executes the feature transformation, in which the feature vectors of joint positions are transformed into those of angles between joints. To improve the computational efficiency for learning and using HMMs, our system also performs the k-means clustering to get one-dimensional integer sequences as inputs for discrete HMMs from high-dimensional real-number observation vectors. The dimension reduction and discretization can help our system use HMMs efficiently to recognize gestures in real-time environments. Finally, we demonstrate the recognition performance of our system through some experiments using two different datasets.

특징 변환과 은닉 마코프 모델을 이용한 팔 제스처 인식 시스템의 설계

본 논문에서는 Kinect 센서를 이용한 팔 제스처 인식 시스템의 설계에 대해 소개한다. 제스처 인식을 위한 기존의 연구들에서는 동적 시간 왜곡(DTW)에서 은닉 마코프 모델(HMM)에 이르기까지 다양한 방법들이 적용되어 왔다. 본 논문에서 제안하는 제스처 인식 시스템은 Kinect 센서를 통해 얻을 수 있는 순차적인 팔 관절 위치 데이터로부터 각 제스처 별 고유한 은닉 마코프 모델을 학습한다. 동일한 제스처를 수행하더라도 Kinect 센서에 포착되는 각 관절의 위치 좌표 값들은 팔의 길이와 방향에 따라 크게 달라질 수 있다는 문제점이 있다. 본 논문에서 제안하는 시스템에서는 다양한 환경 조건에서도 높은 제스처 인식 성능을 얻기 위해, 팔 관절들의 좌표 값으로 구성된 특징 벡터를 팔 관절들 간의 각도 값으로 변환하는 특징 변환 과정을 수행한다. 또한, 본 시스템에서는 은닉 마코프 모델의 학습과 적용의 효율성을 높이기 위해, 고차원 실수 관측 벡터들에 k-평균 군집화를 적용하여 이산 은닉 마코프 모델들을 위한 1차원 정수 시퀀스들을 구한다. 이와 같은 차원 축소와 이산화를 통해, 실시간 환경에서도 은닉 마코프 모델들을 효율적으로 제스처 인식에 이용할 수 있다. 끝으로, 서로 다른 두 가지 데이터 집합을 이용한 실험을 통해, 본 논문에서 제안한 시스템의 높은 인식 성능을 입증해 보인다.