人机交互是人和计算机为完成确定任务,以某种交流语言和某种交互方式进行信息交换的过程。实现自然、和谐、方便的交互是人机交互技术的目标。随着计算机技术的发展,人机交互技术正逐渐从以计算机为中心转移到以人为中心。手势作为人类表达情感和与外界进行沟通交流的重要方式,成为人机交互领域中的研究热点。基于视觉的手势交互系统主要是利用摄像头对人手动作进行捕捉,然后对手势所要表达的动作信息进行处理,从而完成与系统的交互任务。在基于视觉的手势交互系统中,由于手势是隔空操作,所以其具有非接触性和模糊性的特点。计算机处理系统会不加选择地对进入视频范围内的所有手势命令进行处理,以致于用户的一些无意识的手势也往往会被解释成有效命令,造成系统紊乱。这种现象也被称为“Midas Touch Problem”,即点石成金问题,它是基于视觉的手势交互界面中普遍存在的一个问题。本论文依托国家自然科学基金(No.61472163)和山东省重点研发计划项目(2015GGX101025)等项目基金的支持,对“Midas Touch Problem”进行了研究。主要的研究内容如下:(1)提出了虚拟界面的概念,并用统计分析的方法构建虚拟界面的认知基础。为了探讨交互过程中,人手运动的规律性,设计认知实验。实验结果表明虽然不同的操作者有不同的操作方式和交互方式,但操作区域大都在一定范围内,此范围对于操作者来说是舒适和方便的,该范操作区域即为虚拟界面。在交互过程中,虚拟界面的存在使得处于其之内的手势是有效的,而处于其之外的手势是无效的。因此,虚拟界面提供了一种解决“Midas Touch Problem”的有效方法。(2)提出了虚拟界面的构建算法,并对构建算法进行讨论。本文提出了两种基于用户认知行为模型的虚拟界面构建算法。在第一种构建算法的基础上,考虑用户舒适度等方面的需求提出了第二种构建算法。第二种构建算法又分为静态构建和动态构建。动态构建的方式为:操作者按照自己的行为习惯在空中随意画一闭合轨迹,此闭合轨迹的外接包围盒即为虚拟界面。静态构建的方式为:操作者将手自然抬起,并做拳头手势,在空中静止几秒后,在人手的周围以人手为中心会自动建立一个虚拟界面。该虚拟界面的大小,可由认知实验的结果确定。(3)实现了虚拟界面的分区操作和动态刷新功能。为了通过虚拟界面完成不同的交互功能,提出虚拟界面的分区操作,并通过调查问卷的方式确定功能分布模型。实现虚拟界面的动态刷新功能,使得不论是在用户位置发生变化还是在用户记忆发生遗忘的情况下,虚拟界面都能始终存在于空间中,从而使用户通过虚拟界面与系统进行交互。(4)针对较远距离的手势识别,提出了一种基于手势多区域分布特征的手势识别方法。首先对二值化后的手势图像建立二维手势直角坐标系进行特征提取,然后利用欧氏距离和K近邻算法求得最终的识别结果。实验结果表明,该方法能够取得令人满意的识别效果。