REAL-TIME MONOCULAR 3D HAND DISTENCE ESTIMATION USING A QUADRATIC REGRESSION MODEL
DOI:
https://doi.org/10.51453/3093-3706/2026/1468Từ khóa:
3D hand Distence, computer vision, Deep Learning, 3D Distence EstimationTóm tắt
This research addresses the problem of estimating the distance from a user's hand to a conventional 2D monocular camera in a 3D space, aiming to optimize low-cost Human-Machine Interfaces (HMIs) and virtual reality interactions. In contrast to expensive dedicated depth sensors such as lasers, ultrasound, or RGB-D cameras, the proposed method integrates the MediaPipe Hands framework to detect 21 skeletal hand landmarks in real-time, and applies a quadratic nonlinear regression model to calculate the physical distance. To overcome geometric distortions caused by hand closure/opening gestures or wrist rotations, the pixel distance between two geometrically stable landmark pairs—namely landmarks 5–17 (representing the horizontal axis) and landmarks 9–0 (representing the vertical axis)—is extracted as the independent input variables. The final estimated distance is refined through a minimum filter to suppress tracking noise.
Empirical evaluations on a standard consumer laptop demonstrate that the model operates highly efficiently in real-time with minimal resource overhead, consuming only 176.6 MB of RAM and 20.5% of CPU. The model is evaluated across three distinct illumination environments (well-lit, dimly-lit, and outdoor) within a physical distance range of 22 cm to 117 cm. Experimental results show that the proposed model achieves outstanding accuracy at interaction distances between 50 cm and 100 cm, yielding a minimum relative error of only 0.02% at 90 cm. A rigorous comparative study with a standard linear regression model validates the superiority of the quadratic nonlinear approach in modeling the perspective-scaling characteristics of 2D monocular projection.
Tải xuống
Tài liệu tham khảo
1. Xing Hao, Guigang Zhang, and Shang Ma, “Deep Learning,” 2016.
2. Krogh, “What are artificial neural networks?,” 2008.
3. Li Yang, Zhi Qi, Zeheng Liu, Shanshan Zhou, Yang Zhang, Hao Liu, Jianhui Wu, Longxing Shi, “A Light CNN based Method for Hand Detection and Orientation Estimation,” National ASIC System Engineering Research Center, Southeast University, Nanjing, China, 2018.
4. A. Mittal, A. Zisserman, and P.H. Torr, “Hand detection using multiple proposals,” 2011.
5. X. Deng, Y. Zhang, S. Yang, P. Tan, L. Chang, Y. Yuan, et al., “Joint hand detection and rotation estimation using CNN,” 2017.
6. A.G. Howard, M. Zhu, B. Chen, D. Kalenichenko, W. Wang, T. Weyand, et al., “Efficient convolutional neural networks for mobile vision applications,” 2017.
7. Shiyang Yan, Yizhang Xia, Jeremy S. Smith, Wenjin Lu, and Bailing Zhang, “Multiscale Convolutional Neural Networks for Hand Detection,” 2017.
8. Bambach S., Lee S., Crandall D. J., Yu C., “Lending a hand: detecting hands and recognizing activities in complex egocentric interactions,” 2015.
9. Das N., Ohn-Bar E., and Trivedi M. M., “On performance evaluation of driver hand detection algorithms: challenges, dataset, and metrics Mercedes,” 2015.
10. Redmon J., Divvala S., Girshick R., Farhadi A., “You only look once: Unified real-time object detection,” 2016.
11. Zhou T., Pillai P. J., Yalla V. G., “Hierarchical context-aware hand detection algorithm for naturalistic driving,” 2016.
12. Mittal A., Zisserman A., Torr P., “Hand detection using multiple proposals,” 2011.
13. Minh-Thanh Le, Van-Ca Phan, Hai-Trang Dang Phuoc, Duy-Tan Do, Ngoc-Son Truong, “Hand Gesture Recognition Using Convolutional Network,” 2021.
14. Alican Mertan, Damien Jade Duff, Gozde Unal, “Single image depth estimation: An overview,” 2022.
15. A. Bhoi, “Monocular Depth Estimation: A Survey,” 2019.
16. Hamid Laga, Laurent Valentin Jospin, Farid Boussaid, Mohammed Bennamoun, “A Survey on Deep Learning Techniques for Stereo-Based Depth Estimation Mercedes,” 2022.
17. Onur Özyeşil, Vladislav Voroninski, Ronen Basri, Amit Singer, “A survey of structure from motion,” 2017.
18. M.O. Katanaev, “Geometrical methods in mathematical physics,” 2013.
19. Richard I. Hartley, Peter Sturm, “Triangulation,” 2002.
20. Edward P.F. Chan, Kevin K.W. Chow, “On multi-scale display of geometric objects,” 2001.
21. Gallant, “Nonlinear Regression,” 2012.
22. J. S. Morris, “Functional Regression,” 2015.
23. Lange, K., Sinsheimer, J. S, “Normal/Independent Distributions and Their Applications in Robust Regression,” 2012.
24. Kun Yang, Justin Tu, Tian Chen, “Homoscedasticity: an overlooked critical assumption for linear regression,” 2019.
25. J. I. Daoud, “Multicollinearity and Regression Analysis,” 2017.
26. C. Büchel, R.J.S. Wise, C.J. Mummery, and A. Yatchew, “Nonparametric Regression Techniques in Economics,” 1998.
27. J. F. Fowler, “The linear-quadratic model,” 2014.
28. C. Lugaresi, J. Tang, H. Nash, C. McClanahan, E. Uboweja, M. Hays, F. Zhang, C.-L. Chang, M.G. Yong, J. Lee, W.-T. Chang, W. Hua, M. Georg, and M. Grundmann, “MediaPipe: A Framework for Building Perception Pipelines,” 2019.
29. F. Zhang, V. Bazarevsky, A. Vakunov, A. Tkachenka, G. Sung, C.-L. Chang, and M. Grundmann, “MediaPipe Hands: On-device Real-time Hand Tracking,” 2020.
Tải xuống
Đã Xuất bản
Cách trích dẫn
Số
Chuyên mục
Giấy phép
Tác phẩm này được cấp phép theo Giấy phép Quốc tế Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 .
Bài báo được xuất bản ở Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào được cấp phép theo giấy phép Ghi công - Chia sẻ tương tự 4.0 Quốc tế (CC BY-SA). Theo đó, các tác giả khác có thể sao chép, chuyển đổi hay phân phối lại các bài báo này với mục đích hợp pháp trên mọi phương tiện, với điều kiện họ trích dẫn tác giả, Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào và đường link đến bản quyền; nêu rõ các thay đổi đã thực hiện và các nghiên cứu đăng lại được tiến hành theo cùng một bản quyền.
Bản quyền bài báo thuộc về các tác giả, không hạn chế số lượng. Tạp chí Khoa học Tân Trào được cấp giấy phép không độc quyền để xuất bản bài báo với tư cách nhà xuất bản nguồn, kèm theo quyền thương mại để in các bài báo cung cấp cho các thư viện và cá nhân.
Mặc dù các điều khoản của giấy phép CC BY-SA không dành cho các tác giả (với tư cách là người giữ bản quyền của bài báo, họ không bị hạn chế về quyền hạn), khi gửi bài tới Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào, tác giả cần đáp ứng quyền của độc giả, và cần cấp quyền cho bên thứ 3 sử dụng bài báo của họ trong phạm vi của giấy phép.