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基于數(shù)據(jù)手套的虛擬人手運動建模系統(tǒng)的研究

葛海江1，2 ，彭斐 1 ，賈寧 1 ，李士洋 1

（1. 杭州 職業(yè)技術(shù)學院 信息工程學院，浙江 杭州 310018；2. 浙江工業(yè)大學 計算機科學與 技術(shù)學院，浙江 杭州 310023）

摘要：研究了基于WiseGlove7S數(shù)據(jù)手套的虛擬人手運動建模系統(tǒng)的研究，闡述了數(shù)據(jù)手套的光纖傳感器分布，提出了傳感器值歸一化和手勢自定義的方法；對數(shù)據(jù)手套和虛擬手的 軟件開發(fā)包進行了詳細的描述；最后基于OpenGL和 Unity 3D 平臺分別實現(xiàn)了虛擬人手手勢建模和虛擬人手運動運動建模。通過這些研究，可為虛擬現(xiàn)實中虛擬人手運動的應用提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬人手運動建模；數(shù)據(jù)手套；光纖傳感器；OpenGL；Unity 3D

虛擬現(xiàn)實是一種全新的計算機高科技交互模擬系統(tǒng)，是當前全球科技領(lǐng)域最為火熱的技術(shù)之一，數(shù)據(jù)手套(Data Glove)是作為虛擬現(xiàn)實的 重要交互工具。當用戶帶上數(shù)據(jù)手套時，它可以實時地測量人手各個關(guān)節(jié)角度的變化，并將這些動作信息送往計算機，從而使用戶能以一種比較自 然的方式與計算機生成的虛擬環(huán)境進行實時交互。目前，國內(nèi)外在數(shù)據(jù)手套方面的研制技術(shù)已經(jīng)相對成熟，國外的主要代表產(chǎn)品有美國 Immersion 公司的CyberGlove和南非的5DT Glove，李靜蓉，緒玉花和陳廣文等人研究了基于CyberGlove 數(shù)據(jù)手套的虛擬手的交互[1-2] ；文獻[3-7]基于5DT Glove 數(shù)據(jù)手套主要進行了手勢識別的研究。國內(nèi)的有中科院自動化研究所研制的數(shù)據(jù)手套CAS-Glove，北京鑫天視景科技有限公司研發(fā)的數(shù)據(jù)手套 WiseGlove，在文獻[8-10]中，毛謖，侯藏龍和郝建平等人基于 WiseGlove 數(shù)據(jù)手套做了一些應用研究。對于CAS-Glove 數(shù)據(jù)手套，它是國家“863”計劃支持下研制的高性能低成數(shù)據(jù)手套，它是一種采用柔性材料制作的，在其相應位置安裝了15個自行研制開發(fā)的柔性角度傳感器來分別測量手指各關(guān)節(jié)彎曲角度和手指開合程度，在性能方面達到國外同類產(chǎn)品的水平， 成本低于國外同類產(chǎn)品。

下面對相關(guān)數(shù)據(jù)手套產(chǎn)品的典型性能進行比較如下：1）可擴展功能性：CyberGlove 有手指捕捉功能和手指力反饋[1]功能，沒有手臂位置跟蹤功能；5DTGlov僅具有手指捕捉功能； WiseGlove可在現(xiàn)有手指捕捉功能集成上擴展手指力反饋和手臂位置檢測功能。 在功能上， WiseGlove 更完善一些。2）傳感器精度：WiseGlove 的手指傳感器精度不小于 0.2°，回

復精度：不小于 3°；5DT Glove 的手指傳感器精度原廠未進行描述。CyberGlove 手指傳感器精度不小于1°，回復精度：不小于 3°。在精度上，WiseGlove更好一些。 3）傳感器壽命：WiseGlove 手指傳感器使用第3代精密光纖傳感器；5DT Glove使用第2代光纖傳感器； CyberGlove 使用電阻傳感器。在使用壽命上，光纖傳感器更好一些。4）傳感器數(shù)量： 5DTGlove最多配置14個傳感器；WiseGlove 最多19個傳感器（用戶可以根據(jù)需要進行選配）；CyberGlove 配置22個傳感器。在數(shù)量上CyberGlove 更多一些。本文綜合考慮了可擴展功能性、傳感器精度、傳感器數(shù)量以及性價比等方面后，選擇了北京鑫天視景科技有限公司的WiseGlove7S手套來實現(xiàn)虛擬人手運動建模系統(tǒng)的研究。WiseGlove7S使用光纖傳感器來檢測手指彎曲度，手指關(guān)節(jié)上共使用了7個光纖傳感器，可實現(xiàn)人手手指關(guān)節(jié)的運動角 度捕捉，實現(xiàn)如搓捻、對掌、撥動和抓取等動作，后期也可以根據(jù)應用需要，升級手指力反饋和手臂位置跟蹤等功能。

1 WiseGlove7S數(shù)據(jù)手套概述

1.1 WiseGlove7S數(shù)據(jù)手套的光纖傳感器分布

WiseGlove7S 數(shù)據(jù)手套的光纖傳感器分布如圖1所示，它的7個光纖傳感器功能如下：S0和 S1實現(xiàn)大拇指的彎曲功能，S2位于虎口下方，主要實現(xiàn)大拇指的外展功能，即上下搓捻；S3-S6分別實現(xiàn)其余4指的彎曲功能。

1.2 手指傳感器算法、手勢自定義以及數(shù)據(jù)手套的標定

1）歸一化傳感器值

一個光纖傳感器的最小值（X）和最大值（Y）在標定數(shù)據(jù)手套時已完成。如果當前手套的某個光纖傳感器的值是Z，則滿足的關(guān)系：X<Z<Y。若Z>Y則Y=Z；若Z<X，則X=Z。這兩條確保了當前 值一直都在[X，Y]區(qū)間內(nèi)。假設(shè)某一個手指的活動角度是M，則當前的彎曲角度 N 可以 通過下面公式得到：N=M*(Z-X)/(Y-X)。

2）手勢自定義

從WiseGlove7S的數(shù)據(jù)手冊可知，光纖傳感器的精度為12位，則光纖傳感器的精度范圍為[0， 4 095]，這里可以認為當（Z-X）/（Y-X）<=2048時手指是分開的，（Z-X）/（Y-X）>2048 時手指是合攏的，通過這個關(guān)系條件，用戶可以定義每個手指的開與合，完成各種手勢的自定義。在文獻[11]中，定義了數(shù)據(jù)手套的5種一般手勢。

3）WiseGlove7S數(shù)據(jù)手套的標定

用戶戴好WiseGlove7S數(shù)據(jù)手套后，可使用下述標定方法對數(shù)據(jù)手套進行標定，然后再開始使用，具體實現(xiàn)如圖 2所示。

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