斑紋式數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的建立及其相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、裝配工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃是產(chǎn)品開發(fā)中的重要環(huán)節(jié),隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步,虛擬裝配成為支持裝配工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃的新途徑。作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備,數(shù)據(jù)手套為獲取用戶手部的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)提供了最為直接的解決方案。然而,數(shù)據(jù)手套的成本制約著數(shù)據(jù)手套在虛擬裝配系統(tǒng)的中的應(yīng)用和推廣。此外,數(shù)據(jù)手套由于傳感器本身的局限還存在著使用壽命和標(biāo)定困難等方面的問(wèn)題。
　　針對(duì)數(shù)據(jù)手套應(yīng)用中存在的上述問(wèn)題,本文提出并設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺的、表面具有一定編碼特征

2、的斑紋式數(shù)據(jù)手套,利用的機(jī)器視覺設(shè)備代替附著在手套上的傳感器獲取手套表面的斑紋編碼,通過(guò)斑紋的幾何特征和位置信息得到手部運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為了有效處理斑紋式數(shù)據(jù)手套運(yùn)動(dòng)中復(fù)雜的幾何變換關(guān)系,引入了共形幾何代數(shù)這一數(shù)學(xué)工具對(duì)斑紋式數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)進(jìn)行描述。分析了手部運(yùn)動(dòng)的自由度并在共形幾何代數(shù)的框架下對(duì)其進(jìn)行了幾何劃分,形成手指面和手掌面,在此基礎(chǔ)上建立了斑紋式數(shù)據(jù)手套的數(shù)學(xué)模型,用于求解斑紋式數(shù)據(jù)手套的位姿參數(shù)。
　　提出了斑紋式數(shù)據(jù)手套的編

3、碼方法,應(yīng)用顏色和形狀特征生成手指區(qū)域的彩色斑塊,通過(guò)顏色空間的轉(zhuǎn)換和圖像矩的計(jì)算,以團(tuán)塊的形式對(duì)這些斑塊進(jìn)行提取;同時(shí)根據(jù)條形碼的原理對(duì)手部剩余各區(qū)域的進(jìn)行編碼。在手指編碼的識(shí)別過(guò)程中通過(guò)多方向條碼信息的聯(lián)合提取,實(shí)現(xiàn)了指節(jié)的識(shí)別。利用對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系下的模板匹配對(duì)手掌二維編碼進(jìn)行識(shí)別定位,為后續(xù)的跟蹤提供初始化條件。
　　實(shí)現(xiàn)了斑紋式數(shù)據(jù)手套在雙目視覺系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)跟蹤。首先采用粒子濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)手掌面上彩色斑塊的平面跟蹤,并根據(jù)手

4、部運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)建立指節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的共形幾何代數(shù)模型,進(jìn)一步在雙目視覺系統(tǒng)中對(duì)斑紋式數(shù)據(jù)手套的進(jìn)行跟蹤,獲取手部運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。在粒子濾波算法中引入共形幾何代數(shù)的方法設(shè)定粒子參數(shù),解決由于手部姿態(tài)變化引起的局部遮擋問(wèn)題,更為穩(wěn)定地對(duì)斑紋式數(shù)據(jù)手套進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤。
　　針對(duì)斑紋式數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)虛擬操作功能的實(shí)現(xiàn),建立了虛擬手模型并提出斑紋式數(shù)據(jù)手套的虛擬操作規(guī)則。在虛擬手的建模過(guò)程中應(yīng)用基于共形幾何代數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)線性頂點(diǎn)混合,改善了頂點(diǎn)混合中產(chǎn)生

5、的失真現(xiàn)象,增強(qiáng)了虛擬手模型關(guān)節(jié)部分的真實(shí)感。將斑紋式數(shù)據(jù)手套獲取的數(shù)據(jù)傳遞到虛擬手,驅(qū)動(dòng)虛擬手運(yùn)動(dòng)。通過(guò)斑紋式數(shù)據(jù)手套編碼區(qū)域的可見狀態(tài)進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別,結(jié)合碰撞檢測(cè)和操作有效性判斷的結(jié)果實(shí)現(xiàn)虛擬操作。
　　最后,通過(guò)規(guī)范化的軟件方法對(duì)系統(tǒng)的功能模型和結(jié)構(gòu)流程進(jìn)行了設(shè)計(jì),開發(fā)了斑紋式數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)。針對(duì)不同的工作階段,分別對(duì)手部尺寸測(cè)量、手部運(yùn)動(dòng)參數(shù)獲取和虛擬操作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并提出靜態(tài)條件下的手部姿態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確性和動(dòng)態(tài)條件下手部位置