專利名稱：基于ccd傳感器的新型數(shù)據(jù)手套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于動(dòng)作測(cè)量的傳感裝置，尤其是作為虛擬交互系統(tǒng)輸入設(shè) 備的數(shù)據(jù)手套。
背景技術(shù)：
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬手作為一種自然、高效的人機(jī)交互方式，已 得到廣泛的應(yīng)用。在虛擬環(huán)境中，數(shù)據(jù)手套是一種重要的人一機(jī)交互設(shè)備，它 能夠?qū)崟r(shí)獲取手部運(yùn)動(dòng)信息，在虛擬環(huán)境中完成捕捉、操縱、交,流等功能。一 些傳統(tǒng)的光纖式數(shù)據(jù)手套或機(jī)械式數(shù)據(jù)手套，都是通過各種傳感器將手部動(dòng)作 轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)來工作，結(jié)構(gòu)和原理比較復(fù)雜，成本高昂，容易產(chǎn)生較大誤 差，且需要較復(fù)雜的電路系統(tǒng)來支持。已有的基于圖像處理的光學(xué)數(shù)據(jù)手套， 也存在結(jié)構(gòu)和和工作方式復(fù)雜，操作難度大，成本高昂等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，克服背景技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合 理，使用方便，成本低廉的新型數(shù)據(jù)手套。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)手套主要采用了數(shù)字化的思想，擺脫了傳統(tǒng)的處理模擬量 的方法。在該設(shè)計(jì)中，信號(hào)的測(cè)量、傳遞、采集和處理等環(huán)節(jié)，都直接以數(shù)字 信息的形式來實(shí)現(xiàn)。為完成對(duì)手指彎曲角度的測(cè)量，將機(jī)械測(cè)量和光學(xué)測(cè)量的 方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套新型角度傳感器。利用機(jī)械選光部件完成轉(zhuǎn)角的識(shí)別 和測(cè)量，進(jìn)而獲取手部的動(dòng)作信息。該信息經(jīng)光纖傳遞至CCD攝像頭前，由CCD
攝像頭直接采集和讀取數(shù)字圖像信息，在交給計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理。 本發(fā)明的具體技術(shù)方案
本發(fā)明的核心內(nèi)容是一套簡(jiǎn)易機(jī)械式角度測(cè)量傳感器件。此測(cè)量傳感器件主 要由一個(gè)機(jī)械選光部件，以及光纖和CCD攝像頭組成。機(jī)械選光部件的主體是 兩個(gè)同軸的直徑相同的轉(zhuǎn)輪，兩個(gè)轉(zhuǎn)輪將通過側(cè)面的短臂分別固定在關(guān)節(jié)兩側(cè)
的手指上側(cè)面。兩個(gè)轉(zhuǎn)輪相互靠近，其中一個(gè)轉(zhuǎn)輪的內(nèi)側(cè)放置1個(gè)發(fā)光LED，另 一轉(zhuǎn)輪的對(duì)應(yīng)部分有弧形排列的多個(gè)通光孔。每個(gè)通光孔和光纖束的一端連接， 光纖束的另一端連至CCD攝像頭。所有關(guān)節(jié)處的各條光纖束集中起來，在攝像 頭前有規(guī)律地排列，分別對(duì)應(yīng)攝像頭視野的不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)與CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)
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手指的彎曲時(shí)，會(huì)帶動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而LED發(fā)出的光會(huì)依次進(jìn)入 不同的通光孔，再經(jīng)該通光孔處的光纖傳至攝像頭。攝像頭某區(qū)域獲取到光信 號(hào)，用數(shù)字信號(hào)l表示；而沒有得到光信號(hào)的區(qū)域得到數(shù)字信號(hào)為O。這樣，攝 像頭接收到所有光纖傳來的0或1的信號(hào)按一定順序組成了一組數(shù)字量的信息， 可用于標(biāo)定和識(shí)別此時(shí)手指的各個(gè)關(guān)節(jié)彎曲的角度。
CCD攝像頭獲取了光纖傳來的的數(shù)字化的圖像信息后，將其視頻傳入計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行一整套的計(jì)算和處理，便能夠得到當(dāng)前的每個(gè)手指關(guān)節(jié) 的彎曲情況，進(jìn)而獲取整個(gè)手部的動(dòng)作信息。
有益效果這種基于CCD傳感器的新型數(shù)據(jù)手套，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便， 結(jié)實(shí)耐用，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。以此新型數(shù)據(jù)手套為輸入設(shè)備的虛擬交互系統(tǒng)， 將在虛擬裝配、遠(yuǎn)程手術(shù)、機(jī)器人控制，游戲娛樂及手語識(shí)別等領(lǐng)域有更加廣 闊的普及和應(yīng)用前景。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖l是角度測(cè)量傳感器件主視圖2是角度測(cè)量傳感器件在手指關(guān)節(jié)處的安裝位置，其中，1， 2是短臂，3， 4是轉(zhuǎn)輪；
圖3是兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中，l是通光孔，2是LED; 圖4是光纖與CCD攝像頭的耦合，其中，l是固定裝置，2是耦合裝置，3是 CCD攝像頭，4代表光纖束，5代表傳入計(jì)算機(jī)； 圖5是攝像頭工作區(qū)域的分配。
具體實(shí)施例方式
測(cè)量傳感器件的兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的外形見圖l。此為放大后的主視圖，3和4是形同 心輪，由有一個(gè)固定軸連接；l和2是兩個(gè)短臂，分別與4和3連接，來控制輪的 轉(zhuǎn)動(dòng)。l和2可固定在關(guān)節(jié)兩側(cè)的手指上，這樣，手指的彎曲就能夠帶動(dòng)1和2的 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)據(jù)手套便是由多個(gè)測(cè)量傳感器件組成，分別固定在手的各個(gè)關(guān)節(jié) 處，見圖2。
圖3為兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在3處放置1個(gè)LED燈，信號(hào)是由LED發(fā)光產(chǎn) 生的。4處與LED對(duì)應(yīng)部分放置弧形排列的N條光纖接收端，光纖分布的密度決定 測(cè)量的精度。l和2是兩個(gè)臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，3上的LED燈就會(huì)對(duì)應(yīng)到某一位置 的光纖接收端，該條光纖能夠?qū)ED發(fā)出的光亮傳輸出去，而其他位置的光纖不 能接收和傳輸LED發(fā)出的光亮。這樣，手指的彎曲帶動(dòng)1和2轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度，LED 發(fā)出的光會(huì)由不同位置的光纖接收到，并傳輸至CCD攝像頭進(jìn)行后續(xù)處理。光纖 與攝像頭的耦合見圖4。各條光纖分別對(duì)應(yīng)攝像頭視野的不同區(qū)域。給每一個(gè) CCD攝像頭基本感知區(qū)域分配一定的像素范圍，這樣便于數(shù)據(jù)的處理。例如一 個(gè)分辨率為640X480的攝像頭取中間480X320的區(qū)域作為工作范圍，分成若干 的空間，每個(gè)空間再分若干個(gè)子空間來處理。攝像頭工作區(qū)域的分配參看圖5。
例如，在圖5中，當(dāng)某關(guān)節(jié)兩側(cè)的手指伸平為180度的時(shí)候，3處LED燈對(duì) 應(yīng)4處圖中最右側(cè)的光纖，此處的光纖接收到光亮，傳遞數(shù)字信號(hào)l，其余光纖 未結(jié)接收到光亮，傳遞數(shù)字信號(hào)2。當(dāng)手臂一定角度時(shí)，另一處的光纖接收到光 亮，傳遞l，其余光纖傳遞O。這樣，由各光纖傳遞的不同的信號(hào)便可對(duì)應(yīng)得到 此時(shí)手指彎曲的角度。
CCD攝像頭獲取了光纖傳來的的數(shù)字化的圖像信息，并將其視頻傳入電腦中 的分析系統(tǒng)，系統(tǒng)可以以O(shè)penCV為軟件開發(fā)平臺(tái)，載入視頻，截取圖像，處理 圖像數(shù)據(jù)中的亮點(diǎn)情況和他們的位置，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行一整套的計(jì)算和處理， 便能夠得到當(dāng)前的每個(gè)手指關(guān)節(jié)的彎曲情況，進(jìn)而獲取真?zhèn)€手部的動(dòng)作信息。 手勢(shì)的定義是基于實(shí)際信號(hào)值和預(yù)設(shè)信號(hào)值的比較而得到的。對(duì)每個(gè)手指的屈 伸進(jìn)行組合，便能定義不同的手勢(shì)。開發(fā)虛擬手的圖形界面可以采用OpenGL 技術(shù)，利用0penGL3D程序接口把上面得到的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)一步的構(gòu)造出來，做出 逼真的現(xiàn)實(shí)圖形，并生成良好的動(dòng)畫效果。
權(quán)利要求
1.一種基于CCD傳感器的新型數(shù)據(jù)手套，其特征是，引入了數(shù)字化的思想，利用新型角度測(cè)量傳感系統(tǒng)使信號(hào)的測(cè)量、傳遞、采集等環(huán)節(jié)都直接以數(shù)字信息的形式來實(shí)現(xiàn)，并借助數(shù)字圖像處理的手段來分析和處理數(shù)字信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)手套，其特征是，角度測(cè)量傳感系統(tǒng)該系統(tǒng) 主要由機(jī)械選光部件、光纖和CCD攝像頭構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)手套，其特征是，機(jī)械選光部件分別固定在 手的各個(gè)關(guān)節(jié)處，利用機(jī)械選光部件完成對(duì)手指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角的識(shí)別和測(cè)量，進(jìn) 而獲取手部的動(dòng)作信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)手套，其特征是，機(jī)械選光部件獲取到的手 部的動(dòng)作信息經(jīng)光纖傳遞至CCD攝像頭前，由CCD攝像頭直接采集和讀取數(shù)字 圖像信息，再交給計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理。
5. 根據(jù)權(quán)力要求3所述的數(shù)據(jù)手套，其特征是，機(jī)械選光部件的主體是兩 個(gè)直徑相同的同軸的轉(zhuǎn)輪，并分別有兩個(gè)短臂，可固定在關(guān)節(jié)兩側(cè)，其中一個(gè) 轉(zhuǎn)輪的內(nèi)側(cè)放置1個(gè)發(fā)光LED，另一轉(zhuǎn)輪的對(duì)應(yīng)部分有弧形排列的多個(gè)通光孔， 每個(gè)通光孔與一束光纖的一端耦合。
6. 根據(jù)權(quán)力要求4所述的光纖和CCD攝像頭，其特征是，所有關(guān)節(jié)處的各 條光纖束集中起來，光纖束的另一端在攝像頭前有規(guī)律地排列，分別對(duì)應(yīng)攝像 頭視野的不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)光纖束與CMOS攝像頭的耦合。
全文摘要
一種基于CCD傳感器的數(shù)據(jù)手套。該發(fā)明采用了數(shù)字化的思想，信號(hào)的測(cè)量、傳遞、采集和處理等環(huán)節(jié)都直接以數(shù)字信息的形式來實(shí)現(xiàn)。為完成手指彎曲角度的測(cè)量，設(shè)計(jì)了一套新型角度測(cè)量傳感器件。利用機(jī)械選光部件完成轉(zhuǎn)角的識(shí)別和測(cè)量，進(jìn)而獲取手部的動(dòng)作信息。該信息經(jīng)光纖傳遞至CCD攝像頭前，由CCD攝像頭直接采集和讀取數(shù)字圖像信息，再交給計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理。這種新型數(shù)字式數(shù)據(jù)手套，擺脫了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手套中處理模擬量的方法和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴等不足，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。以此新型數(shù)據(jù)手套為輸入設(shè)備的虛擬交互系統(tǒng)，將在虛擬裝配、遠(yuǎn)程手術(shù)等領(lǐng)域有更加廣闊的普及和應(yīng)用。是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域中虛擬交互系統(tǒng)輸入設(shè)備。
文檔編號(hào)G06F3/01GK101354609SQ20081022247
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者越 劉, 張星宇, 王涌天, 翁冬冬 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)