CN101354609A

CN101354609A - 基于ccd传感器的新型数据手套

Info

Publication number: CN101354609A
Application number: CNA2008102224779A
Authority: CN
Inventors: 张星宇; 翁冬冬; 王涌天; 刘越
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2009-01-28

Abstract

一种基于CCD传感器的数据手套。该发明采用了数字化的思想，信号的测量、传递、采集和处理等环节都直接以数字信息的形式来实现。为完成手指弯曲角度的测量，设计了一套新型角度测量传感器件。利用机械选光部件完成转角的识别和测量，进而获取手部的动作信息。该信息经光纤传递至CCD摄像头前，由CCD摄像头直接采集和读取数字图像信息，再交给计算机软件进行处理。这种新型数字式数据手套，摆脱了传统数据手套中处理模拟量的方法和结构复杂、成本昂贵等不足，具有结构简单、使用方便、成本低廉等优点。以此新型数据手套为输入设备的虚拟交互系统，将在虚拟装配、远程手术等领域有更加广阔的普及和应用。是虚拟现实技术领域中虚拟交互系统输入设备。

Description

基于CCD传感器的新型数据手套

技术领域

本发明涉及一种用于动作测量的传感装置，尤其是作为虚拟交互系统输入设备的数据手套。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展，虚拟手作为一种自然、高效的人机交互方式，已得到广泛的应用。在虚拟环境中，数据手套是一种重要的人一机交互设备，它能够实时获取手部运动信息，在虚拟环境中完成捕捉、操纵、交流等功能。一些传统的光纤式数据手套或机械式数据手套，都是通过各种传感器将手部动作转换成模拟电信号来工作，结构和原理比较复杂，成本高昂，容易产生较大误差，且需要较复杂的电路系统来支持。已有的基于图像处理的光学数据手套，也存在结构和和工作方式复杂，操作难度大，成本高昂等不足。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，克服背景技术的不足，提供一种结构简单合理，使用方便，成本低廉的新型数据手套。

本发明设计的数据手套主要采用了数字化的思想，摆脱了传统的处理模拟量的方法。在该设计中，信号的测量、传递、采集和处理等环节，都直接以数字信息的形式来实现。为完成对手指弯曲角度的测量，将机械测量和光学测量的方法相结合，设计了一套新型角度传感器。利用机械选光部件完成转角的识别和测量，进而获取手部的动作信息。该信息经光纤传递至CCD摄像头前，由CCD摄像头直接采集和读取数字图像信息，在交给计算机软件进行处理。

本发明的具体技术方案：

本发明的核心内容是一套简易机械式角度测量传感器件。此测量传感器件主要由一个机械选光部件，以及光纤和CCD摄像头组成。机械选光部件的主体是两个同轴的直径相同的转轮，两个转轮将通过侧面的短臂分别固定在关节两侧的手指上侧面。两个转轮相互靠近，其中一个转轮的内侧放置1个发光LED，另一转轮的对应部分有弧形排列的多个通光孔。每个通光孔和光纤束的一端连接，光纤束的另一端连至CCD摄像头。所有关节处的各条光纤束集中起来，在摄像头前有规律地排列，分别对应摄像头视野的不同区域，实现与CCD摄像头实现耦合。

手指的弯曲时，会带动两个转轮的相对转动，从而LED发出的光会依次进入不同的通光孔，再经该通光孔处的光纤传至摄像头。摄像头某区域获取到光信号，用数字信号1表示；而没有得到光信号的区域得到数字信号为0。这样，摄像头接收到所有光纤传来的0或1的信号按一定顺序组成了一组数字量的信息，可用于标定和识别此时手指的各个关节弯曲的角度。

CCD摄像头获取了光纤传来的的数字化的图像信息后，将其视频传入计算机，计算机对图像数据进行一整套的计算和处理，便能够得到当前的每个手指关节的弯曲情况，进而获取整个手部的动作信息。

有益效果：这种基于CCD传感器的新型数据手套，具有结构简单，使用方便，结实耐用，成本低廉等优点。以此新型数据手套为输入设备的虚拟交互系统，将在虚拟装配、远程手术、机器人控制，游戏娱乐及手语识别等领域有更加广阔的普及和应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是角度测量传感器件主视图；

图2是角度测量传感器件在手指关节处的安装位置，其中，1，2是短臂，3，4是转轮；

图3是两个转轮的内部结构简图，其中，1是通光孔，2是LED；

图4是光纤与CCD摄像头的耦合，其中，1是固定装置，2是耦合装置，3是CCD摄像头，4代表光纤束，5代表传入计算机；

图5是摄像头工作区域的分配。

具体实施方式

测量传感器件的两个转轮的外形见图1。此为放大后的主视图，3和4是形同心轮，由有一个固定轴连接；1和2是两个短臂，分别与4和3连接，来控制轮的转动。1和2可固定在关节两侧的手指上，这样，手指的弯曲就能够带动1和2的相对转动。数据手套便是由多个测量传感器件组成，分别固定在手的各个关节处，见图2。

图3为两个转轮的内部结构简图。在3处放置1个LED灯，信号是由LED发光产生的。4处与LED对应部分放置弧形排列的N条光纤接收端，光纤分布的密度决定测量的精度。1和2是两个臂转动一定角度时，3上的LED灯就会对应到某一位置的光纤接收端，该条光纤能够将LED发出的光亮传输出去，而其他位置的光纤不能接收和传输LED发出的光亮。这样，手指的弯曲带动1和2转动不同角度，LED发出的光会由不同位置的光纤接收到，并传输至CCD摄像头进行后续处理。光纤与摄像头的耦合见图4。各条光纤分别对应摄像头视野的不同区域。给每一个CCD摄像头基本感知区域分配一定的像素范围，这样便于数据的处理。例如一个分辨率为640×480的摄像头取中间480×320的区域作为工作范围，分成若干的空间，每个空间再分若干个子空间来处理。摄像头工作区域的分配参看图5。

例如，在图5中，当某关节两侧的手指伸平为180度的时候，3处LED灯对应4处图中最右侧的光纤，此处的光纤接收到光亮，传递数字信号1，其余光纤未结接收到光亮，传递数字信号2。当手臂一定角度时，另一处的光纤接收到光亮，传递1，其余光纤传递0。这样，由各光纤传递的不同的信号便可对应得到此时手指弯曲的角度。

CCD摄像头获取了光纤传来的的数字化的图像信息，并将其视频传入电脑中的分析系统，系统可以以OpenCV为软件开发平台，载入视频，截取图像，处理图像数据中的亮点情况和他们的位置，对图像数据进行一整套的计算和处理，便能够得到当前的每个手指关节的弯曲情况，进而获取真个手部的动作信息。手势的定义是基于实际信号值和预设信号值的比较而得到的。对每个手指的屈伸进行组合，便能定义不同的手势。开发虚拟手的图形界面可以采用OpenGL技术，利用OpenGL3D程序接口把上面得到的数据状态进一步的构造出来，做出逼真的现实图形，并生成良好的动画效果。

Claims

1.一种基于CCD传感器的新型数据手套，其特征是，引入了数字化的思想，利用新型角度测量传感系统使信号的测量、传递、采集等环节都直接以数字信息的形式来实现，并借助数字图像处理的手段来分析和处理数字信息。

2.根据权利要求1所述的数据手套，其特征是，角度测量传感系统该系统主要由机械选光部件、光纤和CCD摄像头构成。

3.根据权利要求2所述的数据手套，其特征是，机械选光部件分别固定在手的各个关节处，利用机械选光部件完成对手指关节的转角的识别和测量，进而获取手部的动作信息。

4.根据权利要求2所述的数据手套，其特征是，机械选光部件获取到的手部的动作信息经光纤传递至CCD摄像头前，由CCD摄像头直接采集和读取数字图像信息，再交给计算机软件进行处理。

5.根据权力要求3所述的数据手套，其特征是，机械选光部件的主体是两个直径相同的同轴的转轮，并分别有两个短臂，可固定在关节两侧，其中一个转轮的内侧放置1个发光LED，另一转轮的对应部分有弧形排列的多个通光孔，每个通光孔与一束光纤的一端耦合。

6.根据权力要求4所述的光纤和CCD摄像头，其特征是，所有关节处的各条光纤束集中起来，光纤束的另一端在摄像头前有规律地排列，分别对应摄像头视野的不同区域，实现光纤束与CMOS摄像头的耦合。