CN106055826A

CN106055826A - 一种用于三维建模的节点硬件

Info

Publication number: CN106055826A
Application number: CN201610417294.7A
Authority: CN
Inventors: 王濛; 米海鹏; 徐迎庆
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-06-14
Also published as: CN106055826B

Abstract

本发明公开一种用于三维建模的节点硬件，应用于非刚性界面，该节点硬件包括：第一端结构、第二端结构以及万向接头；所述万向接头连接所述第一端结构和所述第二端结构；所述第一端结构设置有第一连接器件；所述第二端结构设置有第二连接器件以及第三连接器件；所述第三连接器件，用于与其他节点硬件的第一连接器件或第二连接器件连接，以实现三维建模。本发明通过万向接头，使得节点硬件的两个端结构能转向往任何方向，并通过两个端结构设置的三个连接器件实现与其他节点硬件的连接，从而实现三维建模，可应用于非刚性界面NRI，属于使用可变形结构的NRI，在不使用柔性材料的条件下，也可以进行变形。

Description

一种用于三维建模的节点硬件

技术领域

本发明涉及三维建模技术领域，具体涉及一种用于三维建模的节点硬件。

背景技术

物理空间与赛博空间正在慢慢融合而成为一个新的超空间，而作为这种融合的接口技术：界面技术，将在很大程度上决定未来的超空间的形态。界面技术包括：虚拟现实技术与增强现实技术。这两种界面技术极大地促进了赛博空间与物理空间在视觉通道上的融合。然而从整体的用户体验上来讲，“木桶效应”却十分的严重：数字信息的视觉属性几乎可以被完美地呈现，然而其他的属性(比如触感、重量等)却几乎毫无表达。用户作为观察者的时候能够获得很好的体验，一旦要与数字信息进行交互，沉浸感就立刻被割裂了。

现有用户界面的形式限制了数字信息的多元化，使其他通道的信息成为了冗余。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了克服上述问题的一种用于三维建模的节点硬件。

本发明提出的用于三维建模的节点硬件，包括：

第一端结构、第二端结构以及万向接头；

所述万向接头连接所述第一端结构和所述第二端结构；

所述第一端结构设置有第一连接器件；

所述第二端结构设置有第二连接器件以及第三连接器件；

所述第三连接器件，用于与其他节点硬件的第一连接器件或第二连接器件连接，以实现三维建模。

可选的，所述第一端结构或所述第二端结构设置有惯性测量单元IMU；

所述第一端结构或所述第二端结构设置有微处理器MCU；

所述MCU连接所述IMU、所述第一连接器件、所述第二连接器件以及所述第三连接器件；

所述MCU，用于获取所述IMU的测量数据。

可选的，所述第一连接器件设置有第一总线接口；

所述第二连接器件设置有第二总线接口；

所述第三连接器件设置有第三总线接口；

所述MCU连接所述第一总线接口、所述第二总线接口以及所述第三总线接口；

所述MCU，还用于通过所述第一总线接口、所述第二总线接口或所述第三总线接口将所述IMU的测量数据发送到上位机，以使所述上位机基于所述IMU的测量数据重建三维建模。

可选的，所述第一端结构或所述第二端结构设置有无线通信器件；

所述MCU连接所述无线通信器件；

所述MCU，还用于通过所述无线通信器件将所述IMU的测量数据发送到上位机，以使所述上位机基于所述IMU的测量数据重建三维建模。

可选的，所述第一连接器件设置有第一串口；

所述第二连接器件设置有第二串口；

所述第三连接器件设置有第三串口；

所述MCU连接所述第一串口、所述第二串口以及所述第三串口；

所述MCU，还用于通过所述第一串口、所述第二串口和/或所述第三串口与其他节点硬件的MCU进行串口通信，以获取其他节点硬件的IMU的测量数据。

可选的，所述MCU，还用于基于所述IMU的测量数据以及获取的其他节点硬件的IMU的测量数据，确定所述MCU在拓扑结构中的位置信息，并将所述位置信息发送到所述上位机，以使所述上位机基于所述IMU的测量数据以及所述位置信息重建三维建模；

其中，所述拓扑结构为所述MCU所在的节点硬件以及其他节点硬件构成的三维模型对应的拓扑结构。

可选的，所述拓扑结构由链式结构及分支结构组成；所述链式结构为第三连接器件与第一连接器件连接构成的结构；所述分支结构为第三连接器件与第二连接器件构成的结构；

相应地，所述位置信息包括：

所述节点硬件所在的链式结构的编号、所述节点硬件在该链式结构中的序号、所述节点硬件所在的分支结构的编号以及该分支结构的起始节点硬件所在的链式结构的编号。

可选的，所述第一连接器件包括第一排母，所述第二连接器件包括第二排母，所述第三连接器件包括针座；

或，

所述第一连接器件包括第一针座，所述第二连接器件包括第二针座，所述第三连接器件包括排母；

相应地，所述第三连接器件，用于与其他节点硬件的第一连接器件或第二连接器件连接，包括：

所述针座，用于与其他节点硬件的第一排母或第二排母连接；

或，

所述排母，用于与其他节点硬件的第一针座或第二针座连接。

可选的，所述第一总线接口、所述第二总线接口以及所述第三总线接口均为内置集成电路IIC总线接口。

可选的，所述MCU中的固件烧录有唯一标识信息。

相比于现有技术，本发明提出的用于三维建模的节点硬件，通过万向接头，使得节点硬件的两个端结构能转向往任何方向，并通过两个端结构设置的三个连接器件实现与其他节点硬件的连接，从而实现三维建模，可应用于非刚性界面NRI，属于使用可变形结构的NRI，在不使用柔性材料的条件下，很多刚性的结构组合在一起也可以进行变形。非刚性界面作为一种新的界面形态，尝试把“可触性”和“形变性”相结合，以多通道的方式增强实体界面的交互体验，非刚性界面可以用物理形状的通道来进行语义表达，这种表达方式所带来的好处就是直观、自然，极大地增加了实体界面的灵活性，通过传感与驱动的方式创建数字形状和物理形状耦合的交互，也使得形状容易被加工、修改、复制和传播，同时创作和操控又能更为直观自然。

进一步地，本发明提出的用于三维建模的节点硬件，通过设置惯性测量单元IMU以及微处理器MCU，使得上位机可基于MCU发送的IMU的测量数据，重建数字三维建模，亦即本发明提出的节点硬件可实现利用数字形状与物理形状耦合的交互来改进经由可触用户界面(Tangible User Interface，TUI)的三维物体的建模以及驱动。

进一步地，本发明提出的用于三维建模的节点硬件，适用于下一代基于自然用户界面交互系统的非刚性界面及其新的技术实现方案，以及非刚性界面在下一代人机交互环境中针对不同应用领域所蕴含的新的交互行为和交互体验的可能性。非刚性界面能够提供物理形状的反馈，其输入等于输出的特性使得交互行为本身更符合认知、容易理解。这些特性使得非刚性界面能够为下一代人机交互环境中不同应用领域带来新的交互行为和交互体验。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于三维建模的节点硬件结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于三维建模的节点硬件结构示意图；

图3为本发明实施例提供的由两个节点硬件构成的链式结构示意图；

图4为本发明实施例提供的由两个节点硬件构成的分支结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种由多个节点硬件构成的拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，在本文中，“第一”、“第二”、“第三”等字样仅仅用来将相同的名称区分开来，而不是暗示这些名称之间的关系或者顺序。

图形用户界面(Graphic User Interface，GUI)经过几十年的发展，已经具备了完善的设计理论和规范，使得用户能够经由GUI较为方便地操控与获取赛博空间中的信息。然而GUI基于WIMP(Window-Icon-Menu-Pointer，窗口、图标、选单、指针)的交互实际上建立在一个大前提之上：赛博空间所含的信息只包括文字、画面以及声音。

如果用数字信息去完整地存储一个石块，那么这个数据集就应该具有真实的石块所具有的所有属性，包括形状、纹理、温度、重量、触感等等。但是如果这个数据集只能通过传统的GUI来进行交互，那么就只能呈现为一个二维的图像，因此其他通道的信息就成为了冗余(Redundancy)。所以可以得到一个重要的结论：用户界面的形式限制了数字信息的多元化。而包括可触用户界面(Tangible User Interface，TUI)在内的各种多通道界面技术正是为了解决这一问题而出现的。

虚拟现实(Virtual Reality，VR)与增强现实(Augmented Reality，AR)各自通过两种完全相反的方式将视觉通道的用户界面形态推进到了极致。虚拟现实通过营造完全的沉浸式视觉体验增强了用户对于数字信息三维视觉属性(形状、光泽等)的直观感受，而增强现实则使得数字信息中的图像内容能够直观地呈现在可交互的物理空间内。

虚拟现实与增强现实两种界面技术极大地促进了赛博空间与物理空间在视觉通道上的融合。然而从整体的用户体验上来讲，“木桶效应”却十分的严重：数字信息的视觉属性几乎可以被完美地呈现，然而其他的属性(比如触感、重量等)却几乎毫无表达。用户作为观察者的时候能够获得很好的体验，一旦要与数字信息进行交互，沉浸感就立刻被割裂了。

可触用户界面(Tangible User Interface，TUI)是研究面向下一代人机交互体验的自然界面及接口技术的新兴学科。可触用户界面的研究尝试寻找一种更为自然的采用可以触摸的实物进行操作的交互隐喻。作为一种新兴的用户界面形态，TUI的相关研究至今方兴未艾，而作为一种增强型的TUI，非刚性界面专注于对界面物理形状的研究。

在TUI相关的研究中，通过设计新的界面形式来表达数字信息的非视觉属性成为了近些年的研究热点。机器人技术、驱动器技术、生物技术、化学技术等前沿科技纷纷被引入到界面设计的领域内，为了将移动性、形变性、触觉感受等从前被阻塞的数字信息通道打开。非刚性界面作为其中一类研究，尝试把“可触性”和“形变性”相结合，以多通道的方式增强TUI的交互体验。

本发明实施例提供的用于三维建模的节点硬件，可应用于非刚性界面，以及非刚性界面在未来人机交互系统中的应用。非刚性界面能够提供物理形状的反馈，其输入等于输出(Input Equals Output)的特性使得交互行为本身更符合认知、容易理解，并且在远程交互上有着天然的优势。这些特性使得非刚性界面能够为下一代人机交互环境中不同应用领域带来新的交互行为和交互体验。

本发明实施例提供的用于三维建模的节点硬件，应用于非刚性界面，整个交互界面则采用混合现实的方式进行搭建，通过数字内容和实体内容的实时互动强化实体交互的体验。

非刚性界面(Non-Rigid Interface，NRI)，用以指代界面元素(包含输入和输出)能够主动或被动改变形状的用户界面系统。NRI包括：使用柔性材料的NRI、使用可变形结构的NRI以及基于驱动器阵列的可变形NRI。

使用柔性材料的NRI，通过引入各种柔性材料进行非刚性界面原型设计，气动式的TUI组件是最为常用的一种形式，能够表达变化的高度、角度、形状等数字信息，扩展了交互的通道。除此之外，很多其他领域(比如生物、化学等)的最新研究成果也经常被用于这一类研究。例如通过在触屏上添加一层可以受激变形的多聚凝胶，使屏幕能够凸起成为特定的形状并给用户以不同的触觉反馈。

基于驱动器阵列的可变形NRI，采用模块化的思想和驱动器阵列技术相结合，是机器人领域十分前沿的课题。很多种类的机器人比如蛇形机器人、集群机器人、自折叠机器人等都是这种结合的产物。同样，类似的思路也可以应用在NRI的研究中。例如，基于像素驱动阵列的NRI系统。这个系统具有能够动态进行变形的界面，能够提供动态的示能性和约束，并且还能够驱动界面内的一些小物体。又例如蛇形机器人的技术，使得界面能够呈现出不同的形态。

本发明实施例提供的用于三维建模的节点硬件，属于使用可变形结构的NRI，在不使用柔性材料的条件下，借鉴了模块化的思想，很多刚性的结构组合在一起也可以进行变形。

具体地，如图1所示，本实施例公开用于三维建模的节点硬件，可包括：第一端结构1、第二端结构2以及万向接头3。

万向接头3连接第一端结构1和第二端结构2；第一端结构1设置有第一连接器件；第二端结构2设置有第二连接器件以及第三连接器件；第三连接器件，用于与其他节点硬件的第一连接器件或第二连接器件连接，以实现三维建模。

本实施例中，第一端结构1、第二端结构2均为类似与长方体的结构，但不限于长方体形状，本领域技术人员可基于本发明思路设计第一端结构1、第二端结构2的具体形状。

本实施例中，第一连接器件可以为第一排母，第二连接器件可以为第二排母，第三连接器件可以为针座。如图2所示，第一排母可设置于第一端结构1的顶部11。第二排母可设置于第二端结构2的四个侧面，即每个面均设有排母，四个面的排母的总和统称为第二排母。针座可设置于第二端结构2的底部22。

本实施例中，图3示出了由两个节点硬件构成的链式结构，具体为一个节点硬件的针座与另一个节点的第一排母连接可构成链式结构。

本实施例中，图4示出了由两个节点硬件构成的分支结构，具体为一个节点硬件的针座与另一个节点的第二排母连接可构成分支结构。

在本实施例的另一种实施方式中，第一连接器件可以为第一针座，第二连接器件可以为第二针座，第三连接器件可以为排母。则在图2中，第一针座可设置于第一端结构1的顶部11。第二针座可设置于第二端结构2的四个侧面，即每个面均设有针座，四个面的针座的总和统称为第二针座。排母可设置于第二端结构2的底部22。

本实施方式中，图3示出了由两个节点硬件构成的链式结构，具体为一个节点硬件的排母与另一个节点的第一针座连接可构成链式结构。

本实施方式中，图4示出了由两个节点硬件构成的分支结构，具体为一个节点硬件的排母与另一个节点的第二针座连接可构成分支结构。

基于链式结构和分支结构，多个节点硬件通过各自的三个连接器件的自由连接，即可实现三维建模。

相比于现有技术，本实施例提出的用于三维建模的节点硬件，通过万向接头，使得节点硬件的两个端结构能转向往任何方向，即节点硬件的两个端结构能够被自由地扭转，并通过两个端结构设置的三个连接器件实现与其他节点硬件的连接，从而实现三维建模，可应用于非刚性界面NRI，属于使用可变形结构的NRI，在不使用柔性材料的条件下，很多刚性的结构组合在一起也可以进行变形。非刚性界面作为一种新的界面形态，尝试把“可触性”和“形变性”相结合，以多通道的方式增强实体界面的交互体验，非刚性界面可以用物理形状的通道来进行语义表达，这种表达方式所带来的好处就是直观、自然，极大地增加了实体界面的灵活性，通过传感与驱动的方式创建数字形状和物理形状耦合的交互，也使得形状容易被加工、修改、复制和传播，同时创作和操控又能更为直观自然。

在一个具体的例子一中，第一端结构1或第二端结构2设置有惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)；第一端结构1或第二端结构2设置有微处理器MCU。

MCU连接IMU、第一连接器件、第二连接器件以及第三连接器件；MCU，用于获取IMU的测量数据。

本实施例中，IMU可以测量出节点硬件在地球坐标系下的空间姿态信息。本实施例中IMU为九轴的IMU。MCU可获取IMU的测量数据。

本实施例中，构成三维模型的每个节点硬件均可获知自己的空间姿态信息，为在数字空间内重建所述三维模型奠定技术基础。

在上述具体的例子一的基础上，本发明实施例提供一个具体的例子二，该例子二中，第一连接器件设置有第一总线接口；第二连接器件设置有第二总线接口；第三连接器件设置有第三总线接口；MCU连接第一总线接口、第二总线接口以及第三总线接口。

本实施例中，MCU，还用于通过第一总线接口、第二总线接口或第三总线接口将IMU的测量数据发送到上位机，以使上位机基于IMU的测量数据重建三维建模。

本实施例中，MCU通过外置独立的总线将IMU的测量数据发送到上位机。

本实施例中，MCU是通过有线方式将数据发送到上位机。

本发明实施例给出具体的例子三，使得MCU通过无线方式将数据发送到上位机。具体地：

第一端结构1或第二端结构2设置有无线通信器件；MCU连接无线通信器件；

MCU，还用于通过无线通信器件将IMU的测量数据发送到上位机，以使上位机基于所述IMU的测量数据重建三维建模。

在具体的例子二、三的基础上，本发明实施例给出具体的例子四中，第一连接器件设置有第一串口；第二连接器件设置有第二串口；第三连接器件设置有第三串口；MCU连接第一串口、第二串口以及第三串口；

MCU，还用于通过第一串口、第二串口和/或第三串口与其他节点硬件的MCU进行串口通信，以获取其他节点硬件的IMU的测量数据。

本实施例中，MCU通过第一串口、第二串口和/或第三串口与其他节点硬件的MCU进行串口通信，以获取其他节点硬件的IMU的测量数据，从而明确彼此之间的拓扑关系。

本实施例中，MCU，还用于基于IMU的测量数据以及获取的其他节点硬件的IMU的测量数据，确定MCU在拓扑结构中的位置信息，并将位置信息发送到上位机，以使上位机基于IMU的测量数据以及位置信息实现三维建模；

其中，拓扑结构为所述MCU所在的节点硬件以及其他节点硬件构成的三维模型对应的拓扑结构。

本实施例中，拓扑结构由链式结构及分支结构组成；链式结构为第三连接器件与第一连接器件连接构成的结构；分支结构为第三连接器件与第二连接器件构成的结构；例如图3所示的链式结构及图4所示的分支结构。

本实施例中，位置信息包括：节点硬件所在的链式结构的编号、节点硬件在该链式结构中的序号、节点硬件所在的分支结构的编号以及该分支结构的起始节点硬件所在的链式结构的编号。

举例说明如下，如图5所示的拓扑结构，为了在数字空间内重建三维模型，节点硬件组成的拓扑网络结构是最为关键的。知道了节点硬件间的拓扑关系，通过每个节点硬件内嵌的IMU和节点硬件的物理大小就能够推算出整个拓扑网络所组成的物理结构。

如图5所示的拓扑结构是一个基于物理上“链式结构”“分支结构”两种连接方式而形成的“链树网络”。本实施例用四个参数(M，S，C，N)来描述某一个节点硬件在拓扑网络中的位置。M描述了节点硬件所在的链式结构的编号，链式结构的编号是唯一的；S描述了节点硬件在该链式结构中的序号。通过M和S两个参数，每条链内部的拓扑关系明确了。如果某条链的第一个节点硬件(S＝0)被连接在了另外一条链的某个节点硬件上，则前者的C和N就会用来记录后者的M和S值。通过这样的方式就可以描述清楚链与链之间的连接，整个拓扑网络就可以被重构。

上位机接收到的数据包由数据头、拓扑参数(M，S，C，N)、IMU测量数据、校验尾组成。上位机持续收到各个节点硬件发来的最新的数据，然后结合拓扑关系、IMU测量数据和预设的物理大小重建对应的物理结构。具体来讲，如图5所示，一个链树网络拓扑上一定有且仅有一个初始节点(S＝0，C＝0，N＝0)，从该节点开始，结合IMU测量数据和预设的物理大小按顺序重建该链上的其他节点位置，然后再检索连接在该链上的其他链并进行重建，按照这种方式进行迭代直到完成所有节点的重建。

经过计算后重建出来的节点网络可以有多种应用方式。使用节点模块的真实形状进行渲染可以较好地还原模型的物理形状。用贝赛尔曲线进行平滑处理可以突出模型的曲线特征。绑定已有的模型特征点即可进行模型的驱动等。

利用本发明实施例提供的节点硬件，可以进行带有弯曲特征的模型的搭建和驱动。通过将模块连成一条链，可以很轻易地进行空间曲线的操作，比如设计一个造型十分不规则的、带有三维弯曲特征的台灯。通过搭接模块可以调节灯身的长度，通过扭曲就可以直接进行造型。模型同时兼容传统的操作方式，可以在软件界面中进行参数(直径、锥度等)的调整。进一步地，还可以用TUI操作的方式直接实时地生成序列动画。模型也可以直接导出到3D打印机进行制作。

通过分支结构进行连接，则能更进一步扩展应用的范围。树木、椅子、火柴人、动画角色的骨骼等都能被方便地进行搭建以及驱动。角色骨骼的创建、驱动都能很自然地使用同一套系统完成。

上述各实施例中，第一连接器件包括第一排母；第二连接器件包括第二排母；第三连接器件包括针座；相应地，所述第三连接器件，用于与其他节点硬件的第一连接器件或第二连接器件连接，包括：所述针座，用于与其他节点硬件的第一排母或第二排母连接；或，第一连接器件包括第一针座；第二连接器件包括第二针座；第三连接器件包括排母；相应地，第三连接器件，用于与其他节点硬件的第一连接器件或第二连接器件连接，包括：所述排母，用于与其他节点硬件的第一针座或第二针座连接。

上述各实施例中提及的第一总线接口、第二总线接口以及第三总线接口可以均为内置集成电路(Inter-Integrated Circuit，IIC)总线接口。

上述各实施例中提及的MCU中的固件烧录有唯一标识信息，以避免通信地址冲突。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种用于三维建模的节点硬件，其特征在于，包括：

第一端结构、第二端结构以及万向接头；

所述万向接头连接所述第一端结构和所述第二端结构；

所述第一端结构设置有第一连接器件；

所述第二端结构设置有第二连接器件以及第三连接器件；

2.根据权利要求1所述的节点硬件，其特征在于，

所述第一端结构或所述第二端结构设置有惯性测量单元IMU；

所述第一端结构或所述第二端结构设置有微处理器MCU；

所述MCU，用于获取所述IMU的测量数据。

3.根据权利要求2所述的节点硬件，其特征在于，

所述第一连接器件设置有第一总线接口；

所述第二连接器件设置有第二总线接口；

所述第三连接器件设置有第三总线接口；

4.根据权利要求2所述的节点硬件，其特征在于，

所述第一端结构或所述第二端结构设置有无线通信器件；

所述MCU连接所述无线通信器件；

5.根据权利要求3或4任一项所述的节点硬件，其特征在于，

所述第一连接器件设置有第一串口；

所述第二连接器件设置有第二串口；

所述第三连接器件设置有第三串口；

6.根据权利要求5所述的节点硬件，其特征在于，

所述MCU，还用于基于所述IMU的测量数据以及获取的其他节点硬件的IMU的测量数据，确定所述MCU在拓扑结构中的位置信息，并将所述位置信息发送到所述上位机，以使所述上位机基于所述IMU的测量数据以及所述位置信息重建三维建模；

7.根据权利要求6所述的节点硬件，其特征在于，

所述拓扑结构由链式结构及分支结构组成；所述链式结构为第三连接器件与第一连接器件连接构成的结构；所述分支结构为第三连接器件与第二连接器件构成的结构；

相应地，所述位置信息包括：

8.根据权利要求1所述的节点硬件，其特征在于，

所述第一连接器件包括第一排母，所述第二连接器件包括第二排母，所述第三连接器件包括针座；

或，

9.根据权利要求3所述的节点硬件，其特征在于，

所述第一总线接口、所述第二总线接口以及所述第三总线接口均为内置集成电路IIC总线接口。

10.根据权利要求2至6任一项所述的节点硬件，其特征在于，

所述MCU中的固件烧录有唯一标识信息。