基于慣性傳感器的手姿態(tài)捕捉系統(tǒng)研究.pdf

1、手勢作為日常生活中人們廣泛使用的一種自然而直觀、易于學(xué)習(xí)和高效的交流方式，有很強(qiáng)的表意能力，伴隨虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬手成為了一種新的人機(jī)接口應(yīng)用，可實(shí)時獲取手部動作的信息，在人機(jī)交互過程中完成操作和感知交流等功能，有效地拓寬了人機(jī)交互通道，在體育，醫(yī)學(xué)，軍事等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來隨著微電子技術(shù)和慣性導(dǎo)航計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動信息的檢測，為手勢動作信息的捕獲帶來了新的基礎(chǔ)工具和應(yīng)用環(huán)境，其可以對手部姿態(tài)信息進(jìn)

2、行精確的測量與跟蹤，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，價格低廉，安裝和使用便捷等優(yōu)點(diǎn)。本文在基于微型慣性傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航和數(shù)據(jù)融合原理，設(shè)計(jì)了一種不受光照約束，抗干擾能力強(qiáng)的全姿態(tài)手姿態(tài)捕捉系統(tǒng)。該手勢捕捉系統(tǒng)由多個傳感節(jié)點(diǎn)和一個匯聚控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)主要包含三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀，三軸地磁儀，負(fù)責(zé)采集各手指部位運(yùn)動過程中的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理?？刂乒?jié)點(diǎn)匯聚各個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，最后通過無線傳輸方式把解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)

3、進(jìn)行打包發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)中通過對手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步解析，以實(shí)現(xiàn)對虛擬手部模型關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)手勢姿態(tài)的捕捉和顯示。
　　本文針對手指在空間三維中的運(yùn)動情況進(jìn)行了相關(guān)研究，從而選擇合適的傳感器，并對傳感器的工作原理和性能參數(shù)進(jìn)行了對比研究，且對各個傳感器可能存在的誤差進(jìn)行了分析，例如加速度傳感器的數(shù)據(jù)抖動和偏移，陀螺儀的累積誤差，地磁儀易受磁場干擾的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了有效的解決方案。在基于手部傳感網(wǎng)絡(luò)

4、的總體設(shè)計(jì)思路和框架下，對部署在手部的傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的原理圖設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議進(jìn)行了定制。同時對傳感節(jié)點(diǎn)在手指上的部署位置要求進(jìn)行了分析，并在慣性導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了多傳感器的數(shù)據(jù)融合處理，輸出了以四元數(shù)表示的姿態(tài)信息。另外通過分析手部生物學(xué)結(jié)構(gòu)，在VS2012開發(fā)環(huán)境下結(jié)合OpenGL圖形庫和3DS MAX軟件構(gòu)建了基于三維視角的虛擬手部關(guān)節(jié)模型，通過解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)對虛擬模型進(jìn)行初始化標(biāo)定和數(shù)據(jù)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)運(yùn)