专利名称：基于ccd传感器的新型数据手套的制作方法
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
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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l表示；而没有得到光信号的区域得到数字信号为O。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。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图l是角度测量传感器件主视图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，l是通光孔，2是LED; 图4是光纤与CCD摄像头的耦合，其中，l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。
具体实施例方式
测量传感器件的两个转轮的外形见图l。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；l和2是两个短臂，分别与4和3连接，来控制轮的 转动。l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。l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640X480的摄像头取中间480X320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l，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l，其余光纤传递O。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0penGL3D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。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号G06F3/01GK101354609SQ20081022247
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月18日 优先权日2008年9月18日
发明者越 刘, 张星宇, 王涌天, 翁冬冬 申请人:北京理工大学