斑纹式数据手套系统的建立及其相关技术研究

摘要

装配工艺设计与规划是产品开发中的重要环节,随着虚拟现实技术的进步,虚拟装配成为支持装配工艺设计与规划的新途径。作为虚拟现实系统的人机交互设备,数据手套为获取用户手部的运动数据提供了最为直接的解决方案。然而,数据手套的成本制约着数据手套在虚拟装配系统的中的应用和推广。此外,数据手套由于传感器本身的局限还存在着使用寿命和标定困难等方面的问题。
　　针对数据手套应用中存在的上述问题,本文提出并设计一种基于机器视觉的、表面具有一定编码特征的斑纹式数据手套,利用的机器视觉设备代替附着在手套上的传感器获取手套表面的斑纹编码,通过斑纹的几何特征和位置信息得到手部运动参数。为了有效处理斑纹式数据手套运动中复杂的几何变换关系,引入了共形几何代数这一数学工具对斑纹式数据手套系统进行描述。分析了手部运动的自由度并在共形几何代数的框架下对其进行了几何划分,形成手指面和手掌面,在此基础上建立了斑纹式数据手套的数学模型,用于求解斑纹式数据手套的位姿参数。
　　提出了斑纹式数据手套的编码方法,应用颜色和形状特征生成手指区域的彩色斑块,通过颜色空间的转换和图像矩的计算,以团块的形式对这些斑块进行提取;同时根据条形码的原理对手部剩余各区域的进行编码。在手指编码的识别过程中通过多方向条码信息的联合提取,实现了指节的识别。利用对数极坐标系下的模板匹配对手掌二维编码进行识别定位,为后续的跟踪提供初始化条件。
　　实现了斑纹式数据手套在双目视觉系统中的动态跟踪。首先采用粒子滤波算法实现对手掌面上彩色斑块的平面跟踪,并根据手部运动的特点建立指节连续运动的共形几何代数模型,进一步在双目视觉系统中对斑纹式数据手套的进行跟踪,获取手部运动的数据。在粒子滤波算法中引入共形几何代数的方法设定粒子参数,解决由于手部姿态变化引起的局部遮挡问题,更为稳定地对斑纹式数据手套进行运动跟踪。
　　针对斑纹式数据手套系统虚拟操作功能的实现,建立了虚拟手模型并提出斑纹式数据手套的虚拟操作规则。在虚拟手的建模过程中应用基于共形几何代数的方法实现线性顶点混合,改善了顶点混合中产生的失真现象,增强了虚拟手模型关节部分的真实感。将斑纹式数据手套获取的数据传递到虚拟手,驱动虚拟手运动。通过斑纹式数据手套编码区域的可见状态进行手势识别,结合碰撞检测和操作有效性判断的结果实现虚拟操作。
　　最后,通过规范化的软件方法对系统的功能模型和结构流程进行了设计,开发了斑纹式数据手套系统。针对不同的工作阶段,分别对手部尺寸测量、手部运动参数获取和虚拟操作进行了实验验证,并提出静态条件下的手部姿态测量准确性和动态条件下手部位置测量准确性,评价斑纹式数据手套获取手部运动数据的性能。

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第 1章绪论

1 .1课题来源及研究目的和意义

1.2 2 D和3 D输入设备的发展

1 .3数据手套和手势输入设备的发展

1 .4斑纹式数据手套系统相关技术研究现状

1 .5论文的主要研究内容

第2章斑纹式数据手套系统结构与数学模型研究

2 .1引言

2 .2斑纹式数据手套系统结构与工作原理

2 .3斑纹式数据手套系统的功能模块

2 .4斑纹式数据手套系统的工作流程

2 .5斑纹式数据手套的数学模型

2 .6本章小结

第3章斑纹式数据手套的编码与静态识别技术研究

3 .1引言

3 .2斑纹式数据手套的编码设计

3 .3斑纹式数据手套的颜色与形状特征识别

3 .4斑纹式数据手套的条码特征识别

3 .5斑纹式数据手套的编码识别测试

3 .6本章小结

第4章斑纹式数据手套的动态跟踪技术研究

4 .1引言

4 .2斑纹式数据手套的动态跟踪过程

4 .3斑纹式数据手套彩色编码的平面跟踪

4 .4双目视觉系统中斑纹式数据手套的跟踪技术

4 .5斑纹式数据手套动态跟踪测试

4 .6本章小结

第5章斑纹式数据手套系统的虚拟操作技术研究

5 .1引言

5 .2虚拟手建模与运动数据获取

5 .3斑纹式数据手套的虚拟操作规则

5 .4斑纹式数据手套的虚拟操作测试

5 .5本章小结

第6章斑纹式数据手套系统的开发与实现

6 .1引言

6 .2斑纹式数据手套系统的开发环境

6 .3斑纹式数据手套系统软件的设计与开发

6 .4斑纹式数据手套系统实验

6 .5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

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致谢

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