【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)手套接口模塊的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于先進技術(shù)服務于生活越來越重視。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是實現(xiàn)此要求的很好的一個途徑。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機建立一個逼真的虛擬世界，用戶可以在其中通過聽、視、觸、嗅等感官獲取對周圍環(huán)境的感知，有身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事、教育、娛樂、科研等多方面都有很廣泛的應用。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)里面，數(shù)據(jù)手套是很重要的交互工具，讓用戶可以更加自然和真實的與虛擬環(huán)境交互。它可以捕捉到人手的動作和姿態(tài)信息。數(shù)據(jù)手套的外觀和普通手套的外觀類似，但是其材質(zhì)上與普通手套不同，其中裝有捕捉姿態(tài)信息的傳感器，通過計算機接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)，完成虛擬手的動作和姿態(tài)的實時更新。以便更加直觀和真實的進行虛擬現(xiàn)實操作。

數(shù)據(jù)手套的關(guān)鍵在于手掌、手指以及手腕的各個有效部位的彎曲、外展等測量以及此基礎(chǔ)上的外演。國內(nèi)外許多單位和公司在數(shù)據(jù)手套的研究開發(fā)方面做了大量的工作，并推出不同類型的數(shù)據(jù)手套，下面對這些做一些介紹：

1)dataglove是vpl公司于20世紀90年代推出的最早的數(shù)據(jù)手套，該手套結(jié)構(gòu)緊湊，佩戴舒適，輕便易用，采用桌面控制模塊，可以同時支持系四副手套；但是容易受到用戶手大小的影響。被設(shè)計試用于vr的醫(yī)學應用、可以作為醫(yī)學應用的輸入設(shè)備。

2)virtualtechnologies公司于1991年推出了cyberglove數(shù)據(jù)手套，該手套重量較輕，舒適結(jié)構(gòu)完整，使用權(quán)電阻技術(shù)來發(fā)送實時角度數(shù)據(jù)，cyberglovetouch系統(tǒng)提供了震動觸覺技術(shù)。

3)解放軍理工大學在2002年成功研制出一款數(shù)據(jù)手套，針對關(guān)節(jié)的彎曲和外展研究了光學行程傳感器和光纖彎曲傳感器，具有精度高，體積小等特點，且使用opengl的雙緩沖技術(shù)回執(zhí)三維圖像。在使用過程中因用戶的差異要對手套進行校正。

4)北京視景科技開發(fā)的wiseglove數(shù)據(jù)手套常用于測量人手指動作，廣泛應用于人手的運動捕捉，游戲動畫制作以及醫(yī)學評估等領(lǐng)域。

simulink是matlab中最重要的組件之一，它可以提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制以及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。利用matlab虛擬現(xiàn)實工具箱(virtualrealitytoolbox)可以在三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行可視化操作和動態(tài)系統(tǒng)交互，使用標準的vrml技術(shù)，可以進行matlab和simulink的交互，動態(tài)系統(tǒng)可以通過虛擬現(xiàn)實工具箱將simulink模型隨時間的變化以視景和圖形化方式進行交互，這對模型對象能有很好的理解，很方便的進行虛擬操作的模擬。在simulink中建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，選擇合適的虛擬現(xiàn)實環(huán)境連接到simulink結(jié)構(gòu)圖中，虛擬現(xiàn)實模塊就會為有效的vrml節(jié)點掃描出能夠由simulink驅(qū)動的虛擬世界。

目前，針對simulink虛擬現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)據(jù)手套開發(fā)比較少，使得在其下的虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)缺少了很大的操作性。無法真是的實現(xiàn)人機交互，增強沉浸感，實現(xiàn)更加逼真的虛擬現(xiàn)實。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對數(shù)據(jù)手套在simulink下應用匱乏的情況，提供了一種simulink下的數(shù)據(jù)手套接口模塊的設(shè)計方法，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)手套在simulink下的使用，為simulink虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)打下基礎(chǔ)。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種數(shù)據(jù)手套接口模塊的設(shè)計方法，包括以下步驟：

1)進行數(shù)據(jù)手套歸一化處理，標定手套的最大值和最小值；定義一個最大值為a和一個最小值為b，數(shù)據(jù)手套的數(shù)值為c，c在a和b之間滿足如下關(guān)系：

通過線性算法對數(shù)據(jù)手套的彎曲角度進行計算，加入手套某個手指的活動角度是e，其彎曲角度為：

e*(c-b)/(a-b)(2)

然后用滑動均值法對數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)進行標定，滑動均值法取連續(xù)n個數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)作為平均值然后設(shè)定為當前的值，表示如下：

s＝(s1+s2+…+sn)÷n(3)

其中，s是當前傳感器的值，n是其個數(shù)且為整數(shù)；

2)掃描各個串口判斷手套是否連接，讀取數(shù)據(jù)手套的型號，然后新建一個數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用手動標定對數(shù)據(jù)手套進行標定；同時利用上述的方法對數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)進行標定，以得到正確的傳感器數(shù)據(jù)；與此同時對采樣時間以及輸入輸出接口進行設(shè)計；完成s函數(shù)編寫工作；

3)驅(qū)動s函數(shù)使其在simulink下運行并且讀取數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)；把s函數(shù)編譯為一個能夠調(diào)用的動態(tài)鏈接庫，使用此動態(tài)鏈接庫就能夠進行s函數(shù)的使用；

4)搭建調(diào)用s函數(shù)的模塊并進行封裝，把輸入直接設(shè)置在界面上；搭建結(jié)構(gòu)框圖，運行次模塊，開始收集讀取到的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)手套的數(shù)值得到手勢姿態(tài)；

5)在虛擬實現(xiàn)操作平臺上搭建手模型、定義父子關(guān)節(jié)，然后把數(shù)據(jù)傳到對應的各個關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)手的驅(qū)動，完成虛擬現(xiàn)實操作。

本發(fā)明進一步的改進在于：

步驟2)中，手動標定是確定初始時刻的手的姿態(tài)。

步驟4)中，輸入是采樣時間和數(shù)據(jù)手套的串口號。

步驟5)中，虛擬實現(xiàn)操作平臺包括simulink虛擬現(xiàn)實工具箱、unity3d或osg。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明基于simulink對數(shù)據(jù)手套接口進行了設(shè)計，通過歸一化算法和滑動均值法對數(shù)據(jù)進行了處理。使得數(shù)據(jù)穩(wěn)定且有效。然后通過編寫串口函數(shù)把數(shù)據(jù)手套與simulink結(jié)合，使其可以有效交互，增加了simulink下的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的可操作性。

【附圖說明】

圖1為是基于simulink接口設(shè)計流程圖；

圖2為s-function運行模式流程圖；

圖3為大拇指數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)；

圖4為食指數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)；

圖5為中指數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)；

圖6為無名指數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)；

圖7為小拇指數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明：

如圖1-2所示，simulink中s函數(shù)主要是采用回調(diào)函數(shù)的形式來實現(xiàn)各種功能。其設(shè)計的模塊可以重復使用，大大增加了效率。

本發(fā)明針對simulink的特點，利用數(shù)據(jù)手套的接口方法，提供了一種基于simulink的數(shù)據(jù)手套接口模塊的設(shè)計方法，包括以下步驟：

第一步是歸一化數(shù)據(jù)手套值。對數(shù)據(jù)手套最大值和最小值進行標定，保證數(shù)據(jù)手套的活動在某一個范圍內(nèi)。同時由于在實際的測試中數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)可能會有抖動，因此需要對數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)進行濾波，使用滑動均值法對其進行濾波，保證數(shù)據(jù)的準確和穩(wěn)定。具體方法如下：

進行數(shù)據(jù)手套歸一化處理，標定手套的最大值和最小值。定義一個最大值a和一個最小值b，數(shù)據(jù)手套的數(shù)值是c，那么要滿足c在a和b之間，如下：

以上就可以保證數(shù)據(jù)手套的值在規(guī)定的手勢范圍內(nèi)，即在a和b之間，通過線性算法可以對數(shù)據(jù)手套的彎曲角度進行計算，加入手套某個手指的活動角度是e，那么其彎曲角度為：

e*(c-b)/(a-b)(2)

然后用滑動均值法對數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)進行標定，滑動均值法取連續(xù)n個數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)作為平均值然后設(shè)定為當前的值，表示如下：

s＝(s1+s2+…sn)÷n(3)

其中s是當前傳感器的值，si是連續(xù)的相鄰傳感器的值。n是其個數(shù)。

第二步編寫s函數(shù)，獲取數(shù)據(jù)手套的端口并打開數(shù)據(jù)手套，使用先前的標定方法對數(shù)據(jù)手套進行標定。設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀取傳感器的值。同時把數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)進行輸出，確定手勢。具體方法如下：

首先，掃描各個串口判斷手套是否連接，讀取數(shù)據(jù)手套的型號，然后新建一個數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用手動標定對數(shù)據(jù)手套進行標定，這里的手動標定主要是確定初始時刻的手的姿態(tài)，這樣才可以定義具體的手勢。同時利用上述的方法對數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)進行標定，以得到正確的傳感器數(shù)據(jù)。與此同時根據(jù)自身需要可以對采樣時間以及輸入輸出接口進行設(shè)計。這樣就初步完成了s函數(shù)編寫工作。

第三步主要是對編寫好的s函數(shù)進行編譯，生成simulink可以使用的動態(tài)鏈接文件，然后將編譯好的動態(tài)鏈接文件導入到我們預先建立的s函數(shù)模塊中，使其成為一個可以使用的模塊。具體方法如下：

有了s函數(shù)，則可以不斷的調(diào)用其中的回調(diào)函數(shù)來進行數(shù)據(jù)的讀取。下面就是驅(qū)動s函數(shù)使其可以在simulink下運行并且讀取數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)。把s函數(shù)編譯為一個可調(diào)用的動態(tài)鏈接庫，使用此動態(tài)鏈接庫就可以進行s函數(shù)的使用。

第四步是對s函數(shù)模塊進行封裝并且搭建框圖，滿足數(shù)據(jù)手套在simulink下的使用，通過數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)可以正確的定義手勢，然后用于虛擬現(xiàn)實操作。具體方法如下：

對所搭建的模塊進行封裝，把輸入直接設(shè)置在界面上，這里面的輸入時采樣時間和數(shù)據(jù)手套的串口號。有了輸入，搭建結(jié)構(gòu)框圖，運行次模塊，就可以開始收集讀取到的數(shù)據(jù)，然后就可以通過數(shù)據(jù)手套的數(shù)值知道手勢姿態(tài)。

第五步是將其運用到一些常見的虛擬現(xiàn)實操作平臺的一些方法，使其可以和虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，提高虛擬現(xiàn)實的交互性。具體方法如下：

數(shù)據(jù)手套可以用于很多虛擬現(xiàn)實操作平臺，例如simulink虛擬現(xiàn)實工具箱、unity3d以及osg(opensourcegraph)等等。在這些平臺上基本流程都是先搭建手模型，定義父子關(guān)節(jié)，然后把數(shù)據(jù)傳到對應的各個關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)手的驅(qū)動，以此來完成虛擬現(xiàn)實操作。

實施例：

本發(fā)明具有實用性和可實施性，已經(jīng)通過仿真驗證。圖3到圖7是進行了仿真實例的驗證，連接數(shù)據(jù)手套，然后設(shè)計的模塊選擇手套連接的串口號，驅(qū)動程序運行，通過對手勢的初始標定(這里定義的是手掌伸開時的姿態(tài)為初始姿態(tài))，然后就可以進行手勢姿態(tài)角的讀取，這里，圖3到圖7分別是大拇指、食指、中指、無名指和小拇指在手掌抓緊伸開過程的姿態(tài)角信息。其中橫坐標是時間，縱坐標是以初始姿態(tài)為參考的角度。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。