自由Liberty案例研究：基于POLHEMUS系統(tǒng)的手跟蹤運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)的實(shí)例研究

基于POLHEMUS系統(tǒng)的手跟蹤運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)的實(shí)例研究

本研究利用Polhemus公司的電磁跟蹤器自由?16跟蹤系統(tǒng)，研制了高精度的手動(dòng)帽系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用小型和輕型接收器。接收器的電纜被特殊的細(xì)電纜所取代，以免妨礙手指的移動(dòng)。

1.導(dǎo)言

控制人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)區(qū)域按功能劃分為每個(gè)控制區(qū)域。在運(yùn)動(dòng)區(qū)域，手的活動(dòng)面積幾乎與手臂、軀干和下體的活動(dòng)總面積相同。這一生理事實(shí)表明，人類的手部運(yùn)動(dòng)需要非常復(fù)雜的控制。

因此，我們的手可以作為執(zhí)行器執(zhí)行高精度的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)捕獲(Mocapc)技術(shù)，可以數(shù)字化一個(gè)位置和姿態(tài)作為時(shí)間序列數(shù)據(jù)，被廣泛使用，以創(chuàng)造動(dòng)畫和CG。很難測量所有的手動(dòng)作，因?yàn)槊恐皇钟?7塊骨頭和19個(gè)關(guān)節(jié)。手摩托最廣泛使用的工具是賽博手套(Immersion Co.)這只能將所有手部動(dòng)作的80%數(shù)字化。因此，要記錄一個(gè)鋼琴家的手指動(dòng)作是不可能的，因?yàn)樗乃俣群蜏?zhǔn)確性都很高。

在本研究中，我們使用小型和輕型接收機(jī)的電磁跟蹤器(自由?16系統(tǒng)，Polhemus)，研制了高精度的手搖帽系統(tǒng)。接收器的電纜被特殊的細(xì)電纜所取代，以免妨礙手指的移動(dòng)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1顯示了手的mocapsystem的組成。由一個(gè)發(fā)射機(jī)(23*28*16 mm)和16個(gè)接收器(9.6*9.6*9.6毫米)組成的磁跟蹤器可以將從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的距離(x、y、z)數(shù)字化。該磁跟蹤器可將接收機(jī)相對于發(fā)射機(jī)的相對角度(方位角、仰角、滾轉(zhuǎn))數(shù)字化。

每個(gè)接收器都經(jīng)過處理，以適應(yīng)手指。我們用三個(gè)接收器來測量一個(gè)手指，每個(gè)手背用一個(gè)接收器。每只手使用16個(gè)接收器。此外，適配器單元被修改了一個(gè)彈力織物帶，以適應(yīng)任何手大小。每個(gè)接收器都是用運(yùn)動(dòng)膠帶和液態(tài)塑料連接在手指上的，以防止接收器滑動(dòng)。兩個(gè)自由系統(tǒng)通過USB接口連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)(ThinkPad，IBM)。

手搖帽可同時(shí)測量32臺(tái)接收機(jī)的數(shù)據(jù)(6自由度)，頻率為240 Hz。手部運(yùn)動(dòng)帽的空間分辨率為0.0038 mm。手部運(yùn)動(dòng)帽角度分辨率為0.0012deg。

3.評價(jià)

對接收機(jī)進(jìn)行評估，以測試精度是否受到彼此鄰近程度的影響。我們的評估表明，即使每個(gè)接收器相鄰，精度也不會(huì)受到影響。位置數(shù)據(jù)的離散度小于0.1mm，角度色散小于0.1mm。這種色散范圍足以測量人體手指的運(yùn)動(dòng)。

為了評價(jià)該系統(tǒng)的用戶友好性，我們采用手搖帽系統(tǒng)對鋼琴家手指的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了測量。作曲是“奏鳴曲KV 331，土耳其進(jìn)行曲”(莫扎特，沃爾夫?qū)ぐⅠR德烏斯)。將手搖蓋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BVA格式，并在MOCAD軟件FiLMBOX中讀取數(shù)據(jù)。在FiLMBOX中讀取一個(gè)單獨(dú)制作的手的骨架和模型，并附加到前面讀取的手運(yùn)動(dòng)帽數(shù)據(jù)。

圖2顯示了鋼琴家音樂表演場景的CG動(dòng)畫。我們證實(shí)，CG動(dòng)畫與攝像機(jī)拍攝的視頻圖像非常相似。這表明手部運(yùn)動(dòng)帽系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化手指的運(yùn)動(dòng)。目前手工制作CG動(dòng)畫的自動(dòng)化將有很大的改進(jìn)。在未來的研究中，我們將開發(fā)自動(dòng)算法，以校準(zhǔn)手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)研究得到日本內(nèi)政部的“戰(zhàn)略信息和通信研究與發(fā)展促進(jìn)方案(范圍)”的支持。