虚拟场景中基于数据手套的交互方法_张睿

—223—虚拟场景中基于数据手套的交互方法张 睿，张锡恩（军械工程学院导弹工程系，石家庄050003）摘 要：为了提高操作训练仿真系统的真实性、沉浸感，提高交互的质量和效率，将数据手套引入该系统。

针对该输入设备，对其使用方法、数据读取以及交互方法进行了研究。

利用Creator 软件建立虚拟场景和虚拟手模型，在VC++和Vega 集成开发环境中编程实现虚拟场景中基于数据手套的交互。

关键词：数据手套；虚拟手；碰撞检测Interaction Method Based on Data Glove in Virtual EnvironmentZHANG Rui, ZHANG Xien（Department of Missile Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003）【Abstract 】In order to improve the facticity, immersed feeling, interaction quality and efficiency in operation training simulation system, the data glove is used in it. The study is carried out it use method, data reading and interaction method. Virtual environment and virtual hand are established by using Creator software. VC++ and Vega software are used to program the interaction based on data glove in virtual environment. 【Key words 】Data glove; Virtual hand; Collision detection计 算 机 工 程Computer Engineering 第31卷 第12期Vol.31 № 12 2005年6月June 2005·开发研究与设计技术·文章编号：1000—3428(2005)12—0223—03文献标识码：A中图分类号：TP391.9在操作训练仿真系统中，操作者对虚拟场景中物体的操作必须通过交互来实现，而交互的质量会直接影响操作训练的效果。

之前我们主要利用鼠标、键盘等二维输入设备以及空间球这种三维输入设备与计算机进行交互，编程响应它们的输入事件来对虚拟场景中的物体进行操作，这样使得交互过程低效、不自然。

为了进一步增加操作训练的真实性、沉浸感，提高交互的质量和效率，我们将数据手套引入该系统，让操作手在训练过程中能充分发挥人手的灵巧性、自然性和适应性，使用经验动作轻松进行操作训练。

1 虚拟手建模要将数据手套测得的人手数据映射到虚拟场景中，必须建立与之对应的虚拟手模型。

本文首先深入分析人手的解剖结构和运动特点，之后在此基础上建立虚拟手的模型。

1.1 人手结构和运动分析人手是一个多指节系统，由27块骨骼组成。

可以把它简化成5根手指和一个手掌，其中每根手指由相应的指段和关节组成，手形随着关节的运动而变化。

除了拇指以外的4根手指各有4个自由度，其中：2、3关节只能做屈伸运动，各有一个自由度；1关节能做屈伸和收展两种动作，有2个自由度 。

拇指共有5个自由度，它的3关节只能做屈伸运动，有1个自由度，1、2关节均能做屈伸和收展两种动作，各有2个自由度。

手掌根部（看作腕部）在立体空间中有6个自由度，能做环转等动作。

因此，人手总共有27个自由度，详见图1。

1.2 虚拟手模型建立根据对人手结构和运动的分析，我们选用MultiGen 公司的Creator 三维建模软件对虚拟手进行建模。

首先按照人手的结构建立出虚拟手的大致模型，然后在手掌根部以及各个关节处分别放置一个自由度（DOF ）。

我们定义各个关节DOF 的原点在关节中心，沿关节轴向方向（即做屈伸运动时转动轴的方向）为X 轴，关节连线方向为Y 轴，Z 轴由右手法则确定。

手掌根部DOF 的3个坐标轴向与各关节DOF 的坐标轴向一致。

把手掌根部的DOF 作为父节点，将各指段3关节的DOF 作为子节点链入其下。

同理将各个指段2关节的DOF 链入3关节的DOF 下，1关节的DOF 链入2关节的DOF 下，从而形成一条遵循人手运动规律的链状结构。

父节点能够带动子节点一起动作。

同时在各个手指端部各放置一个透明的小球，并加上DOF （坐标放置方式同上），链入上述链状结构中，这将在碰撞检测中使用。

建立的虚拟手模型如图2所示，其中屈伸运动是指绕X 轴旋转的动作，收展运动是指绕Z 轴旋转的动作，环转运动是指同时绕3个坐标轴旋转的动作。

图2 虚拟手模型2数据手套的使用在操作训练仿真系统中引入的数据手套是由5DT 公司生产的具有16个传感器的5DT Data Glove 16。

该数据手套作者简介：张 睿(1980—)，女，硕士生，主研方向：交互式仿真，虚拟现实技术等；张锡恩，教授、博导定稿日期：2004-05-23 E-mail ：doggoufei@图1 人手结构简图—224—5DT Data Glove 由合成弹力纤维制造而成，其中嵌入16个光学纤维传感器，分别用于测量各个手指1、2关节的屈伸角度和做收展动作时手指间的夹角。

由于数据手套中用于测量拇指平移量和腕部屈伸角度的第15和16传感器还没有实现其功能，因此本系统同时引入空间定位装置，用于测量腕部的6个自由度值。

空间定位装置与数据手套配合使用，实现同时测量用于虚拟手空间定位和受形的各个数据。

该数据手套利用接口传输线通过标准的RS 232串形口（即DB9连接器, DB9 connector ）与计算机连接，从而使数据手套中传感器的数据通过一个光电子装置(opto-electronics)、一根带状传输线(ribbon cable)和一个接口盒(interface cable)传输到已经连接好的计算机中。

具体连接如图3所示。

图3 数据手套连接2.1 数据的读取本系统是在VC++平台下总体开发的，首先要连接上与数据手套相关的各个库函数，同时建立一个数据手套管理类DataGlove,定义相关的属性和函数，并加入所需的头文件<fGlove.h>。

然后打开数据手套与计算机连接的端口，如COM1，如果端口打开，利用数据手套函数包中的函数fdGetSensorRawAll()将数据读出。

其中写入数组的数据依次与传感器0～13测得的数据一一对应。

相关过程如下描述：char ComString[256]; int iPort=1; if (m_pGlove) fdClose(m_pGlove); m_pGlove = NULL;sprintf(ComString,"COM%d",iPort); m_pGlove = fdOpen(ComString); if (m_pGlove == NULL) {AfxMessageBox("Failed to find a glove."); } else {fdGetSensorRawAll(m_pGlove,GloveDataRaw); }2.2 数据手套的校准该数据手套有两种校准方式：自动校准和软件校准。

当只利用各个传感器的输出数据让虚拟手相应动作，而不利用它们进行手势识别时，自动校准可以忽略。

现阶段主要利用数据手套控制虚拟手进行有关操作，暂时不使用自动校准，因此在这里主要介绍软件校准。

数据手套在工厂进行校准时，已经尽量获得最大可能的动态范围（Dynamic Range ）。

动态范围是指输出最大值（手握住时，flexed hand ）与输出最小值（手伸平时，flat hand ）的差量。

Dynamic Range= Valuemax – Valuemin由于不同的人，手的大小不尽相同，因此为了达到手套的最大灵敏度，保证输出数据的精度，当不同人使用数据手套时需要进行相应的软件校准。

进行软件校准需要有各个传感器的最大值和最小值，从而根据动态范围对测得的数据进行放缩。

该数据手套自带的驱动中有动态软件校准程序，可以实时测量出各个传感器的最大值、最小值和动态范围。

戴上手套后反复伸展各个手指，注意保持动作的自然性。

当满意当前的最大值、最小值和动态范围数据时，将数据保存下来，应用时可以随时提取。

动态软件校准程序设定的动态范围为0～255，校准公式如下：Valuescaled = (Valuemeasured – Valuemin) x (255/Dynamic Range)利用以上公式将测量出的原始数据进行放缩，得到最终校准的数据。

3基于数据手套的交互实现Vega 是一种用于实时仿真与虚拟现实应用的高性能软件环境和开发平台,我们在VC++和Vega 集成开发环境中编程响应数据手套的操作，实现对虚拟手的精确控制以及虚拟手对虚拟物体的操作。

整个虚拟场景由Creator 三维建模软件建立。

3.1 虚拟手的控制在DataGlove 类中定义虚拟手控制函数controlhand()，将其放入整个系统的仿真循环中。

首先把第一组数据赋值给虚拟手的各个关节，之后每次将下一个循环与上一个循环的数据差值赋值给虚拟手的各个关节，实现虚拟手连续平滑的动作。

该手套没有测量各个手指3关节数据的传感器，根据人手运动的经验数据可以得出，手指3关节屈伸角度与2关节屈伸角度成2/3的线性关系，因此将手指2关节数据差值的2/3赋值给虚拟手指3关节进行动作。

以下是控制拇指1关节做屈伸动作的相关代码：vgGetPos(rthumbn,cpos);//得到拇指1关节的空间位置 vgGetPosMat(cpos,mat);//将数据放入矩阵 vgPushMatStack(matsk);vgLoadMat(matsk,mat);//将矩阵压入堆栈vgRotMat(matsk,(GloveDataOut[0]-OldGloveDataOut[0]),'x'); //绕x 轴转动关节角度的改变值OldGloveDataOut[0]=GloveDataOut[0]; vgGetMat(matsk,mat);vgPosMat(cpos,mat);//改变拇指1关节的空间位置 vgPopMatStack(matsk);虚拟手在虚拟场景中的漫游通过对手掌根部赋值实现，手掌根部的空间坐标值以及方位值由空间定位装置实时获得。