自由Liberty案例研究：基于POLHEMUS系统的手跟踪运动捕获系统的实例研究

基于POLHEMUS系统的手跟踪运动捕获系统的实例研究

本研究利用Polhemus公司的电磁跟踪器自由™16跟踪系统，研制了高精度的手动帽系统。该系统使用小型和轻型接收器。接收器的电缆被特殊的细电缆所取代，以免妨碍手指的移动。

1.导言

控制人体运动的运动区域按功能划分为每个控制区域。在运动区域，手的活动面积几乎与手臂、躯干和下体的活动总面积相同。这一生理事实表明，人类的手部运动需要非常复杂的控制。

因此，我们的手可以作为执行器执行高精度的运动。运动捕获(Mocapc)技术，可以数字化一个位置和姿态作为时间序列数据，被广泛使用，以创造动画和CG。很难测量所有的手动作，因为每只手有27块骨头和19个关节。手摩托最广泛使用的工具是赛博手套(Immersion Co.)这只能将所有手部动作的80%数字化。因此，要记录一个钢琴家的手指动作是不可能的，因为它的速度和准确性都很高。

在本研究中，我们使用小型和轻型接收机的电磁跟踪器(自由™16系统，Polhemus)，研制了高精度的手摇帽系统。接收器的电缆被特殊的细电缆所取代，以免妨碍手指的移动。

2.系统设计

图1显示了手的mocapsystem的组成。由一个发射机(23*28*16 mm)和16个接收器(9.6*9.6*9.6毫米)组成的磁跟踪器可以将从发射机到接收机的距离(x、y、z)数字化。该磁跟踪器可将接收机相对于发射机的相对角度(方位角、仰角、滚转)数字化。

每个接收器都经过处理，以适应手指。我们用三个接收器来测量一个手指，每个手背用一个接收器。每只手使用16个接收器。此外，适配器单元被修改了一个弹力织物带，以适应任何手大小。每个接收器都是用运动胶带和液态塑料连接在手指上的，以防止接收器滑动。两个自由系统通过USB接口连接到一台计算机(ThinkPad，IBM)。

手摇帽可同时测量32台接收机的数据(6自由度)，频率为240 Hz。手部运动帽的空间分辨率为0.0038 mm。手部运动帽角度分辨率为0.0012deg。

3.评价

对接收机进行评估，以测试精度是否受到彼此邻近程度的影响。我们的评估表明，即使每个接收器相邻，精度也不会受到影响。位置数据的离散度小于0.1mm，角度色散小于0.1mm。这种色散范围足以测量人体手指的运动。

为了评价该系统的用户友好性，我们采用手摇帽系统对钢琴家手指的运动进行了测量。作曲是“奏鸣曲KV 331，土耳其进行曲”(莫扎特，沃尔夫冈·阿马德乌斯)。将手摇盖数据转换成BVA格式，并在MOCAD软件FiLMBOX中读取数据。在FiLMBOX中读取一个单独制作的手的骨架和模型，并附加到前面读取的手运动帽数据。

图2显示了钢琴家音乐表演场景的CG动画。我们证实，CG动画与摄像机拍摄的视频图像非常相似。这表明手部运动帽系统能够准确地数字化手指的运动。目前手工制作CG动画的自动化将有很大的改进。在未来的研究中，我们将开发自动算法，以校准手部运动数据。

这项研究得到日本内政部的“战略信息和通信研究与发展促进方案(范围)”的支持。