CC BY
36
60
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ
11. http://swift.openstack.org/.
12. http://www.acronis.com/ru-ru/provider/software-storage/.
13. http://www.coda.cs.cmu.edu/.
14. http://www.gluster.org/.
15. http://www.odin.com/products/virtuozzo/.
16. http://www.openafs.org/.
17. http://www.rackspace.com/cloud/files.
18. http ://www. sourceware. org/cluster/gfs/.
19. http ://www. stacken.kth. se/project/arla/.
20. http://www.vmware.com/ru/products/virtual-san.
21. https://aws.amazon.com/ru/s3/.
22. https://hadoop.apache.org/.
23. https://oceanstore.cs.berkeley.edu/.
24. https://www.dcache.org/.
25. https://www.research.ibm.com/haifa/projects/storage/zFS/.
26. https://www.tahoe-lafs.org.
27. https://code.google.com/p/nilestore/wiki/TahoeLAFSBasics.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЗАХВАТА ДВИЖЕНИЯ ПАЛЬЦЕВ РУК
© Петухов А.А.*
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», г. Москва
В данной работе рассматриваются проблемы, возникающие при проектировании беспроводных нательных систем для захвата движения пальцев рук человека, работающих в режиме реального времени от автономных источников питания. Учитывается опыт автора, полученный при проектировании подобной системы в рамках программы «УМНИК».
Ключевые слова человеко-машинный интерфейс, система захвата движения, датчики, беспроводные сенсорные сети.
Введение
В настоящее время активно развивается направление виртуальной и дополненной реальности. На рынок выходит всё большее количество устройств,
Аспирант.
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
61
работающих в данных областях[1], относительно дешевых и доступных массовому пользователю. Наиболее известные проекты: Oculus Rift, Samsung Gear VR, Microsoft Kinect 2, Microsoft HoloLens, Leap Motion и др. В связи с этим, появляется потребность в новых недорогих человеко-машинных интерфейсах для взаимодействия с виртуальной средой.
Наиболее активным органом управления у человека являются пальцы рук. Рассмотрим основные требования, предъявляемые к системам, способным считывать движения пальцев при работе с виртуальной / дополненной реальностью:
1. Система должна работать в режиме реального времени.
2. Человек активно двигается, что исключает провода вне тела, большой вес и размер системы. Также исключается использование оптических систем, из-за появления множества слепых зон.
3. Желательно наличие обратной тактильной связи для ощущения контактного взаимодействия с виртуальными объектами.
4. Низкая себестоимость.
Стоит отметить, что эти требования взаимосвязаны и могут меняться в зависимости от конкретной области применения. Но в общем случае, при проектировании подобных аппаратно'-программных комплексов можно поставить следующие задачи:
1. Обзор существующих технологических решений.
2. Подбор датчиков необходимого типа и количества.
3. Выбор аппаратной платформы.
4. Выбор протоколов связи.
Рассмотрим основные проблемы, возникающие при решении данных задач:
Технологии захвата движения. Сопоставим основные параметры используемых технологий захвата движения (табл. 1).
Таблица 1
Основные параметры используемых технологий захвата движения
Магнитные Механические Оптические Инерциальные Акустические
Пассивные Активные
Цена Сред - Выс Низк - Сред Сред - Выс Выс Низк - Выс Низк - Выс
Сложность развертывания Выс Низк - Среди Выс Сред - Выс Низк - Выс Выс
Разрешение Низк Выс Низк - Выс Низк - Выс Выс Низк - Выс
Точность Низк - Сред Выс Выс Выс Выс Выс
Позиционирование Абсолют. Относит Абсолют. Абсолют. Относит. Абсолют.
Дальность работы Низк Низк-Выс Низк - Средн Низк - Средн Средн - Выс Низк - Средн
Необходимость прямой видимости Нет Нет Да Да Нет Нет
Энергопотребление Низк - Выс Низк - Выс Средн - Выс Выс Низк - Средн Низк - Средн
62
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ
При выборе нужной технологии следует учесть, какое позиционирование требуется определять: абсолютное (линейное перемещение относительно мировых координат) или относительное (вращение вокруг собственной оси или линейное перемещение, относительно самого человека). Если все датчики расположены на теле человека, то получить точные данные о его линейном перемещении в пространстве является сложной математической задачей [2]. Но в ситуации с захватом движения пальцев рук, достаточно относительного позиционирования для каждого пальца (или каждого сустава пальца). Наиболее подходящими в данном случае являются механические и инерциальные технологии. Они подходят по большинству параметров, хотя имеют свои недостатки.
Датчики. Количество подходящих датчиков, которые можно разместить на пальцах руки, невелико. На первом макете разрабатываемой системы захвата движения «WiseGlove» используются сенсоры сгиба (рис. 1). Также планируется размещение инерциальных датчиков. Стоит отметить, что используемые резисторные датчики изгиба SpectraSymbol при розничной цене 10-15 $ работают только в одной плоскости. Их плюсом несомненно является простота использования, однако в остальном они сильно уступают 3-х осевым инерциальным датчикам, с учетом темпов удешевления и миниатюризации микроэлектроники.
Рис. 1. Перчатка-контроллер WiseGlove. Макет системы
Современные датчики определения поворота в пространстве представляют собой комбинацию датчиков: 3-х осевого акселерометра, 3-х осевого гироскопа и 3-х осевого магнитометра (рыночное название 9DOF, 9 degrees of freedom). Производители предлагают как простую распайку датчиков на плате, так и дополненную вычислительным микроконтроллером.
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
63
Основной проблемой здесь является преобразование данных с датчиков в единое математическое представление вращения, учитывая помехи и накопление ошибок. Существуют математические аппараты, позволяющие решать эту проблему, такие как фильтр Калмана, и более конкретные решения, например [3].
На сегодняшний день ряд производителей, выпускающих датчики вместе с микроконтроллером, предлагают свое предустановленное программное обеспечение, выполняющее все необходимые преобразования. В последнее время такие модули уменьшились в размерах и стали дешевле, сохранив приемлемую точность (рис. 2).
Рис. 2. AHRS модуль INEMO-M1 от STMicroelectronics
Аппаратная платформа. Чтобы считывать данные с множества датчиков и передавать их, необходим микроконтроллер. Он должен обладать нужным набором интерфейсов, достаточной вычислительной мощностью и энергоэффективностью. При большом количестве различных датчиков возникает проблема их совместимости. Они могут работать на совершенно разных частотах, иметь разное время отклика, при этом подключаться к одному интерфейсу. Основными интерфейсами для подключения датчиков являются SPI, I2C и UART. Учитывая использование ограниченного беспроводного канала связи, необходимо решать проблему качества обслуживания (QoS), устанавливать приоритет данных с датчиков, не выполнять лишний вычислений.
Протоколы связи. Беспроводная связь является самым «узким» и энергозатратным местом системы. Мобильные системы захвата движения передают относительно небольшой поток данных, поэтому целесообразно использовать энергоэффективные беспроводные интерфейсы. На данный момент можно выделить следующие стандарты IEEE 802.15.4 ZigBee, Bluetooth low-energy, ANT, ANT+ и новый Wi-Fi 802.11ac. Также стоит отметить стандарт IEEE 802.15.6 для нательных беспроводных сетей (body area net-
64
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ
works, BAN) и будущие технологии передачи сигнала по телу человека[4]. Необходимо правильно комбинировать проводное и беспроводное соединение для получения оптимального соотношения задержек и энергоэффективности [5].
Обратная тактильная связь. Помогает человеку оперировать виртуальными объектами, давая некий отклик, помимо визуального. Проблема создания ощущения прикосновения сложна и актуальна в современной науке. Наиболее простым и дешевым решением является использование миниатюрных вибромоторов (аналогичных используемым в смартфонах). Однако имеются прототипы и более сложных решений [6].
Заключение
В работе рассмотрены основные проблемы проектирования систем для захвата движения пальцев рук человека. Большинство из них возникло при проектировании собственной системы захвата движения WiseGlove. Были сформулированы требования к подобным системам и поставлены задачи, которые необходимо решить. Одной из ключевых проблем остается проектирование гибкой системы, не зависящей от конкретной аппаратной базы, ввиду слишком быстрого развития микроэлектронных технологий.
Список литературы:
1. BI Intelligence. THE VIRTUAL REALITY REPORT: Forecasts, market size, and the trends driving adoption [Электронный ресурс]. URL: www.bu-sinessinsider.com/virtual-reality-headset-sales-explode-2015-4 (дата обращения: 10.2015)
2. A.D. Young. From posture to motion: the challenge for real time wireless inertial motion capture. In International Conference on Body Area Networks (Bo-dyNets), pages 131-137, 2010.
3. S. Madgwick. An efficient orientation filter for inertial and inertial / magnetic sensor arrays [Электронный ресурс]. URL: http://sharenet-wii-motion-trac.googlecode.com/files/An_elEcient_orientation_filter_for_inertial_and_inerti almagnetic_sensor_arrays.pdf (дата обращения: 10.2015).
4. T.G Zimmerman. Personal Area Networks: Near-field intrabody communication [Электронный ресурс] URL: http://courses.cs.washington.edu/cour-ses/cse590es/00au/papers/zimmerman.pdf (дата обращения: 10.2015).
5. Восков Л.С., Вабищевич А.Н. Качество. Инновации. Образование. -2013. - № 1. - С. 84-91.
6. Hands Omni haptic glove [Электронный ресурс]. URL: http://www.giz-mag.com/hands-omni-haptic-glove-lets-gamers-feel-virtual-objects/37188/ (дата обращения: 10.2015).
