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UDC
全日制工程硕士学位论文
基于虚拟手的人机交互技术研究
张志纯
指导教师（姓名、职称） 况立群 副教授、杨晓文 副教授
申请学位级别 工程硕士
专业名称 计算机技术
论文提交日期____2015____年___4___月___10___日
论文答辩日期____2015____年___5___月___24___日
学位授予日期________年______月______日
论文评阅人 陈立潮 曾建潮
答辩委员会主席 曾建潮
2015 年 5 月 24 日
中北大学学位论文
基于虚拟手的人机交互技术研究
摘 要
人机交互技术（Human-Computer Interaction）是虚拟现实领域中的关键技术，广泛
应用在航天、军事、医疗、教育、娱乐、建筑和商业等领域，它的主要目的是从用户的
角度来改善用户和计算机之间的交互，从而增加系统的沉浸感和真实性。基于虚拟手的
人机交互技术通过外部设备采集人手数据，控制三维环境中的虚拟手，从而完成虚拟手
的各种交互操作。
本文探讨和研究了基于虚拟手人机交互技术中的相关理论和关键技术，并在
Virtools 平台下设计了交互实例，对本文提出的算法进行验证。具体内容如下：
⑴建立了虚拟手的几何模型和运动模型。采用 3ds Max 中的多边形网格建模方法，
建立了虚拟手的逼真几何模型；通过分析真实人手的生理结构和骨骼的运动特点，对虚
拟手的拇指和四指分别进行了运动建模，完成了手部控制的基础。
⑵实现了人手到虚拟手的运动映射。基于 Virtools 平台开发了数据手套的数据采集
模块，完成了对人手数据的采集；提出了基于初始值的数据转换方法，完成了原始数据
到角度数据的转换，解决了虚拟手开始运动时跳变现象的发生，同时在外展的处理上采
用约束值的方法，确保虚拟手与真实人手匹配的一致性；开发了位置跟踪器的数据采集
模块，完成了对真实人手位置信息的采集；设计了手部运动控制算法，实现了手的旋转
运动和平移运动。
⑶实现了基于虚拟手的交互操作。对虚拟手的手势交互技术进行了深入的研究，提
出了基于高低阈值的手势判定方法；介绍了 Virtools 平台上几种常用的包围盒碰撞检测
方法，并实现了碰撞检测；提出了基于阈值角度的手部抓取算法，详细探讨了该算法的
改进之处；通过实例对本文提出的算法进行验证，实现了各种自然的手势动作以及虚拟
手对物体的抓取操作，表明本文算法的有效性和实用性。
关键词：虚拟现实，碰撞检测，数据手套，人机交互，Virtools
中北大学学位论文
Research of Human-Computer Interaction Technology
Based on Virtual hand
Abstract
Human-Computer interaction is the key technology of virtual reality field, which widely
used in aerospace,military,medical,education,entertainment,architecture,business and other
fields,its main purpose is to improve the interaction between users and computers from user’s