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Kinect等运动传感器被创造性地用在国外多种科学研究中

你知道吗?运动传感器不止用于电子游戏,通过搭配合适的软件,它们还能够扫描恐龙头骨,监控冰川,赋予机器人视力。作为微软最初为其电子游戏产品而设计的Kinect游戏控制器,其最初目的是想让Xbox用户通过肢体动作和手势来控制游戏中的人物,而不再受游戏手柄的限制。然而,自它上市起,就大受科学家和临床医生的欢迎。他们通过改造Kinect和其他传感器,帮助开展机器人学、冰川学和医疗健康等领域的研究。他们很快就意识到这些设备可用于测量肢体活动,操控3D物体,观察或建立3D空间模型,而搜集到的数据,能用于各种各样的研究。

 

黑色矩形装置便是内置运动传感器的Kinect游戏控制器。资料图


古生物和冰川研究

比如上图中,一个胸前戴着一个黑色矩形装置的人正小心翼翼地绕着一个霸王龙头骨行走。这不是什么行为艺术。那个黑色矩形装置便是内置有运动传感器的Kinect,那个人正在美国芝加哥菲尔德博物馆用它捕捉恐龙头骨精确的3D形状。

这类游戏控制器的应用领域并不限于古生物学。丹麦及格陵兰地质调查局的冰川学家KenMankoff曾利用Kinect给冰川河床及其下面的融水通道建模,分辨率达1毫米。这样的数据能帮助冰川学家更好地理解冰川融水如何影响海平面。Mankoff说,科学家通常用激光雷达系统搜集数据,一套系统的成本可超过一万美元。

机器人应用

现成的电子游戏运动传感器还可用作简易的机器人视觉系统。机器人学研究者Ashutosh Saxena和Chenxia Wu就用Kinect设计了一个可以通过观察人类行为来学习任务的机器人:WatchBot。

 

安装在Watch-Bot设备三脚架上的Kinect,资料图

 


它由一台计算机、一个激光指示器和一个安装在三脚架上的Kinect组成,Kinect在这里充当眼睛。WatchBot能够学习完成一项任务(比如从烤箱中把食物取出来)所需的步骤。在60%的情况下它能够鉴定遗漏的步骤,这样的准确率足够让其在未来应用于制造与安全监测领域。

 

Watch-Bot项目研究原理示意图,资料图


此外,还有其他的电子游戏传感器也对科学研究有用。LeapMotion开发的控制器能够跟踪手部和手指的细微动作;虚拟现实头戴设备,比如谷歌的Daydream和Oculus VR的Rift,则能增加沉浸感。例如,荷兰代尔夫特理工大学的水文学家Willem Luxemburg用Wii Remote测量水库蒸发速率,精度超过一毫米。Wii已停产,但旧版系统仍可从网上获取,Kinect也是一样。微软在去年10月停止生产Kinect。微软不断推出新产品,比如目前限量生产的增强现实眼镜HoloLens便采用了和Kinect一样的核心传感器。

 

Kinect被用在老年人步态监测研究中,资料图


医疗研究

电子游戏传感器也被越来越多地用于医疗。密苏里大学的工程师Marjorie Skubic从2010年Kinect刚刚发行时,便开始用它监测老年人的步态并预测他们摔倒的风险。Kinect极大地改进了他们之前所用的监测系统——一个摄像头和一台笨重的台式电脑。计算机不仅占空间,而且发热严重,需要用电风扇散热,发出的噪音非常干扰工作。有了Kinect后,这些问题迎刃而解,只需要一台小电脑就能够准确捕捉老人的步态。

在英国阿尔斯特大学,康复研究者Suzanne McDonough和计算机科学家Darryl Charles将电子游戏传感器和定制软件结合起来,用于监控病人在家里的理疗锻炼情况,并根据他们的康复状况安排新的训练。在过去的几年里,McDonough和Charles使用的工具也在不断进步,从Eye Toy和Wii到VR游戏专用摄像头,再到用两代Kinect来跟踪手臂和手部运动,最后用Oculus和谷歌的VR头戴设备来提供更加逼真的体验。他们也用到了LeapMotion传感器。Charles说,它很善于识别手势和手部的自然运动。

优点和局限

总体来说,对于科学家来说,这类传感器对科学家来说有诸多优点,主要包括成本合理(大部分为80到100美元)、便携且与免费易学的软件兼容,因此被用于许多研究项目。

不过,这类设备也有明显的不足之处,比如它们的规格(如分辨率)通常比不上工业级硬件,而且系统更适合客厅环境而非野外。不仅如此,它们的效用很大程度上取决于所开展的研究类型。

例如,Kinect的一个缺点是距离。因为它是为家用需求设计的,所以只能测量距离传感器几米以内的物体。其他的一些问题在田间工作时尤其突出,比如任何潮湿的东西都不行,直接日照也不行。其他局限还包括电池寿命和难以跟踪姿态奇特或衣着宽松的人。

尽管如此,科学家仍在不断挖掘这些传感器的创意用法。自从研究者发表了关于文章开始那项霸王龙的研究结果后,研究者收到了许多来自博物馆和古生物学团体的请求,他们希望能够使用或改造他们开发的扫描仪来分析其它化石、艺术品和人工制品。研究者表示,虽然这传感器肯定比不上一个工业级扫描仪,但是它成本低且便于分享数据,因而有利于促成合作。

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