游戏里的科研硬件

照片来源:双胞胎项目

视频游戏运动传感器可以扫描恐龙骨骼，监控冰川...

一个胸前挂着皮绳的黑色长方形男人小心翼翼地绕着一只霸王龙的头骨走。这不是表演艺术。黑色矩形条是一种叫做Kinect的运动传感器，它的佩戴者正在伊利诺伊州芝加哥的菲尔德博物馆用它来捕捉恐龙头骨的精确三维形状。

这与开发人员的预期相去甚远。微软为视频游戏设计了这个黑色矩形条，它允许Xbox游戏用户不用手持控制器就可以用动作和手势来控制他们的角色。但从它发布的那一刻起，科学家和临床医生就开始改造这种设备(包括其他传感器，如任天堂Wii遥控器)，并将其用于从机器人、冰川学到医疗保健等领域的研究。他们很快意识到，这些设备收集的数据可以用来测量人体运动、操纵三维物体、观察或建立三维空间模型等。

这些传感器给科学家们带来了许多额外的好处:它们价格低廉(大多数成本在80到100美元之间)，便于携带，并且与免费和易于学习的软件兼容。这使得它成为许多项目的灵活选择。

但是它们也有很大的局限性。与工业硬件相比，其分辨率等性能往往较差，系统在室内的运行效果往往优于在野外的运行效果。它们的效用在很大程度上取决于所进行的研究的类型。

恐龙牙科

丹尼斯·穆尔曼在2016年和家人参观菲尔德博物馆时，开始将Kinect作为一种研究工具。在参观SUE(世界上最完整的霸王龙骨骼之一)时，她的侄子看到了一个展板，解释说恐龙的头骨上布满了来历不明的小洞。它们是咬痕吗？还是感染的痕迹？穆尔曼认为，研究头骨会很有趣，就像她在法医牙医工作期间研究咬痕一样。

但是她使用的工具不能胜任这项工作。苏的头骨长约1.5米，重272公斤，这对一台高精度的三维牙科扫描仪来说太大了。因此，Murmann求助于来自麻省理工学院媒体实验室摄像文化小组的成像专家Anshuman Das，他建议她将Kinect连接到笔记本电脑上。达斯说，这样获得的分辨率比工业扫描仪低10倍左右，但Kinect可以处理样本的大小。

达斯把Kinect绑在胸前，慢慢地绕着他的头骨走。三维扫描结果显示，并非所有的洞都以相同的角度进入头骨，因此它们可能不是来自单一的咬痕。它们逐渐减少到内部，表明它们不是感染的结果。该研究小组去年7月公布了研究结果。尽管Murmann的研究项目不是第一次扫描SUE的头骨，但之前的研究包括500小时的计算机断层扫描(这种方法通常用于检查航天飞机的部件)。在博物馆里，Kinect扫描只花了几分钟。

冰川、步态和机器人

古生物学并不是受益于游戏控制器的唯一领域。肯·曼考夫是一位冰川学家，他在丹麦和格陵兰岛进行过地质调查，他用Kinect模拟冰川床和融化的水道，分辨率为1毫米。这些数据可以帮助冰川学家更好地理解冰川融化对海平面的影响。Mankoff说，通常这些数据是用激光雷达(光探测和测距)系统收集的，这可能要花费1万多美元。

现成的视频游戏运动传感器也可以为机器人提供方便的视觉系统。加州斯坦福大学和纽约州伊萨卡康乃尔大学的机器人专家阿什托什·萨克斯纳和陈霞·吴使用Kinect设计了一个机器人，可以“观察”人类理解任务。他们的机器人手表机器人由一台电脑和一个激光笔组成，Kinect作为它的“眼睛”安装在三脚架上。WatchBot可以学习一项任务包括哪些步骤，比如从烤箱中取出食物。在60%的情况下，它可以识别遗漏的步骤。这种精度可以使其在生产和安全监控中发挥作用。

其他视频游戏传感器已被证明对这项研究非常有帮助。例如，加州旧金山的Leap Motion公司设计的控制器可以用来跟踪手和手指的运动，而虚拟现实头盔如白日梦和裂缝可以提供更多身临其境的体验。荷兰代尔夫特技术大学的水文学家威廉·卢森堡曾经用一个精度超过毫米的Wii遥控器测量过水库的蒸发率。

电子游戏传感器也越来越多地用于医疗保健领域。哥伦比亚密苏里大学的工程师Marjorie Skubic在Kinect于2010年发布时开始使用这种传感器。她用它来监测老年人的步态，预测他们跌倒的风险。“那是在圣诞节之前。”她回忆道，“我们去了那个城市，在那里买了所有的设备。我担心我们会伤害一些孩子。”她说加入Kinect是她团队之前监控系统(一个摄像头和一台大型台式电脑)的一个重大改进。

电脑占据了很大的空间并产生大量的热量，所以它需要一个有噪音的风扇来降低温度，这有很大的干扰。Kinect只需要一台小型计算机，这就消除了上述两个问题。同时，它能准确捕捉老年人运动时的轮廓。

易操作的

为了捕捉三维物体，Kinect可以像普通数码相机一样拍摄数字图像，还可以用红外线测量深度。然后，它将两个数据集组合起来，创建一个“深度图像”，在这个图像中，每个像素都是根据其与传感器的距离绘制的。据此，系统可以创建三维模型或重建大纲。

使用这些数据几乎不需要专业知识或设备。达斯说，它所需要的只是一个适配器，用来将Kinect连接到笔记本电脑上(在线售价约为50美元)，以及一个好的图形处理单元，用来处理Kinect获得的实时三维结构。“有些游戏笔记本电脑是完美的。”

对于那些对这个平台感兴趣的人来说，一个大型的电脑拼图社区随时准备提供帮助。微软还开发了一个软件开发工具包，可以使用Kinect数据构建定制应用程序，并从微软的应用商店下载3D扫描(一个用于对象扫描的软件包)。中国温州肯大学的研究员唐嫣开发了一种基于运动的系统，可以帮助人们理解自闭症儿童的情感。唐发现，在她的团队中，微软的Kinect软件开发工具包和Visual Studio很容易掌握。"我的一个学生在一周内自学了。"她说。这种易于掌握的工具可能会派上用场，因为研究人员可能需要改变平台以跟上游戏行业的快速发展。

然而，这些工具也有很大的局限性。曼考夫说，Kinect的一个问题是距离:因为它是为室内使用而设计的，它只能测量离传感器几米的距离。新的算法，包括激肽图和弹性融合，允许研究人员将数据“缝合”在一起，以克服这些限制，但其他障碍仍然存在，尤其是在野外工作时。“任何潮湿的东西都是问题。阳光直射也是一个问题。”曼科夫说，“幸运的是，我的工作是在一个山洞里。否则，我不得不在晚上或阴天工作。”其他问题包括电池寿命和难以跟踪异常姿势或穿着宽松衣服的人。

然而，科学家仍在寻找传感器的创造性用途。自从达斯公布了霸王龙的研究结果后，他收到了许多来自博物馆和古生物学团体的请求，要求他使用或调整扫描仪来分析其他化石、艺术品和工艺品。这个工具非常简单，他甚至在新罕布什尔州的一所小学里用它做面部扫描练习。“你不能把它和工业扫描仪相比。但由于共享数据既便宜又容易，这将鼓励合作。”达斯说。(冯伟伟编著)