Қаралық ғылыми­практикалық конференция I том

34 

 

8  N. G. Zagoruiko, Applied methods  of  data  and knowledge analysis. Novosibirsk:  Sobolev 

Institute of Mathematics of RAS, 1999, ch. 8, par. 6. 

 

UDC 681.3.01 

 

Alimanova M.O.

1

, Kozhamzharova D.Kh.

2

, Zholdygarayev A.O.

3

, Meraliyev M.M.

4

  

1

PhD, assist.prof., Suleyman Demirel University, Almaty, Kazakhstan 

e-mail: madina.alimanova@sdu.edu.kz 

2

MSc, International Information Technology University, Almaty, Kazakhstan 

3

Teacher assist., Suleyman Demirel University, Almaty, Kazakhstan 

e-mail: aslanbek.zholdygarayev@sdu.edu.kz 

4

Teacher assist., Suleyman Demirel University, Almaty, Kazakhstan 

e-mail: meraryslan.meraliyev@sdu.edu.kz 

 

ADAPTATION OF GAMING PROCESS TO IMPROVE  

HAND REHABILITATION 

 

Abstract. Hands, as the most dexterous part of our body, are of vital importance to our 

everyday life. However, since hands are extensively used in nearly all tasks, they are exposed 

in  more  dangerous  environment  than  any  other  parts.  Overwork,  injury  and  geratic 

complications,  such  as  stroke  can  all  cause  hand  function,  totally  or  partially,  which  directly 

diminish the quality of life. 

  

Unpleasant  effects  caused  by  trauma  and  overwork  to  hands  results  with  immediate 

hand  rehabilitation.  Trainings  for  patients’  rehabilitations  are  normally  goes  in  rehabilitation 

center in hospitals, with getting some physiotherapy for hands, making some exercises and etc. 

However all this may bore patients and not to motivate to sooner recovery.   

 

The  Leap  Motion  controller  is  a  small  device  that  senses  consumer  gestures  and  is 

aimed to enlarge a user’s interactive experience with their computer. Using infrared sensors, it 

is able to collect data about the position and motions of a user’s hands. This allows to use leap 

motion in different purposes like development of children’s intellect, having fun with playing 

virtual  reality  games  and  etc.  One  more  example  for  effective  usage  of  such  device  is  in  the 

purpose of medicine. 

Key words: Leap Motion, Machine Learning, Unity3D, Modeling, Autodesk 3Ds Max, 

Cinema 4D, Computer Vision 

 

 

If you’re just now hearing about real life escape games, you’re the norm. Escape games 

have  actually  been  around  for  nearly  a  decade,  but  they’re  just  now  gaining  mainstream 

popularity. Starting in Japan, the real life escape game industry has spread worldwide and has 

appealed  to  people  wanting  to  experience  their  entertainment,  not  just  watch  it.  The  industry 

really only began to explode in 2014, and there’s no end in sight to the growing popularity of 

this fun and engaging activity. 

 

The best part of real escape games is that the player is the main character instead of just 

watching  a  character.  And  due  to  the  rise  in  all  of  these  businesses,  each  one  brings  its  own 

unique  experience,  forcing  “game  makers”  to  be  diverse  with  their  themes  and  puzzles.  One 

notable  characteristic  of  the  game  is  the  puzzle  vs.  story  difference.  Some  games  can  be  all 

about solving hard puzzles and math problems, while others can be theatrical and focus on how 

the  player  must  escape  from  a  “situation”  (and  is  mainly  more  observationally  based).  The 

better  games  are  the  ones  that  are  able  to  intertwine  the  two  aspects  to  create  a  truly  distinct 

experience [1,2]. 

 

A virtual environment was developed in order to adapt the scenario as much as possible 

to  the  patient’s  reality.  The  participant  was  asked  to  sit  on  a  chair  and  to  have  his  forearm 

resting  on  a  small  table  nearby.  When  wearing  the  HMD  the  participant  saw  a  virtual  body 

35 

 

substituting his own, with the left virtual hand closed and resting on a virtual table colocated 

with  the real  one  and therefore in  the corresponding position  and orientation. The participant 

could see his virtual body by looking directly at it, as if looking at his own real body, but also 

in  a  virtual  mirror  that  showed  a  mirror  reflection  of  the  body.  The  movements  of  the 

participant’s real left arm were tracked and mapped to the virtual left hand, which would move 

in the same way, contributing to the generation of ownership. This could be seen directly from 

a first­person perspective and through the virtual mirror. To avoid problems of rejection of the 

virtual  body  due  to  physical  appearance,  care  was  taken  not  to  show  the  face  of  the  virtual 

body  in  the  mirror,  simply  by  placing  the  virtual  mirror  in  a  position  and  orientation  that 

showed only the body from the neck down. To further induce ownership over the virtual limb, 

we  applied  synchronous  visual  tactile  stimulation  using  the  method  described  by  Slater  et  al. 

This  was  achieved  using  a  soft  ball  attached  to  a  6­degrees­of­freedom  Wand  device  whose 

tracking information determined the position of a virtual ball. As a result of this configuration, 

when the soft ball touched the participant’s real hand, a corresponding virtual ball touched the 

virtual  hand.  The  reflection  of  the  body  movements  on  the  mirror  was  used  to  increase  the 

sensorimotor correlations to induce body ownership [3­6]. 

 

The participant was informed about the principles of immersive virtual reality and how 

the session would be organized. Then, he was given a consent form to sign. Next, the EMG and 

EEG  electrodes  were  attached  to  the  forearm,  over  the  wrist  flexors,  and  to  the  skull  (FP1), 

respectively.  Impedances  were  checked  and  the  hand  tracker  was  attached  to  the  back  of  the 

participant’s  left  hand.  Then,  he  trained  for  a  BCI  task  that  was  to  be  used  in  Part  2  of  the 

experiment (see below). By means of the BCI, and over a 3 min period, the participant tried to 

reduce the size of a virtual ball as presented on a PC desktop monitor. Then, we proceeded to 

the main experiment, which was divided into three parts.  

 

At  the  beginning  of  each  part  of  the  experiment,  the  position  of  the  participant’s  left 

hand was realigned with the virtual one, and there was a check to ensure that the virtual hand 

correctly replicated the rotation of the real hand. Then the position of the virtual table and the 

visual  tactile  coupling  were  recalibrated  to  minimize  incongruence  between  the  tactile  and 

visual inputs. The aim was to provide the participant with both sensorimotor and visual motor 

correlations to maximize the chance of inducing body ownership.  

 

The  HMD  was  donned  by  the  participant  and  calibrated  to  make  sure  that  the 

subsequent  scenario  would  be  seen  correctly.  Once  immersed  in  the  virtual  environment, 

virtual body ownership was triggered through 1 min of synchronous visual tactile stimulation, 

with  the  physical  tracked  ball  repeatedly  touching  the  participant’s  left  hand  and  the 

corresponding virtual ball touching the virtual left hand. Then, depending on the section of the 

experiment,  the  virtual  hand  would  open  under  specific  conditions,  and  a  task  had  to  be 

completed.  At  the  end  of  each  part  of  the  experiment,  the  HMD  was  taken  off,  and  the 

participant was given some time to rest. 

 

The  growth  of  the  Internet  as  the  primary  vehicle  for  secure  communication  and 

electronic commerce has made efficient cryptographic processing a key factor of good system 

performance.  In  this  paper,  we  demonstrated  that  a  hardware­software  co­design  provides 

excellent performance while maintaining the flexibility to support new algorithms in the field.  

 

To  motivate  our  design,  we  analyzed  the  characteristics  of  eight  secret­key  cipher 

kernels.  We  showed  that  they  lack  branch  or  memory  bottlenecks,  have  few  unknown 

dependencies,  and  offer  little  headroom  for  performance  improvement  on  traditional 

architectures.  Given  these  analyses,  we  proposed  new  instructions  that  speed  the  common 

operations  of  symmetric  ciphers,  and  efficient  hardware  that  improve  kernel  performance. 

Instruction  set  support  is  added  for  substitutions,  permutations,  rotates,  and  modular 

multiplication.  CryptoManiac  is  an  application­specific  co­processor  that  is  a  4­wide  VLIW 

machine.  We  then  examine  their  performance  on  microarchitecture  and  hardware  models  of 

varying cost and performance. Performance analysis  of the optimized benchmarks  revealed  a 

59%  speedup  over  machines  with  rotate  instructions,  and  a  74%  speedup  over  machines 

36 

 

without  rotates  for  the  architectural  extensions.  CryptoManiac  was  able  to  run  Rijndael  2.5 

times  faster  than  the  Alpha  21264  workstation  with  1/100th  area  and  1/100th  power  of  the 

Alpha processor.  

 

We evaluated different design configurations by building detailed hardware models of 

varied widths and capabilities. We then calculate encryption rate by synthesizing the models to 

obtain  timing  estimates.  Our  systematic  approach  allowed  us  to  study  the  tradeoffs  between 

chip  area  and  performance.  We  showed  that  the  highest­performing  and  most  cost­efficient 

design is the 4­wide combining configuration. Rijndael, the new AES standard, runs 2.25 times 

faster  on  a  360MHz  CryptoManiac.  Our  analysis  of  the  original  and  optimized  algorithms 

suggests  that  there  is  more  opportunity  to  speed  up  cryptographic  processing.  We  are 

considering  improved  functional  unit  designs  as  well  as  more  aggressive  circuit 

implementations. 

 

To  compare  the  performance  between  the  different  participants,  we  introduced  a 

performance index. This performance index was based on the performance ratio, calculated as 

the  best­reached  threshold  divided  by  the  time  to  reach  it.  Thus,  the  performance  ranged 

between 0 and 50 %, and the time ratio between 0 and 90 s. In addition, since there were some 

participants  who  performed  better  than  others,  we  compared  their  performance  ratio  in  each 

condition against the mean performance ratio across conditions. 

 

When  the  Leap  Motion  software  recognizes  a  gesture,  it  assigns  an  ID  and  adds  a 

Gesture  object  to  the  frame  gesture  list.  For  continuous  gestures,  which  occur  over  many 

frames,  the  Leap  Motion  software  updates  the  gesture  by  adding  a  Gesture  object  having  the 

same  ID and updated properties  in each subsequent frame. The metaphorical  projection is  an 

indispensable  tool  for  conceiving  the  preliminary  design  of  the  two  primary  facets  of  the 

virtual world. 

 

Accurately extracting the interesting object is a precondition in image based rendering 

of a virtual environment. However, because of the effect of noise, it be­comes difficult to get 

useful information from images. According to the steps of obtaining images, we know that in 

images  the  useful  data  always  mix  with  noise.  The  existence  of  noise  obscures  the  boundary 

between the object and the background, which makes it difficult to distinguish them. This is a 

much  confused  problem  in  the  computer  visual  field.  Therefore,  noise  reduction,  image 

enhancement, and restoration are becoming the very important steps in image based rendering 

of a virtual environment. 

 

According  to  different  aspects  of  simulated  objects,  the  modeling  methods  can  be 

divided into scene appearance modeling, physics­based modeling, behavior modeling, virtual­

real  combining  modeling,  etc.  Scene  appearance  modeling  focuses  on  the  appearance  of  the 

scenery, mainly including those modeling methods based on geometry, image and material and 

illumination  information;  physics­based  modeling  represents  object’s  physical  properties, 

making the dynamic and static sceneries in virtual environment more vivid, mainly referring to 

the simulation of physical process, such as simulation of dynamics, collision, and deformation; 

at  present,  behavior  modeling  in  VR  mainly  indicates  the  modeling  of  autonomous  entity, 

refer­ ring to artificial intelligence. 

 

Active­attenuation  model  treats  each  voxel  in  volume  data  field  as  a  particle  light 

source, and distributes source intensity and an attenuation coefficient. After attenuation along a 

distance  in  data  field,  the  light  generated  is  projected  to  the  visual  plane  to  form  resulting 

image. This type of model derives light intensity computing formulae applicable to 3D volume 

data with different properties according to relevant physical laws and equations. With reliable 

physical and mathematical basis, this method is the most frequently used illumination mode for 

volume rendering.  

 

Varying density emission model treats any object as a continuously distributed particle 

light  source  system.  Object  space  is  filled  with  particle  clouds.  Each  particle  can  emit  lights. 

Illumination is computed through accumulating the contribution from particle past through by 

37 

 

the  light  towards  light  intensity.  Although  there  are  different  microscopic  explanations,  this 

type of model has the same result as that of active­attenuation model. 

 

There  were  evaluated  different  design  configurations  by  building  detailed  hardware 

models of varied widths and capabilities. We then calculate encryption rate by synthesizing the 

models to obtain timing estimates. Our systematic approach allowed us to study the tradeoffs 

between  chip  area  and  performance.  We  showed  that  the  highest­performing  and  most  cost­

efficient design is the 4­wide combining configuration. Rijndael, the new AES standard, runs 

2.25  times  faster  on  a  360MHz  CryptoManiac.  Our  analysis  of  the  original  and  optimized 

algorithms  suggests  that  there  is  more  opportunity  to  speed  up  cryptographic  processing.  We 

are  considering  improved  functional  unit  designs  as  well  as  more  aggressive  circuit 

implementations. 

 

References: 

[1]  Virtual  Realities/  Edited  by  Guido  Brunnett,  Sabine  Coquillart,  Greg  Welch.  ­  Springer­

Verlag Wien, 2011. – p.251. 

[2] Encyclopedia of Operations Research and Management Science. 3

rd

 edition/ Edited by Saul 

I. Gass, Michael C. Fu. ­ Springer US. – 2013. – p.1641. 

[3]  Sunjie  Chen,  Hongbin  Ma,  Chenguang  Yang,  Mengyin  Fu.  Hand  Gesture  Based  Robot 

Control  System  Using  Leap  Motion.  8th  International  Conference,  ICIRA  2015,  Portsmouth, 

UK, August 24­27, 2015, Proceedings, Part I, 2015, 581­591 pp. 

[4] T. A. Travaglini, P. J. Swaney , Kyle D. Weaver, R. J. Webster III. Initial Experiments with 

the  Leap  Motion  as  a  User  Interface  in  Robotic  Endonasal  Surgery.  Proceedings  of  the  4th 

IFToMM International Symposium on Robotics and Mechatronics, Part 4, 2016, 171­179 pp. 

[5] Poonpong Boonbrahm, Charlee Kaewrat. Assembly of the Virtual Model with Real Hands 

Using  Augmented  Reality  Technology,  6th  International  Conference,  VAMR  2014,  Held  as 

Part of HCI International 2014, Heraklion, Crete, Greece, June 22­27, 2014, Proceedings, Part 

I, 2014, 329­338 pp.  

[6]  Constantin  Cătălin  Moldovan,  Ionel  Stareţu.  Motion  Leap  Compared  to  Data  Gloves  in 

Human Hand Tracking. Proceedings of the 24th International Conference on Robotics in Alpe­

Adria­Danube Region (RAAD), Part 4, 195­202 pp. 

 

УДК 537.86/.87:530.182 

 

BaimenshinaG.K.

 1

, Kumekov S.E.

2

, Aipenova A.

3

 

1 

MSc.,cт. преп. Университет имени Сулеймана Демиреля, Алматы, Казахстан 

e-mail: gulnaz.baimenshina@sdu.edu.kz 

2

DS, проф.,д.ф-м.н. Казахский Национальный Исследовательский Технический 

Университет им. Сатпаева, Алматы, Казахстан, e-mail: kumekov_s@mail.ru 

3

PhD.,cт. преп. Университет имени Сулеймана Демиреля, Алматы, Казахстан 

e-mail: aziza.aipenova@sdu.edu.kz 

2 

 

QUALITATIVE AND NUMERICAL ANALYSIS OF LASERMODEL WITH 

OPTICAL INJECTION  

 

Abstract:  The  nonlinear  processes  plays  important  role  in  the  development  of  new 

communication  systems  and  computing  elements.  Understanding  of  laser  instabilities  is 

necessary  for  developing  control  techniques.  From  a  dynamical  systems  point  of  view, 

semiconductor  laser  systems  are  very  attractive  due  to  the  fact  that  they  show  an  intriguing 

variety  of  complicated  dynamics.  Lasers  including  semiconductor,  solid­state  with  the 

additional external perturbation produce temporal and spatial instability. An optical injection is 

an example of such perturbation. External perturbations may destabilize or induce the sustain 

intensity oscillation.  

38 

 

In  this  paper,  we  study  the  dynamics  of  a  semiconductor  laser  with  optical  injection. 

The  time  behavior  of  solutions  of  a  system  of  three  coupled  nonlinear  rate  equations, 

describing  the  electric  field  amplitude  and  the  carrier  concentration  and  the  phase  difference 

within  the resonator, is discussed both  qualitatively and numerically. We then concentrate on 

the  periodic  orbits  that  emanate  from  Hopf  bifurcations.  Depending  on  the  injection  strength 

and  the  phase  difference,  two  types  of  oscillations  can  be  found,  such  as  relaxation  and 

periodic oscillations. 

Key  words:  Semiconductor,  optical  injection,  laser  system,  non­linear  dynamics 

methods; 

 

1. Introduction 

The first unstable fluctuations instead of continuous wave emission were observed in a 

continuously  pumped  maser  by  Makhov,  etc.  (1958).  The  connection  between  laser  and 

instabilities was  published by Haken (1975).  It  was  shown that  a set of  nonlinear differential 

equations  from  Maxwell­  Bloch  equations  for  a  laser  model  resembles  the  Lorentz  equations 

that  are  the  basic  model  for  deterministic  chaos.  Instabilities  in  lasers  have  become  broad 

subject  in  quantum  optics  by  Boyd,  Raymer,  and  Narducci  (1986)  and  Weiss,  Godone,  and 

Olafsson ( 1983).  

In  the  following  research  paper  we  consider  the  laser  rate  equations  with  an  optical 

injection. 

One of the first studies on the effects of the laser with optical injection was carried out 

by  Sacher  et  al.  (1992).  Since  then,  several  papers  have  discussed  the  instabilities  associated 

with  optical  injection,  mainly  Lee  et  al.  (1993),  Annovazzi­Lodi,  etc.  (1994),  Simpson  et  al. 

(1995),    Kovanis  et  al.  (1995)  and  Gavrielide,  etc.  (1997).  The  recent  books  chapters  by 

Eurnex& Glorieux (2010), Uchida (2012), and Ohtsubo (2008)    give an excellent overview of 

the dynamical instabilities in lasers. 

The  objective  of  this  work  is  to  investigate  the  effects  of  main  parameters,  such  as 

detuning  and  the  injection  level  on  dynamical  behavior  of  laser  system  using  numerical  and 

nonlinear dynamics methods.  

жүктеу/скачать 9,92 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: