非接觸式手勢識(shí)別智能控制器設(shè)計(jì)

劉怡明，王偉明，張雯薏

（1.石家莊市第二中學(xué)，河北石家莊，050000；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北石家莊，050043）

0 引言

接觸式控制器應(yīng)用于高電壓、防靜電、保密或者有生物安全性要求的設(shè)備時(shí)，容易對操作者或者設(shè)備帶來損害，因此，非接觸式控制器以其較好的安全性能具有廣闊的應(yīng)用前景。

常用的非接觸式控制器有遙控器、語音（聲控）、熱釋電傳感器等。遙控器具有難于保管、保密性和可靠性差的缺點(diǎn)；語音識(shí)別因其在處理自然表達(dá)式方面有著非常高的穩(wěn)定性和實(shí)用性，但諸如噪聲和麥克風(fēng)與用戶之間的距離等問題限制了語音控制器的發(fā)展發(fā)展；熱釋電傳感器對各種熱源均有響應(yīng)。上述非接觸式控制器均不適于上述有特殊要求的設(shè)備。

隨著可穿戴設(shè)備、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互技術(shù)越來越成熟，手勢以其生動(dòng)、形象和直觀等特點(diǎn)，成為人機(jī)交互的重要交流手段[1,2]。目前，非接觸式的紅外傳感技術(shù)因其敏感度高和受環(huán)境光干擾小等特點(diǎn)，正逐漸成為新一代手勢識(shí)別的研究熱點(diǎn)。

國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對手勢識(shí)別進(jìn)行了一系列探索。比較典型的有，西安工程大學(xué)楊晉芳[3]將紅外線和環(huán)境光傳感器與電容式觸摸感應(yīng)微控制器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)非接觸式手勢識(shí)別，可用于多種動(dòng)作和手勢檢測以及目標(biāo)物體距離校準(zhǔn)，但它涉及兩種傳感器的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)較為復(fù)雜且未說明能夠識(shí)別哪些動(dòng)作；杭州木梢科技有限公司的發(fā)明專利，提供了一種可實(shí)現(xiàn)手勢識(shí)別的被控裝置及其控制方法，通過在被控裝置中應(yīng)用4個(gè)距離傳感器，由所述多個(gè)距離傳感器對用戶針對該裝置的各種有效手勢進(jìn)行感測，實(shí)現(xiàn)了該被控裝置的非接觸式手勢識(shí)別控制方法，從而實(shí)現(xiàn)了裝置的智能化靈活控制[4]。武漢大學(xué)的發(fā)明專利，涉及一種基于體感交互設(shè)備的手勢識(shí)別控制器，手勢由使用者在體感交互設(shè)備可識(shí)別區(qū)域裸手實(shí)現(xiàn)被控裝置中應(yīng)用多個(gè)距離傳感器，實(shí)現(xiàn)了該被控裝置的非接觸式手勢識(shí)別控制方法[5]。上述手勢識(shí)別主要有基于可穿戴傳感器的接觸式和基于計(jì)算機(jī)視覺的非接觸式兩類?；诳纱┐鱾鞲衅鞯淖R(shí)別方式需要用戶佩戴專業(yè)設(shè)備，適用范圍窄、應(yīng)用性差?；谟?jì)算機(jī)視覺的識(shí)別方法雖然解決了適用范圍問題，但對設(shè)備、環(huán)境要求較嚴(yán)，且算法較復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。

由于單一的紅外手勢傳感器無法區(qū)分人體、物體或者是人員手部的動(dòng)作，容易造成誤操作。因此我們設(shè)計(jì)了一種非接觸式紅外手勢智能控制器，通過組合多個(gè)紅外手勢傳感器構(gòu)成傳感器陣列，采用符合人體工程學(xué)的排列方式，使之不僅能夠識(shí)別單一傳感器的左右、上下、遠(yuǎn)近等手勢動(dòng)作，而且能夠創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)捏手、手指滑動(dòng)等手部復(fù)雜動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別，可有效避免單一手勢傳感器可能導(dǎo)致的誤觸發(fā)。此控制器不僅應(yīng)用于家庭娛樂設(shè)備控制或平板電腦屏幕操作，而且亦應(yīng)用于對操作安全性、生物安全性和保密性能要求較高的設(shè)備中，可有效降低接觸式操作精密儀器可能帶來的損害。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由STM32F103系列單片機(jī)，9個(gè)紅外感應(yīng)手勢傳感器APDS-9960，繼電器和蜂鳴器組成。9個(gè)紅外感應(yīng)手勢傳感器構(gòu)成傳感器陣列，采用符合人體工程學(xué)的排列方式，識(shí)別手指滑動(dòng)和左右手指捏合動(dòng)作，避免誤觸發(fā)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

傳感器1，2，3，4用于識(shí)別手指滑動(dòng)動(dòng)作，傳感器7，8用于識(shí)別左手指捏合動(dòng)作，傳感器5，6用于識(shí)別右手指捏合動(dòng)作，傳感器9用于防止誤觸發(fā)操作，三種主要?jiǎng)幼鞅蛔R(shí)別之后，STM32F103單片機(jī)發(fā)出控制指令，發(fā)送給繼電器，通過繼電器吸合完成被控設(shè)備的操作。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 主控模塊

主控模塊選用了STM32F103單片機(jī)開發(fā)板。它是一款32位標(biāo)準(zhǔn)RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率，其工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20K字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I/O端口。

1.1.2 紅外手勢傳感器

圖2 STM32F103單片機(jī)開發(fā)板

紅外感應(yīng)手勢傳感器選用的是APDS-9960。APDS-9960是一款集成多種功能的光學(xué)模塊和環(huán)境亮度感測的環(huán)境亮度傳感器，通過對它的編程能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，如手勢識(shí)別、環(huán)境光檢測、光強(qiáng)檢測等功能。同時(shí)他具有上下閾值和中斷功能，具有較高的分辨率，功率強(qiáng)勁能夠穿過深色玻璃進(jìn)行檢測。

APDS-9960由一個(gè)發(fā)光二極管和四個(gè)安裝于不同位置的光敏三極管組成。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)手劃過4個(gè)光敏三極管時(shí)，LED的紅外光能量被反射回去接收，根據(jù)接收信號(hào)出現(xiàn)的不同時(shí)刻來確定手部運(yùn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)手部運(yùn)動(dòng)從上向下，從下向上、自左向右、自右向左、從遠(yuǎn)到近、從近到遠(yuǎn)等六個(gè)方向的檢測。

由圖3可知，由于四個(gè)光敏三極管封裝在一起，彼此之間距離非常近，對于捏手動(dòng)作、遠(yuǎn)距離滑動(dòng)等動(dòng)作識(shí)別率會(huì)很低，也不易實(shí)現(xiàn)。這種局限性限制了其應(yīng)用場合。所以我們把9個(gè)傳感器組成傳感器陣列，完成復(fù)雜手勢的識(shí)別。

圖3 紅外手勢傳感器

1.2 軟件設(shè)計(jì)

控制器面板包含9個(gè)傳感器，設(shè)計(jì)了一種狀態(tài)矩陣，來識(shí)別不同的手勢動(dòng)作。程序定時(shí)循環(huán)讀取各個(gè)傳感器，并將其識(shí)別結(jié)果依次存儲(chǔ)在表格中，每個(gè)傳感器的識(shí)別結(jié)果緩沖區(qū)長度為8，這樣可以順序存儲(chǔ)8個(gè)結(jié)果，構(gòu)成8×9的狀態(tài)矩陣。

1.2.1 手指從左往右滑動(dòng)動(dòng)作識(shí)別

某個(gè)時(shí)刻的緩沖區(qū)內(nèi)容如表1所示。當(dāng)程序掃描整個(gè)狀態(tài)矩陣，發(fā)現(xiàn)某一列1#、2#、3#、4#行均為R而其他位置為0時(shí)，認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了手指從左往右的滑動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)排除物體、人體晃動(dòng)動(dòng)作后，激活蜂鳴器并觸發(fā)繼電器動(dòng)作，從而控制燈亮。手指從左到右滑動(dòng)識(shí)別的流程圖如圖4所示。

表1 從左到右手指滑動(dòng)識(shí)別結(jié)果

1.2.2 左手指捏合動(dòng)作識(shí)別

某個(gè)時(shí)刻的緩沖區(qū)內(nèi)容如表2所示。當(dāng)程序掃描整個(gè)狀態(tài)矩陣，發(fā)現(xiàn)某一列7#有從右到左的動(dòng)作，8#有從左到右的動(dòng)作，而其他位置為0時(shí)，認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了左手指捏合動(dòng)作，同時(shí)排除物體、人體晃動(dòng)動(dòng)作后，激活蜂鳴器并觸發(fā)繼電器動(dòng)作，從而控制燈亮。左手指捏合動(dòng)作識(shí)別的流程圖如圖5所示。

表2 左手指捏合動(dòng)作識(shí)別結(jié)果

圖4 手指從左往右滑動(dòng)動(dòng)作識(shí)別流程圖

圖5 左手指側(cè)捏合動(dòng)作識(shí)別流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的非接觸式手勢識(shí)別智能控制器的有效性，針對3種手勢（即手指滑動(dòng)、雙手指左側(cè)捏合、雙手指右側(cè)捏合）進(jìn)行識(shí)別，實(shí)驗(yàn)中對每類手勢重復(fù)識(shí)別50次，共150個(gè)樣本，識(shí)別結(jié)果如表3所示。

表3 3種手勢動(dòng)作的識(shí)別結(jié)果和識(shí)別率

識(shí)別結(jié)果表明：平均識(shí)別率為92.5%，識(shí)別率較高。通過以上實(shí)驗(yàn)可知，手指滑動(dòng)識(shí)別率要優(yōu)于雙手捏合動(dòng)作，主要原因如下：（1）面板上的打孔位置精度不高，導(dǎo)致個(gè)別傳感器識(shí)別率較低，從而影響了整體效果。（2）手指滑動(dòng)和手指捏合動(dòng)作對紅外光的反射效果不同。手指滑動(dòng)時(shí)，傳感器接收到的反射光較強(qiáng)，識(shí)別率高；手指捏合時(shí)，手指的反射面較窄，發(fā)射光較弱，導(dǎo)致識(shí)別率較低。

為驗(yàn)證本控制器能夠避免誤觸發(fā)，分別進(jìn)行了人體在面板前走過、整個(gè)手掌在面板前揮動(dòng)等實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)控制器并無輸出動(dòng)作，說明其能夠有效避免運(yùn)動(dòng)物體穿過和晃動(dòng)等可能造成的誤觸發(fā)。

3 結(jié)論

提出了一種非接觸式手勢識(shí)別智能控制器，并搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，編制了相應(yīng)的復(fù)雜手勢識(shí)別模塊。通過選取3種手勢（即手指滑動(dòng)、雙手指左側(cè)捏合、雙手指右側(cè)捏合）進(jìn)行識(shí)別實(shí)驗(yàn)，對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制器不僅能夠識(shí)別單一傳感器的左右、上下等手勢動(dòng)作，而且能夠創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)捏手、手指滑動(dòng)等手部復(fù)雜動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別，可有效避免單一手勢傳感器可能導(dǎo)致的誤觸發(fā)，從而有效提高高壓電器操作安全性、生物安全性和保密性能，降低接觸式操作精密儀器可能帶來的損害。