基于紅外的非接觸式手勢識別系統設計

楊晉芳++衛建華++劉琪++齊攀

摘 要：針對目前電子設備對手勢識別功能的需求，提出了一種非接觸式手勢識別系統設計方案。該系統將紅外線和環境光傳感器Si1143與C8051F700、C8051F800等電容式觸摸感應微控制器相結合，實現非接觸式手勢識別，可用于多種動作和手勢檢測以及目標物體距離校準。

關鍵詞：手勢識別；非接觸；紅外；傳感器

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-0-03

0 引 言

人機交互技術的發展大大增強了應用系統的智能化設計[1]，手勢識別[2]也逐漸成為人機交互的核心技術。隨著人機界面技術和設計理念的進步，紅外線接近感應器正逐漸成為非接觸式手勢識別用戶界面的創新點。早期的傳統紅外線接近感應系統由老式光電探測器和光電斷路器組成，其觸發方式基于是否移動或中斷，但這些器件在應用方面受感應器尺寸、功耗和可配置性的限制[3-7]。相比于這些早期的紅外線接近傳感器，Silicon Labs的Si1143傳感器不僅體積更小、功耗更低，還可以驅動多個紅外線發光二極管，可實現高級的多維手勢輸入功能。本文結合面向人機界面應用的Si1143傳感器的優勢，給出了一種非接觸式手勢識別系統的設計方案。該方案支持兩個和三個LED實現更復雜的接近傳感器集成電路，使人們能夠更方便、更安全、更愉快的通過非接觸手勢識別用戶界面。

1 Si1143的基本特性

Si1143是基于反射的低功率紅外線臨近和環境光傳感器，其結構框圖如圖1所示。它包括ADC轉換器、可見光光電二極管、紅外線光電二極管、數字信號處理器以及集成的紅外線LED驅動器等。工作時LED發送紅外光被物理反射回來后，由可吸收波長850880 nm的紅外光電二極管接收，而環境光則由可接收波長在500600 nm范圍內的可見光光電二極管接收，然后轉化為電信號經AMUX送入ADC進行數據轉換，進而通過I2C總線將數據傳輸至控制器。接近傳感器的檢測距離和靈敏度由系統的信噪比（SNR）決定，SNR越高，距離越遠。多種可變因素影響系統的SNR，包括環境噪聲/光線補償、光電二極管靈敏度、濾波和模數轉換器（ADC）架構[8]。Si1143的聯合架構優化具有非常高的系統SNR，從而使Si1143接近傳感器具有較遠的感應距離、較高的靈敏度和較快的數據采集速度。

Si1143在廣泛的動態范圍和包括陽光直射在內的各種光源下可提供優異性能，高靈敏度支持在半透明的產品覆蓋物后面靈活放置紅外傳感器。光電二極管響應和關聯的數字轉換電路對人造光閃爍噪聲和自然光顫動噪聲具有優異的抗擾性。Si1143完備的IR感應架構也可在日光下工作[9]，其包含一個環境光傳感器，能夠感應高達128 kiloLux的光照度。此外，Si1143的先進架構能夠在25 s內完成接近感應測量，減少了極其耗電的紅外發光二極管的開啟時間，從而實現了低功耗。

Si1143包括最多3個紅外線LED驅動器，可以自由實現檢測距離超過50 cm的一維HI系統或檢測距離高達15 cm的具有手勢感應能力的多維系統。多個紅外線LED燈驅動器能夠實現高級動作和手勢感應，Si1143支持3個LED驅動，支持多軸式臨近運動探測，能夠在多維非接觸式控制中實現創新的三維動作感應[10]。

2 非接觸式手勢識別系統組成

圖2所示為Si1143與控制器的連接電路示意圖。Si1143可與Silicon Labs提供的多種電容式觸摸感應微控制器相結合，包括C8051F700、C8051F800或C8051F99x處理器，組成非接觸式的手勢識別系統，并能用于多種動作和手勢檢測，以及目標物體距離校準應用。Si1143器件的感應模式提供有用信息給MCU，用以確定背景光類型，如日光、熒光燈光或白熾燈光。這種信息具有廣泛應用，可改善IR接近感應、優化紅外感應功耗、增強顯示設備的背景亮度調節功能以及控制系統內的其他設備。

3 紅外技術實現手勢感應

Si1143接近環境光傳感器適用于非接觸式手勢感應，如讀者翻頁，滾動平板電腦或GUI導航。Si1143可提供高達三個LED驅動器，并可在715 cm產品互動區域內感知手勢。我們通過使用紅外線技術實現動作感應，主要采用基于位置和基于相位的手勢感應。

（1）基于位置的手勢感應通過計算對象的位置來實現手勢感應。

（2）基于相位的手勢檢測則通過定時信號的變化來判斷物體的運動方向。

3.1 基于位置的手勢感應

基于位置的運動傳感算法涉及三個主要步驟：

（1）將原始數據輸入轉換成可用的距離數據，

（2）使用距離數據來估計目標對象的位置，

（3）檢查位置數據移動的定時，以查看是否有手勢出現。

3.2 基于相位的手勢感應

基于相位的手勢感應包括從原始數據尋找鄰近測量和尋找每個LED的定時變化反饋。當手放在LED的正上方，將出現每個LED的最大反饋點。如果手掃過兩個LED，可以通過查看其LED首次出現的反饋來確定劃過的方向。

3.3 兩方法優缺點比較

基于位置方法的優點是可以提供目標的位置信息，并允許系統實現比例控制。基于位置方法的主要缺點是位置計算的精度。位置算法假定LED是球形輸出，但在實際應用中LED的輸出是圓錐形。該方法還假定LED的整個輸出是均勻光強，但實際情況中光強度會衰減。且該方法不考慮目標的形狀，一個獨特形狀的對象會導致位置輸出不一致。例如該系統區別不出手和手腕之間的差異，因此涉及該手腕運動的區域檢測則不太精確。該方法中提供的位置信息用于低分辨率系統是足夠的，但當前的定位算法并不太適合于定點應用。

對于不需要位置信息的應用，基于相位的方法提供了一個非常可靠的方法檢測手勢。每個手勢可以在可檢測區域任一入口或出口進行檢測，該方法的缺點是不能提供位置信息。這意味著可以實現手勢的數量比以位置為基礎的方法更有限。相位法只能從檢測區域區別出進入和退出的方向，無法檢測到可檢測區域中的任何運動。

3.4 兩方法結合提高手勢識別

系統將兩種方法結合，彌補了彼此的缺陷。基于位置的方法可提供某些位置信息進行比例控制，基于相位的方法可以用于檢測大多數的手勢。這兩種方法配合使用，可以給手勢感應提供強大的解決方案。

4 系統軟硬件設計相關

4.1 臨近感應

Si1143可以驅動三個單獨的紅外線LED。將這三個紅外線LED放入L形配置中時，可以對三維臨近場地內的物體進行三角測量。每當到PS測量時，Si1143會進行多達三次測量，具體依據CHLIST中啟用的參數而定。也可以修改這些測量的ADC參數，允許在不同環境光條件下正常運行。在這三次測量中，都可以對LED選擇進行設定。在默認情況下，每次測量打開一個LED驅動器，但容易顛倒測量順序，或讓所有LED同時打開。根據情況，可以將每次臨近測量值與主機設定的閾值進行比較。

為了動態支持不同的電源使用效率情形，每個輸出的紅外線LED電流都可以獨立設定，可在幾毫安到幾百毫安之間任意取值，因此主機可以動態地臨近探測性能或節能優化。此功能允許主機在一個物體已進入臨近范圍后降低LED電流，并在采用較低電流設置時仍然可以跟蹤該物體。最后通過靈活的電流設置，采用受控制的電流吸收器控制紅外線LED電流，從而提高精確度。

4.2 環境光

Si11413具有能夠同時測量可見光和紅外光的光電二極管，但可見光光電二極管也受紅外光影響。測量照明度時需要與人眼相同的光譜響應。如果需要準確測量照明度，則必須補償可見光光電二極管的額外IR響應。為了讓主控制器可以對紅外光的影響進行校正，Si1143在單獨通道報告紅外光的測量結果。單獨的可見光光電二極管和IR光電二極管適合于各種算法解決方案。主控制器可以執行兩次測量，運行算法推導出與人眼感覺相當的照明度。在主機中運行IR校正算法可以非常靈活地調節系統相關變量。如果在系統中使用的玻璃阻止的可見光超過紅外光，則需要調節IR校正。如果主機沒有進行任何紅外線校正，則可以在CHLIST參數中關閉紅外線測量。

4.3 主控制器接口

Si1143的主控制器接口由SCL、SDA及INT三個引腳組成，設計INT、SCL和SDA引腳的目的是使Si1143通過軟件命令進入關閉模式，而不會干擾總線上其他I2C器件的正常運行。Si1143的I2C從地址是0x5A，可響應全局地址（0x00）和全局復位命令（0x06），但僅支持7位I2C地址，不支持10位I2C地址。

4.4 運行模式

Si1143的運行模式包括關閉模式、初始化模式、備用模式、強制轉換模式和自發模式，在任何時候可以處于眾多運行模式中的一種。且必須考慮運行模式，因為該模式對Si1143的整體功耗有影響。

4.5 命令和響應結構

在讀取或寫入所有Si1143的I2C寄存器（除了寫入COMMAND寄存器之外）時都不喚醒內部定序器。Si1143可以在強制測量模式或自發模式中運行。處于強制測量模式時，除非主控制器通過特定命令明確請求Si1143進行測量，否則Si1143不進行任何測量。此時需要寫入CHLIST參數，以便讓Si1143知道要進行哪些測量。參數MEAS_RATE為零時會將內部定序器置于強制測量模式。處于強制測量模式時，僅當主控制器寫入COMMAND寄存器時，內部定時器才喚醒。處于強制測量模式時（MEAS_RATE=0），耗電量最低。當MEAS_RATE不為零時，Si1143在自發運行模式中運行。MEAS_RATE表示Si1143定期喚醒的時間間隔。內部定時器喚醒后，定序器根據PS_RATE和ALS_RATE寄存器管理內部PS計數器和ALS計數器。當內部PS計數器過期時，根據通過CHLIST參數高位啟用的測量，最多執行三個臨近測量（PS1、PS2和PS3）。順序執行這三個PS測量，從PS1測量通道開始。同樣當ALS計數器過期時，根據通過CHLIST參數高位啟用的測量，最多執行三個測量（ALS_VIS、ALS_IR和AUX）。

4.6 命令協議

與其他主機可寫入的I2C寄存器不同的是，COMMAND寄存器將內部定序器從備用模式喚醒，以處理主機請求。執行命令時，將更新 RESPONSE寄存器。通常在沒有錯誤時，高四位不為零。為了允許命令跟蹤，低四位實施4位循環計數器。一般而言，如果RESPONSE寄存器的高半字節不為零，則表示有錯誤或需要特殊處理。

5 結 語

在各種多元化的手勢識別環境中，當用戶的手被占用、出汗或手持物體而不利于觸摸屏操作時，就要用到非接觸式手勢識別。Si114x系列傳感器的手勢識別系統可以滿足非接觸的需求。Si114x系列傳感器具有高靈敏度、高效節能以及超長感應距離等優點，且封裝體積小，易用性高，能夠用于手機、電子閱讀器、平板電腦、個人媒體播放器、辦公設備、工業控制、安全系統、銷售終端和其他設備，可實現高級的接近感應和非接觸式界面。

參考文獻

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