基于HID類的USB手勢輸入系統設計與實現

滕鵬++姜昌華++王春慧++王麗++劉梁

摘要：基于自然人機交互的手勢交互技術應用越來越廣，本文基于HID類設計了一種USB手勢輸入系統，該系統集成加速度傳感器、數字陀螺儀和磁力計等多種傳感器，采集的數據通過手勢運動識別算法處理后，可以實現對計算機光標的控制。經測試證明，該設計方案是可行的。

關鍵詞：輸入設備；USB設備；手勢識別

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0180-02

1 引言

傳統的用于計算機的USB輸入設備主要有鼠標、鍵盤、操縱桿等。隨著技術的發展，以手勢識別、語音識別等更貼近人類的自然交互手段發展迅速。其中手勢是一種符合人類日常習慣的交互手段。本文結合手勢識別技術，設計了一種USB手勢控制器，可以使用手勢實現類似鼠標的功能對計算機光標進行控制。

2 HID協議簡介

人機接口設備（HID）是USB協議的一個子類規范，主要應用于人與計算機進行交互的設備，如鍵盤、鼠標、操縱桿等，HID設備必須符合USB相關的HID規范要求。正因為USB嚴謹的規范，在Windows XP以上系統中，都集成了USB HID協議，而無需安裝驅動。HID設備主要有以下特點：

（1）設備必須按照HID報告格式進行數據上報。

（2）不同速度的設備對上傳的數據有限制。低速設備每包數據最大為8byte，全速設備每包數據最大為64byte，高速設備則可達到1024byte。

（3）低速USB設備最快10ms一筆事務，而全速USB設備最快1ms一筆事務；在高速設備中，可達125us一筆事務，最高速度達24.576MB/s。

（4）計算機對數據采用查詢處理，相比中斷傳輸，沒有傳輸速度的保證。

計算機識別HID設備的過程如下：插入設備后，計算機會向設備請求各種描述符來識別設備。設備應在定義描述符的時候按照HID規范定義設備的類別。USB規范中，定義了各種描述符約束設備的定義。圖1列出了HID各種描述符之間的關系。在應用中，每個設備也能用多個接口描述符來實現多接口設備，而且在每個接口描述符下還可有多個端點描述符。

由圖1中所示，除了按照USB規范定義的描述符外，HID設備還必須遵守HID描述符。另外，設備與計算機之前的數據傳輸也是通過報告的形式來實現的，所以還必須定義報告描述符；而物理描述符不是必需的。HID描述符是關聯于接口（而不是端點）的，所以設備不需要為每個端點都提供一個HID描述符。USB設備有4種傳輸方式與計算機進行數據傳輸，分別為控制方式、中斷方式、批量方式和同步方式。每種方式都有它的應用場合。對于HID設備，只支持控制和中斷兩種傳輸方式。

標準USB鼠標報告描述符描述4個字節，如表1所示，第一個字節表示按鍵，第二個字節表示鼠標X軸偏移值（正值為右移，負值為左移），第三個字節表示鼠標Y軸偏移值（正值為下移，負值為上移），第四個字節表示滾輪（正值為往上滾動，負值為往下滾動）。手勢輸入設備就是通過采集手勢信息，轉換成對應的光標移動信息，組包成USB數據包發送給計算機。設備將采集的手部運動信息轉換為計算機光標的移動數據，通過HID協議控制計算機光標。

3 控制器硬件實現

設備采用帶有USB控制器的C8051F380作為控制器，使用JY901九軸慣性傳感器作為手勢識別傳感器。其硬件電路如圖2所示。設備含兩個按鍵，一個按鍵A功能為使能及鼠標左鍵，另一個按鍵B為鼠標右鍵。使用時，單擊按鍵A不松開，則設備通過USB的HID協議輸出鼠標移動信息，雙擊按鍵A，輸出鼠標左鍵按下的鼠標移動信息（相當于鼠標拖拽），三擊按鍵A輸出鼠標雙擊信息，按鍵B與鼠標右鍵功能相同。

4 軟件算法

USB鼠標HID協議中輸出的是光標X軸和Y軸偏移值，可以采用慣性傳感器的角速度進行對應。而設備在移動中三維坐標軸也會變化從而產生偏差。為減小偏差，引入傳感器提供的角度數據進行分析，得到設備的姿態，從而對陀螺儀的數據進行坐標轉換。所得角速度數據中與大地平行的方向為屏幕Y軸，與大地垂直的為屏幕X軸，使輸出的數據始終一致。

姿態角計算時所使用的坐標系為“東-北-天”坐標系。歐拉角表示姿態時的坐標系旋轉順序定義為z-y-x（φ-θ-Ψ），[φ θ Ψ]T為慣性傳感器當前坐標系相對于大地坐標系的歐拉角，即先繞z軸轉ψ，再繞y軸轉θ，再繞x軸轉φ。在慣性傳感器坐標系下的角速度為[ωφωθωΨ]T，則根據歐拉角轉換方程，在大地坐標系下的角速度[ωx ωy ωz]T為（圖4）。

手勢鼠標的主要算法流程為：首先檢測按鍵A是否按下，再啟動定時器，檢測按鍵A是否有雙擊或三擊操作，并發送相對應的USB報文；在按鍵A持續按下中，將采集慣性傳感器的角度值和角速度值，并通過旋轉矩陣后獲取鼠標兩個軸的偏移值，最后通過HID協議將USB數據包發送到計算機。如圖5所示。

在windows7系統中將設備加電后自動將設備識別為USB輸入設備，按下按鍵A上下左右晃動設備，計算機光標按預期的方向移動，且雙擊按鍵A和三擊按鍵A也實現了對應的鼠標左鍵拖動和鼠標左鍵雙擊的效果。

5 結語

慣性傳感器具有不受空間限制的特點，用于手勢識別可以靈活的應用于各種場合。本文設計了一種USB手勢輸入設備，該系統應用新型的手勢識別方式，更自然的實現了人與計算機的交互控制，稍加改進可用于激光電子筆、電子教鞭等場合。

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