基于靜電電容式觸摸檢測的3D手勢識別技術

周雄健

瑞薩電子（中國）有限公司 北京 100191

1 引言

3D手勢識別在家電、汽車以及工業設備上應用得越來越廣泛。以家電產品為例，在很多場合下，人們更希望采用非接觸式的控制。例如，在使用吸油煙機時，通常用戶的手是潮濕或粘有油污的，使用3D手勢控制可以避免手直接接觸吸油煙機，在一定距離外進行控制。同樣，在智能馬桶、智能水龍頭、智能冰箱等智能家居應用中，3D手勢識別也具有更加便捷、衛生、高效等優勢。本文基于瑞薩電子的靜電電容式觸摸檢測技術，介紹靜電電容式3D手勢識別的基本原理以及抗干擾技術等。

2 基于靜電電容式觸摸檢測的3D坐標計算

靜電電容式觸摸檢測通過捕捉人體與電極之間靜電電容（1pF以下）的微弱變化，判斷開關的ON/OFF狀態。瑞薩電子開發的靜電電容式觸摸檢測方法，利用開關電容濾波器（SCF）將靜電電容量轉換為電流量，對該信號進行放大和數字化處理后，不僅可以判定開關的ON/OFF狀態，還能判斷人體相對于電極的3D空間坐標。根據人體在3D空間中的坐標變化，可以識別出手勢類型，從而實現非接觸式的3D手勢控制。

2.1 靜電電容式3D坐標計算原理

靜電電容式3D坐標計算是基于互容式的靜電電容式觸摸檢測，發生的機理如圖1所示。互電容方式基本結構包含接收電極、發送電極及脈沖發生器。發送電極輸出脈沖時，和接收電極間產生電磁場耦合（Field Coupling）。此時，如果人體接近，一部分電磁場將耦合到人體，導致電極間的電磁場耦合減少。通過測量接收電極上電磁場耦合的減少，可以判斷人體的接近。

靜電電容式3D坐標計算使用互容式電極面板來計算空間坐標。電極面板由4個發送電極和1個接收電極組成，如圖2左側所示；手的3D坐標定義如圖2右側所示。

上、下、左、右4對電極的電容計數值（簡稱：計數值）在沒有任何物體接近的狀態下，是一個穩定的計數值，稱為參考值。當手接近或離開電極面板時，電極的計數值會產生變化，如圖3所示。利用計數值相對于參考值的差異程度可以計算3D坐標位置。

2.2 X/Y/Z三軸坐標計算方法

如2.1節所述，利用電極計數值和參考值的差異可以計算X/Y/Z三軸坐標。電極計數值和參考值的差值為Δcount。由于4個電極在水平和垂直方向上對稱分布，如果Z軸位置相同，則4個電極的Δcount的平均值Δaverage大致相同。手越接近電極面板，Δaverage越大，如圖4左側所示。Z軸坐標和Δaverage是分段近似線性關系，如圖4右側所示。事先測量好不同的特定Z軸坐標點下的Δaverage參數作為基準，根據Δaverage的值就可以計算出當前的Z軸坐標。

圖1 互容式靜電電容的發生機理

圖2 互容式電極面板結構

圖3 電極計數值變化

圖4 Δaverage和Z軸坐標關系

例如，在（0，0，100）坐標點下，Δaverage=500。在（0，0，150）坐標點下，Δaverage=250。如果當前的Δaverage是325，那么當前Z軸坐標的計算方法如下：

z=100+((500-325)/((500-250)/(150-100)))

=100+(175/5)

=135

當前Z軸坐標確定后，計算當前X坐標。相同Z軸坐標下，沿X軸方向移動手，左電極和右電極的Δcount會產生很大的差異，這個差異被定義為Δhorizontal。手沿X軸移動時，Δcount和Δhorizontal的變化如圖5所示。手的X軸坐標為0時，左電極和右電極的Δcount大致相同，手越接近左電極或右電極，Δcount的差異越大。Δhorizontal在特定的Z軸坐標下，是近似線性的，Z軸坐標越小，Δhorizontal的斜率越大。

在特定Z軸坐標點下的Δhorizontal的斜率為Δx_slope_REF，這是事先測定的參數。首先，計算當前Z軸坐標下的Δhorizontal的斜率Δx_slope。然后，根據當前的Δx_slope和Δhorizontal計算X軸坐標。Z軸坐標和Δx_slope是分段近似線性關系，如圖6所示。

圖5 手沿X軸移動時的Δcount和Δhorizontal

圖6 Δx_slope和Z軸坐標關系

圖7 軟件流程圖

例如，在Z軸坐標為100mm時，Δx_slope=8。在Z軸坐標為150mm時，Δx_slope=3。如果，當前的Z軸坐標為135mm。那么Z軸坐標135mm下的Δx_slope計算如下：

Δx_slope=3+((150-135)*((8-3)/(150-100))=4.5

當前的Δhorizontal是180時，X軸坐標的計算方法如下：

x=180/4.5=40

這樣就可以根據4個電極計數值和參考值的差值Δcount，計算出Z軸坐標為135mm，X軸坐標為40mm。因為4個電極是左、右、上、下的對稱分布，因此Y軸坐標的計算過程和X軸坐標是相同的。

2.3 抗干擾措施

瑞薩電子提供的靜電電容式觸摸檢測解決方案，不僅在電容觸摸傳感單元（簡稱：CTSU）中內置了多種噪聲抑制電路，同時還提供了用于抑制噪聲的軟件濾波器。但即使這樣，因為3D坐標計算具有高敏感度，極易受到干擾影響，因此仍然需要額外的噪聲環境判斷和處理。在軟件中，如果判斷出噪聲超出了設定閾值，那么會馬上停止3D坐標計算，直到判斷出噪聲在正常范圍內后，才會再次恢復3D坐標計算。

3D坐標計算軟件的流程圖如圖7所示，其中包含了多個抗干擾處理措施。

3 瑞薩電子3D手勢識別參考方案

瑞薩電子提供2種3D手勢識別參考方案。一種是以RX231為控制MCU的16×16cm尺寸電極參考方案，Z軸的識別距離為20cm。另一種是以RX130為控制MCU的8×8cm尺寸電極參考方案，Z軸的識別距離為10cm。X/Y/Z軸最小識別精度可以達到1mm。2種3D手勢識別參考方案，如圖8所示。瑞薩電子官方網站上提供了完整的原理圖、元器件表和PCB參考尺寸。

瑞薩電子提供了代碼公開的X/Y/Z坐標計算軟件，上、下、左、右、下壓、順時針旋轉和逆時針旋轉等手勢識別代碼以軟件庫的形式提供。此外，還提供了上位機監控軟件“3D Monitor”，如圖9所示。

圖8 瑞薩電子3D手勢識別Demo

圖9 瑞薩電子3D手勢識別上位機監控軟件

4 結論

利用靜電電容式觸摸檢測技術，可以實現非接觸式的3D手勢識別。相對于紅外、超聲波或視頻手勢識別，基于靜電電容式觸摸檢測的3D手勢識別具有低成本，不受光線影響，不怕遮擋等優勢。電極面板上可以覆蓋玻璃、亞克力、塑料、木材、石頭等多種非導體材料，具有良好的應用前景。