一種簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別裝置

翟朋輝 王靜怡

摘 要：本文從不同角度對(duì)手勢(shì)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分類概述，并針對(duì)現(xiàn)有的手勢(shì)識(shí)別裝置應(yīng)用范圍狹窄的問(wèn)題，擬以設(shè)計(jì)一種以微控制器為核心的簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別裝置。該裝置包括智能控制模塊、電容傳感器模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊。本項(xiàng)目具有智能切換訓(xùn)練模式與識(shí)別模式、智能顯示、智能檢測(cè)和低成本等優(yōu)點(diǎn)，提高了手勢(shì)識(shí)別裝置應(yīng)用到更多領(lǐng)域的可能性，具有良好的應(yīng)用發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：手勢(shì)識(shí)別；電容式傳感；人機(jī)交互

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.135

手勢(shì)作為人與人日常交流中不可或缺的一部分，它簡(jiǎn)單、直觀，在很多時(shí)候起著語(yǔ)言無(wú)法替代的作用。在高新科技迅猛發(fā)展的今天，人們渴望著人與機(jī)器也能像人與人一樣交流自如，手勢(shì)識(shí)別作為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)重要組成，成為了一個(gè)越來(lái)越重要的研究熱點(diǎn)。

1 手勢(shì)識(shí)別概述

手勢(shì)識(shí)別技術(shù)是一種新型的人機(jī)交互技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別人的各種手勢(shì)并反饋給計(jì)算機(jī)使其做出應(yīng)答。本文依據(jù)手勢(shì)表觀特征及采用的硬件設(shè)備和方法，從兩個(gè)角度對(duì)手勢(shì)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分類概述。

1.1 依據(jù)手勢(shì)表觀特征

手勢(shì)有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分，手勢(shì)識(shí)別則可相應(yīng)地劃分為靜態(tài)手勢(shì)識(shí)別和動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別。靜態(tài)手勢(shì)即一個(gè)靜止的肢體動(dòng)作，而動(dòng)態(tài)手勢(shì)通常由一系列連續(xù)的肢體動(dòng)作構(gòu)成。由于動(dòng)態(tài)手勢(shì)的處理要涉及到空間軌跡、采樣頻率等諸多問(wèn)題，因此其采樣難度和復(fù)雜性都比靜態(tài)手勢(shì)識(shí)別高出很多。

目前研究比較火熱的手勢(shì)識(shí)別方法諸如基于深度圖像的手勢(shì)識(shí)別，即把手勢(shì)與背景分離開以便提取手勢(shì)特征，彌補(bǔ)了基于彩色圖像手勢(shì)識(shí)別易受環(huán)境干擾的缺點(diǎn)。考慮到動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別的相對(duì)復(fù)雜性，通常采取提取動(dòng)態(tài)手勢(shì)質(zhì)心位置的做法，但識(shí)別準(zhǔn)確性不高。因此，在此基礎(chǔ)上研究學(xué)者又提出基于深度圖像的手勢(shì)形狀輪廓Hu不變矩特征提取方法[1]并收到了較好的效果。在完成數(shù)據(jù)采樣之后，就可以基于采集到的大量數(shù)據(jù)并針對(duì)選取的特征訓(xùn)練相應(yīng)的模型完成手勢(shì)識(shí)別。

1.2 依據(jù)采用的硬件設(shè)備和方法

根據(jù)手勢(shì)識(shí)別技術(shù)采用的硬件設(shè)備和方法，手勢(shì)識(shí)別可分為基于視覺傳感器的手勢(shì)識(shí)別和基于可穿戴傳感器的手勢(shì)識(shí)別。手勢(shì)識(shí)別技術(shù)在發(fā)展初期主要依靠一種數(shù)據(jù)手套，利用手套上的各種高精度傳感器來(lái)獲取手勢(shì)，但由于制作成本太高，光學(xué)標(biāo)記方法應(yīng)運(yùn)而生并逐步取代了數(shù)據(jù)手套。光學(xué)標(biāo)記方法的出現(xiàn)使得手勢(shì)識(shí)別的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都得到了一定程度的提升，但依舊存在著一個(gè)問(wèn)題：這些手勢(shì)識(shí)別裝置都需要在手上佩戴設(shè)備，人與機(jī)器自由交互依舊不能完全實(shí)現(xiàn)。在圖像處理發(fā)展的推動(dòng)下，又產(chǎn)生了基于視覺的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)并成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。基于視覺的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)主要可以分為三個(gè)步驟，第一，手勢(shì)分割，即從簡(jiǎn)單或復(fù)雜的背景中提取出人手區(qū)域；第二，手勢(shì)分析，即提取出人手的有效特征；第三，手勢(shì)識(shí)別，利用圖像處理的一些方法識(shí)別手勢(shì)代表的含義[2]。

2 簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置硬件模塊主要包括：智能控制模塊、電容傳感器模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊四部分。

2.1 電容傳感器模塊

電容傳感器模塊由FDC2214電容檢測(cè)傳感器及其外圍電路構(gòu)成，通過(guò)手覆蓋面積的改變引起電容值改變，進(jìn)而改變LC諧振頻率，通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器分頻采樣間接計(jì)算電容值的變化，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別功能。

2.2 智能控制模塊

智能控制模塊主要由微控制器MCU及最小系統(tǒng)組成，該模塊負(fù)責(zé)采集從電容傳感器模塊接收到的數(shù)據(jù)并通過(guò)算法對(duì)事先存儲(chǔ)的各種手勢(shì)樣本進(jìn)行匹配。

2.3 鍵盤輸入模塊

鍵盤輸入模塊由矩陣鍵盤及其外圍電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)裝置識(shí)別模式與訓(xùn)練模式的切換功能。

2.4 顯示模塊

顯示模塊主要由LED顯示屏構(gòu)成，該模塊用于識(shí)別結(jié)果的顯示。

3 簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別裝置系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

裝置初始化后，通過(guò)鍵盤輸入模塊進(jìn)行訓(xùn)練模式與識(shí)別模式的選擇。在訓(xùn)練模式下手勢(shì)錄入，在識(shí)別模式下手勢(shì)進(jìn)入。通過(guò)手覆蓋面積的改變引起電容值的改變，進(jìn)而改變LC諧振頻率，經(jīng)智能控制模塊處理后進(jìn)行手勢(shì)判斷并經(jīng)顯示屏顯示。簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別裝置系統(tǒng)工作框圖如圖1所示：

4 簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別裝置特點(diǎn)

本裝置實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別功能，可以進(jìn)行訓(xùn)練模式與識(shí)別模式的切換，提高了運(yùn)用的靈活性，LED顯示屏顯示了手勢(shì)識(shí)別的結(jié)果。值得注意的是，受手勢(shì)識(shí)別技術(shù)研究進(jìn)展及高成本的約束，現(xiàn)今市場(chǎng)上的手勢(shì)識(shí)別裝置多用于無(wú)人機(jī)操控、智能機(jī)器人及虛擬現(xiàn)實(shí)等高端領(lǐng)域[3]，應(yīng)用范圍單一。而本裝置具有成本低廉，使用靈活的特點(diǎn)，可以考慮在庫(kù)房安全管理、養(yǎng)老助老等日常生活領(lǐng)域推廣，具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

在高新技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，人機(jī)交互正日益成為研究熱點(diǎn)，手勢(shì)識(shí)別技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)重要組成也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。本文從不同角度對(duì)手勢(shì)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分類概述，并針對(duì)現(xiàn)有的手勢(shì)識(shí)別裝置應(yīng)用范圍狹窄的問(wèn)題，擬以設(shè)計(jì)一種以微控制器為核心的簡(jiǎn)易手勢(shì)識(shí)別裝置，旨在提高手勢(shì)識(shí)別裝置應(yīng)用到更多領(lǐng)域的可能性，具有較好的應(yīng)用發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭理仁.動(dòng)靜態(tài)手勢(shì)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手協(xié)同控制研究[D].浙江大學(xué)，

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[2]鄭海彬.手勢(shì)識(shí)別及其應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016.

[3]袁博，查晨東.手勢(shì)識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（32）：95-96.