CN103543834A - 一种手势识别装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种手势识别装置及方法，用于手势运动方向的非接触式检测。装置包括传感器模块、模数转换模块及单片机主控模块；传感器模块包括两路测距传感器，检测预设范围内的手存在信号并传给模数转换模块；模数转换模块分别与传感器模块及单片机主控模块相连，采用至少两路模数转换通道分别获取手存在信号，经模数转换后传至单片机主控模块；单片机主控模块分辨两路测距传感器检测到手存在信号的顺序获取手势运动的方向参数，估算手停留的时间获得手势运动的速度参数，估算两次手势运动之间的间隔时间获得手势运动的频率参数，并将手势识别结果传输给外部设备。本发明内部装置简单、稳定性高、执行效率高、实现了低功耗休眠工作切换、成本低。

Description

一种手势识别装置与方法

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，尤其涉及一种手势识别装置与方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，人们在处理与电脑、微处理器相关的信息时，采用的外部输入设备逐渐多样化：键盘、鼠标、手写板、触摸屏等。然而，由于上述输入设备与人的直觉存在一定的差异，它们并非自然、直观的与智能设备交互方式。有鉴于此，人们想开发出新的设备或装置，以便更直观、更自然地与智能设备交互。比如kinect（是微软正式公布的XBOX360体感周边外设）、leap motion（体感控制器，一种新型的交互设备）等以人体姿态和手势作为输入装置来控制智能设备的运行。然而，这些设备通常价格高昂，不适合普通用户使用。

现有的手势识别技术主要有基于图像处理的、基于加速度传感器的以及基于触摸屏的。比如，中国专利201210397255公开了一种“基于异构数据融合的传感器协同手势识别方法及系统”，它是通过摄像头和传感器采集的异构数据处理实现识别多种手部运动的。中国专利200910154018公开了“一种基于加速度传感器的手势识别的方法”，它是基于加速度传感器的手势识别来处理三维加速度数据序列数据的。中国专利201210038356公开了一种“基于触摸屏的图片显示系统和方法”，它是基于触摸屏的手势识别，通过手的多点运动轨迹判断响应的手势操作，进而反馈到图形系统中的。但是，总的来说，现有的图像手势识别算法较为复杂且对于手部的快速运动难以捕捉；而基于加速度传感器的手势识别又必须附着或穿戴于手部，无法实现非接触式操作；基于触摸屏的图片显示系统也有接触形式上的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种手势识别装置与方法，用于手势运动的非接触式检测，采用两路测距传感器检测物体的运动方向、速度、频率测试，进行手势运动识别。

为实现上述目的，本发明提供了一种手势识别装置，包括传感器模块、模数转换模块以及单片机主控模块；所述传感器模块包括两路测距传感器，用于检测预设范围内的手存在信号，并传送给所述模数转换模块；所述模数转换模块分别与所述传感器模块以及所述单片机主控模块相连，所述模数转换模块采用至少两路模数转换通道分别获取所述手存在信号，经过模数转换后传送至所述单片机主控模块；所述单片机主控模块通过分辨两路测距传感器检测到手存在信号的顺序获取手势运动的方向参数，通过估算手停留的时间获得手势运动的速度参数，通过估算两次手势运动之间的间隔时间获得手势运动的频率参数，并将手势识别结果传输给外部设备。

进一步，所述传感器模块采用超声测距传感器或红外测距传感器。

进一步，两路测距传感器的间距介于4到7厘米之间。

进一步，所述单片机主控模块采用包含通信功能的C51单片机或微处理器芯片。

进一步，所述装置与外部设备通信，接收外部设备的工作指令后进入工作状态，并在接收外部设备的停止指令后进入休眠模式。

为实现上述目的，本发明还提供了一种手势识别方法，采用本发明所述的手势识别装置，包括如下步骤：（1）检测预设范围内的手存在信号；（2）根据所述手存在信号进行手势参数测算获取手势识别结果，包括通过分辨两路测距传感器检测到手存在信号的顺序获取手势运动的方向参数，通过估算手停留的时间获得手势运动的速度参数，通过估算两次手势运动之间的间隔时间获得手势运动的频率参数；（3）发送手势识别结果至外部设备。

步骤（1）之前进一步包括：接收外部设备的工作指令进入工作状态。

步骤（3）之前进一步包括：接收外部设备的停止指令后进入休眠模式。

本发明手势识别装置与方法的积极效果是：内部装置简单、稳定性高、执行效率高、实现了低功耗休眠工作切换、成本低。主要用于手势运动的非接触式检测：将装置连接电脑可实现替代鼠标滚轮实现翻页操作或替代组合键实现切换窗口操作；也可以作为互动装置的输入设备，实现与多媒体装置的互动；也可以置于一些危险或不宜接触的场所，实现无接触的控制。本发明不局限于仅为手的物体，还可以通过拉宽两路测距传感器之间的距离并满足间距要求（要求中的掌宽等效为此处物体的宽度），以实现宽大物体的运动方向、速度、频率测试，如车速测试。两路测距传感器也可以调整方向为纵向，以检测手势纵向运动，实现在不影响左右判别的预设范围内的上下运动判别。

附图说明

图1是本发明手势识别装置的结构示意图；

图2是本发明两路测距传感器设置示意图；

图3A是本发明手向右运动示意图；

图3 B是本发明手向左运动示意图；

图4是本发明手势识别方法的流程图；

图5是本发明两路测距传感器检测及输出手存在信号的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明一种手势识别装置与方法做详细说明。

参见图1，一种手势识别装置，包括传感器模块11、模数转换模块12以及单片机主控模块13。所述装置融合了电子、传感器、计算机软件技术于一体，主要用于手势运动方向的非接触式检测，能够实时监测到手势运动的各种参数，主要包括方向、速度和频率。

所述传感器模块11包括两路测距传感器，用于检测预设范围内的手存在信号，并传送给所述模数转换模块12。作为优选的实施方式，所述传感器模块11采用超声测距传感器、红外测距传感器，或者其他测距传感器，以测量手到传感器的实际距离，手停留的时间等手势运动参数。测距传感器上方的预设范围内一旦检测到有手存在，即判定为手经过测距传感器上方，测距传感器即开始感测手到传感器的距离获取手存在信号。

其中，所述手存在信号是指传感器检测到与手的距离信息，这个信息表明了有手经过该传感器的检测区域。所述预设范围根据传感器能够有效检测的范围设定，为手到测距传感器之间人为通过实验预先设定的相对合理距离，这个范围确定了本装置的检测范围。距离值处于该范围内时被判定为检测到手，距离值超出该范围时被判定为未检测到手。选取合理的范围有以下一些判定标准，但不局限于此：预设范围应在传感器测距范围内，需参照传感器的具体检测特性而设定，并且设置适当的检测范围，当有物体被传感器检测到但距离超出该范围时，算法判定为无物体经过；只有在预设范围内有手经过时才算作有效的检测。

参考图2，所述传感器模块11采用了两路测距传感器组合在一起进行检测信号，可以采用红外测距或者超声测距等方式。两路测距传感器水平排开，分别通过电源线、地线和信号线连接到模数转换模块12。具体地，两路测距传感器间距选取需满足两点要求：不能大于一个掌宽，而正常人群中掌宽都大于8厘米；不能重叠；因此，可以设定两路测距传感器的间距介于4到7厘米之间，本实施方式设定两路测距传感器间距L为5cm左右。

所述模数转换模块12分别与所述传感器模块11以及所述单片机主控模块13相连，所述模数转换模块12采用至少两路模数转换通道分别获取所述手存在信号，经过模数转换后传送至所述单片机主控模块13。具体地，所述模数转换模块12通过模数转换通道接收测距传感器数据，获取的手存在信号为电压模拟信号（模拟信号表现为电压的变化），通过模数转换芯片完成模拟信号到数字信号的转换过程（转换精度为8bit的模数转换芯片将产生0到255范围内的数字信号），并把数字信号输出到单片机主控模块13。模数转换功能也可以包含在单片机主控模块13中，由单片机主控模块13实现。

所述单片机主控模块13通过分辨两路测距传感器检测到手存在信号的顺序确定手势的运动方向参数，通过估算手停留的时间获得手势运动的速度参数，通过估算两次手势运动之间的间隔时间获得手势运动的频率参数，并将手势识别结果传输给外部设备19。所述单片机主控模块13可以采用包含通信（比如串口通信、蓝牙通信）功能的C51单片机或微处理器芯片，发送数据到外部设备19可通过串口、SPI、IIC、蓝牙通信等实现。

具体地，单片机主控模块13通过数字信号输入口接收转换后的数字信号，并对数字信号进行处理。具体地，手势参数测算可以用C语言或汇编语言实现，通过测距得到实际距离，并计算和判断检测到手存在的先后顺序来判定手势动作，编译通过后烧录到单片机。测距过程为：将传感器检测到的手位置的数字信号i（例如，i是红外线测距传感器输出0.4V-2.4V模拟电压信号经模数转换之后的数字量，i值与距离值成反比，且为非线性）进行公式转换，d=(676200/(i*613-900))+4，d即为距离值。一旦有手经过，传感器监测到距离小于阈值时，单片机主控模块13开始通过分辨两路传感器检测到手信号的顺序来检测手势运动的方向；参见图3A-3B，两种不同方向手势运动检测示意图，其中图3A为手向右运动示意图，图3 B为手向左运动示意图。通过估算手停留的时间获得速度参数；通过估算两次手势运动之间的间隔时间获得频率参数。经识别和计算手势参数，获取手势识别结果并传输给外部设备19。

外部设备19可选用PC机或其他单片机，用于接收所述单片机主控模块13发送的手势识别结果，并通过发送中断控制信号实现所述的手势识别装置中断唤醒功能。具体为，所述手势识别装置通过串口与外部设备19通信，接收外部设备19的工作指令后进入工作状态，并在接收外部设备19的停止指令后进入休眠模式。通过工作与待机状态切换模式，使得待机状态下所述手势识别装置将进入空闲状态的休眠模式，实现低功耗。

本发明所述手势识别装置主要用于手势运动的非接触式检测：将装置连接电脑可实现替代鼠标滚轮实现翻页操作或替代组合键实现切换窗口操作；也可以作为互动装置的输入设备，实现与多媒体装置的互动；也可以置于一些危险或不宜接触的场所，实现无接触的控制。本发明不局限于仅为手的物体，还可以通过拉宽两路测距传感器之间的距离并满足间距要求（要求中的掌宽等效为此处物体的宽度），以实现宽大物体的运动方向、速度、频率测试，如车速测试。两路测距传感器也可以调整方向为纵向，以检测手势纵向运动，实现在不影响左右判别的预设范围内的上下运动判别。

参见图4，采用本发明所述的手势识别装置的手势识别方法流程图，包括如下步骤。

S41：接收外部设备的工作指令进入工作状态。所述手势识别装置需要进行串口通讯初始化设置，通常串口的传输速率可选用9600bps。外部设备通过发送中断控制信号实现所述手势识别装置中断唤醒功能，所述手势识别装置通过串口与外部设备通信，接收外部设备的工作指令后进入工作状态。

S42：检测预设范围内的手存在信号。测距传感器上方小于预设范围的距离内一旦有手经过，即判定为手经过测距传感器上空，相应测距传感器即开始获取手存在信号，包括测量手到传感器的实际距离、手停留的时间等手势运动参数。所述预设范围为手到测距传感器之间人为通过实验预先设定的相对合理距离。

两路测距传感器（为方便描述，分为左、右传感器进行区分描述）检测及输出手存在信号的流程参考图5所示，具体为：选择进入工作状态后（S51），判断是否有传感器测距小于预设阈值（S52）；若右传感器小于阈值，则继续判断左传感器测距是否小于预设阈值（S53），若是，进一步在判定左传感器测距大于预设阈值（S54）后，输出右（在实际中输出ascii码‘r’）（S55）；若左传感器小于阈值，则继续判断右传感器测距是否小于预设阈值（S56），若是，进一步在判定右传感器测距大于预设阈值（S57）后，输出左（在实际中输出ascii码‘l’）（S58）；各个判断步骤中，若判定为否，则返回步骤S51。右、左输出形式用户也可使用自己定义的其他标准，但标准应具备唯一明确性。传感器的测距信号用于判断手势运动方向，与此处判断后的输出结果无关。

继续参考图4，步骤S44：根据所述手存在信号进行手势参数测算获取手势识别结果。手势参数测算：包括通过分辨两路测距传感器检测到手存在信号的顺序获取手势运动的方向参数，通过估算手停留的时间获得手势运动的速度参数，通过估算两次手势运动之间的间隔时间获得手势运动的频率参数。具体测算方式可参见装置项的描述，此处不再赘述。

S46：发送手势识别结果至外部设备。

所述的手势识别方法还可以进一步包括S47：接收外部设备的停止指令后进入休眠模式。通过工作与待机状态切换模式，使得待机状态下所述手势识别装置将进入空闲状态的休眠模式，实现低功耗。

以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种手势识别装置，其特征在于，包括传感器模块、模数转换模块以及单片机主控模块； 

所述传感器模块包括两路测距传感器，用于检测预设范围内的手存在信号，并传送给所述模数转换模块； 

所述模数转换模块分别与所述传感器模块以及所述单片机主控模块相连，所述模数转换模块采用至少两路模数转换通道分别获取所述手存在信号，经过模数转换后传送至所述单片机主控模块；

 所述单片机主控模块通过分辨两路测距传感器检测到手存在信号的顺序获取手势运动的方向参数，通过估算手停留的时间获得手势运动的速度参数，通过估算两次手势运动之间的间隔时间获得手势运动的频率参数，并将手势识别结果传输给外部设备。

2.如权利要求1所述的手势识别装置，其特征在于，所述传感器模块采用超声测距传感器或红外测距传感器。

3.如权利要求1所述的手势识别装置，其特征在于，两路测距传感器的间距介于4到7厘米之间。

4.如权利要求1所述的手势识别装置，其特征在于，所述单片机主控模块采用包含通信功能的C51单片机或微处理器芯片。

5.如权利要求1所述的手势识别装置，其特征在于，所述装置与外部设备通信，接收外部设备的工作指令后进入工作状态，并在接收外部设备的停止指令后进入休眠模式。

6.一种手势识别方法，采用权利要求1所述的手势识别装置，其特征在于，包括如下步骤： 

（1）检测预设范围内的手存在信号； 

（2）根据所述手存在信号进行手势参数测算获取手势识别结果，包括通过分辨两路测距传感器检测到手存在信号的顺序获取手势运动的方向参数，通过估算手停留的时间获得手势运动的速度参数，通过估算两次手势运动之间的间隔时间获得手势运动的频率参数； 

（3）发送手势识别结果至外部设备。

7.如权利要求6所述的手势识别方法，其特征在于，步骤（1）之前进一步包括：接收外部设备的工作指令进入工作状态。

8.如权利要求6所述的手势识别方法，其特征在于，步骤（3）之前进一步包括：接收外部设备的停止指令后进入休眠模式。

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