CN105487686A - 识别手势挥动的互动游戏装置 - Google Patents

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蔡小雨
迟冬祥
陈墨儒
张善干
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Abstract

本发明提供了一种识别手势挥动的互动游戏装置，包括：传感器模块、无线通信模块和处理器控制模块；其中，所述传感器模块、所述无线通信模块和所述处理器控制模块被安装在一个手柄内；其中，所述传感器模块是三轴加速度传感器，用于检测与手柄的运动相对应的手势运动以采集手势运动的加速度数据；所述处理器控制模块用于获取传感器产生的加速度数据，将加速度数据转化为倾角并转化为手势信息；所述无线通信模块是将所述处理器控制模块转化的手势信息传送到外部设备。

Description

识别手势挥动的互动游戏装置
技术领域
本发明涉及人机交互技术领域，更具体地说，本发明涉及一种识别手势挥动的互动游戏装置。
背景技术
现有的游戏互动控制器大部分是有线连接，限制了使用者的活动空间。大多互动装置使用的模块多，需要佩戴且不方便，虽然功能多，但操作相对复杂，不利于快速的互动体验。基于手势挥动的互动游戏装置，不需要佩戴，操作简单，通过人体的挥动动作来控制，多人使用可使互动环节更加多样化，同时使用无线传输数据，增大了活动空间，而微控制器来开发，体积小，成本低。
交互式作为顺应时代发展的一种新型表现手段，人们也开发出新的设备和装置，以便更好、更自然地与智能设备交互。比如Kinect、LeapMotion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。
作为人机交互的重要表现方式，使用三维加速度传感器识别手势挥动方向是一项重要的研究课题。从20世纪90年初至今，伴随着微电子机械系统(MEMS)技术的不断成熟以及应用领域的不断拓展，MEMS产品广泛应用各类计算机类产品，在2007年苹果公司的iPone手机，任天堂的Wii游戏，在这其中，MEMS加速度传感器作用很大，它带来了全新的体验及独特的人机交互，造就了产品本身的巨大成功，更是给日趋同质化的电子整机市场注入了新鲜的血液。2000年，Kinckley等人将距离探测器，压力传感器，倾角传感器集成到CassiopeiaE105掌上电脑内，利用手势实现了改变屏幕的显示方式，滚动，自动开机等功能。2012年Xu等人，提出一种基于加速度信号符号序列的识别算法，该算法可压缩数据量和计算量，文献中记载其对7个手势识别的正确率达到95.6％。在利用Wii手柄的加速传感器功能的日本任天堂开发的WiiSport游戏，其通过挥动手柄就可达到类似于拿高尔夫球杆一样达到游戏的效果。全球最大的半导体厂家之一STMicroelectronics意法半导体公司2006年发表该公司所生产的运三轴加速度传感器将被搭载运动传感器(Motionsensor)的Wii手柄采用。而采用了ST的MEMS(MicroElectro-MechanicalSystems)技术的Wii手柄，将使玩家手臂、手腕以及手的动作真实的反映在游戏中，在通过挥动Wii手柄的倾斜测定机能便可以操纵画面中的角色。但总的来说，以上的这些装置应用到的算法相当复杂，而且价格也很高，体积也很大，无法实现在小范围内使用，也无法实现大面积的推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种功能稳定、精度高、可高效率识别体验者的敲打动作的小体积的识别手势挥动的互动游戏装置。
为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种识别手势挥动的互动游戏装置，包括：传感器模块、无线通信模块和处理器控制模块；其中，所述传感器模块、所述无线通信模块和所述处理器控制模块被安装在一个手柄内；其中，所述传感器模块是三轴加速度传感器，用于检测与手柄的运动相对应的手势运动以采集手势运动的加速度数据；所述处理器控制模块用于获取传感器产生的加速度数据，将加速度数据转化为倾角并转化为手势信息；所述无线通信模块是将所述处理器控制模块转化的手势信息传送到外部设备。
优选地，所述加速度数据是三轴加速度传感器在相互垂直的三个方向上采集到的三个加速度数据。
优选地，所述传感器模块使用飞思卡尔公司的MMA7361芯片作为所述传感器模块中的传感器。
优选地，所述处理器控制模块采用ArduinoNano控制板。
优选地，所述处理器控制模块采用HC-06串口模块将所述处理器控制模块转化的手势信息传送到外部设备。
优选地，所述外部设备是游戏运行端。
本发明的手势挥动的互动游戏装置，不需要佩戴，操作简单，用于手势运动来远程控制外部设备的装置。本发明可以多人使用，同时使用无线传输数据，增大了活动空间，装置体积小，功耗低，成本低。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的框图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的手柄模型图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的总体操作流程图。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的传感器模块的操作流程图。
图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置转化为手势信息的操作判断示例。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
本发明提供一种手势识别装置的方法，用于手势运动来远程控制外部设备，采用三轴加速度传感器来检测手势的挥动方向来进行手势识别。装置包括传感器模块、无线通信模块及处理器控制模块：其中传感器模块为三轴加速度传感器，用来检测手势的运动，通过获取到的三个值的差异来区分手势运动方向；处理器控制模块用来获取传感器产生的加速度数据，将之转化为倾角并转化为手势；无线通信模块是将单片机控制模块转化的手势结果传送到外部设备。
具体地，图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的框图。图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的手柄模型图。
如图1和图2所示，根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置包括：传感器模块10、无线通信模块30和处理器控制模块20。其中，所述传感器模块10、所述无线通信模块30和所述处理器控制模块20被安装在一个手柄内。
其中，所述传感器模块10是三轴加速度传感器，用于检测与手柄的运动相对应的手势运动以采集手势运动的加速度数据；所述处理器控制模块20用于获取传感器产生的加速度数据，将加速度数据转化为倾角并转化为手势信息(通过三个加速度数据的三个值来确定手势运动方向)；所述无线通信模块30是将所述处理器控制模块20转化的手势信息传送到外部设备(例如，所述外部设备是游戏运行端，供其应用到游戏设计中)。
具体地，所述加速度数据是三轴加速度传感器在相互垂直的三个方向(三个轴)上采集到的三个加速度数据。
根据将远程手势动作转变为电信号来实现控制的设计思路，其中所述传感器模块10可以有利地使用飞思卡尔公司的MMA7361芯片来作为传感器，来检测倾角、运动、姿态的变化。此后需要无线通信将采集到的数据进行远程传输，通过所述处理器控制模块20将数据进行分析处理。
将三个部分进行整合，通过MMA7361三轴加速度传感器感应并产生数据经过ArduinoNano控制板进行数据处理之后，经HC-06蓝牙装置将处理后的数据远程传输到终端，终端再作出相应的响应。
优选地，所述处理器控制模块20采用ArduinoNano控制板。由于Arduino开发板具有体积小、功能多、流行且价格低廉的等诸多优点，因此在设计中可以有利地选择使用此类控制板中的Nano板控制整个系统的运行。
优选地，所述处理器控制模块20采用HC-06串口模块将所述处理器控制模块20转化的手势信息传送到外部设备。HC-06串口模块是一款价格低廉，性能比较好的蓝牙串口从模块，可有利地作为装置与诸如计算机端之类的外部设备的通信桥梁。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的总体操作流程图。如图3所示，在操作中，首先需要将整个装置进行初始化；初始化之后根据手势来获取加速度并且将其转换成倾角，随后转换成手势，通过蓝牙将字符传输到接收端口，判断之后做出应答，从而实现手势挥动互动。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的传感器模块的操作流程图。参见图4，通过设置采样数据个数，将分别读取到的各个倾角数据进行换算之后取均值，得到最后的加速度。考虑到精确性和响应速度问题，优选地取10-20个数据的均值。
在具体实施例中，例如，所述传感器模块10(例如，MMA7361芯片)在摆动过程，其每个轴向都有不同的数值输出和正负关系，根据这一关系，使得所述传感器模块10分别处于右放置、向左放置、向下放置、以及初始化水平放置这四种状态，并获取四种状态下产生的夹角数据。在四种状态下，即三个轴向的数据都是有区别的。根据这些区别，可以实现使用判断语句经行相应的区分各个方位经行输出，根据得到的三个轴向分析得到的三个轴向数据x、y、z进行分析判断，图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的识别手势挥动的互动游戏装置的转化为手势信息的操作判断示例；如图5所示，基于三个轴向数据x、y、z，可以根据这三个数据的关系来设定控制器输出的数据；此装置通过蓝牙装置分别将四个方位的字符传输到终端，终端再对接收到的字符做出判断，并最终做出响应，达到手势控制的目的。
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。
举例来说，本发明使用三轴加速度传感器技术来获取游戏者的挥动动作方向，以MCU处理传感器采集的数据，通过蓝牙通信来替代传统的数据线通信，从而达到无线传输功能。通过这个功能，打破原有的游戏操作模式，不需要直接敲打实体平台，体验者通过挥动手臂即可参与游戏，增加了游戏的乐趣，可以说此系统改变了原有的游戏方式和游戏机造型。此设计适合投放于游乐场中，第一，可减少占地面积；第二，创新的技术带来更多的体验；第三，比原来的游戏机设计成本低。
在本发明中，传感器模块采用三轴加速度传感器，开机响应时间短、最适合电池供电手持设备的休眠模式、组件数量少-节约成本和空间、噪音低、灵敏度高、自适应功能、频率及解析度高，提供精确的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆感应灵敏度不同应用的建议重力加速度级别。
在具体实现时，例如，本发明可以基于传感器、蓝牙无线通信、arduino微控制器等硬件技术，此外可以采用C#，PC端游戏软件技术来改变传统的打地鼠游戏机的玩法。在保留了使用“锤子”敲打的手感，又在“锤子”上融入了新的智能技术，不需要直接敲打平台，体验者可随时走动，同样使用显示器来展示活灵活现的老鼠姿态，增加了游戏的乐趣，可以说此系统改变了原有的游戏方式和游戏机造型。
本发明手势识别装置与方法的积极效果是：与原有的打地鼠游戏机相比，本产品在硬件方面，安装方便，功能强大，集多种传感器于一体。在操作方面，系统功能稳定，精度高，可高效率识别体验者的敲打动作，重新开发的游戏画面美观。在技术方面，要求设计的技术广，多种技术融为一体。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种识别手势挥动的互动游戏装置，其特征在于包括：传感器模块、无线通信模块和处理器控制模块；其中，所述传感器模块、所述无线通信模块和所述处理器控制模块被安装在一个手柄内；其中，所述传感器模块是三轴加速度传感器，用于检测与手柄的运动相对应的手势运动以采集手势运动的加速度数据；所述处理器控制模块用于获取传感器产生的加速度数据，将加速度数据转化为倾角并转化为手势信息；所述无线通信模块是将所述处理器控制模块转化的手势信息传送到外部设备。
2.根据权利要求1所述的识别手势挥动的互动游戏装置，其特征在于，所述加速度数据是三轴加速度传感器在相互垂直的三个方向上采集到的三个加速度数据。
3.根据权利要求1或2所述的识别手势挥动的互动游戏装置，其特征在于，所述传感器模块使用飞思卡尔公司的MMA7361芯片来作为所述传感器模块中的传感器。
4.根据权利要求1或2所述的识别手势挥动的互动游戏装置，其特征在于，所述处理器控制模块采用ArduinoNano控制板。
5.根据权利要求1或2所述的识别手势挥动的互动游戏装置，其特征在于，所述处理器控制模块采用HC-06串口模块将所述处理器控制模块转化的手势信息传送到外部设备。
6.根据权利要求1或2所述的识别手势挥动的互动游戏装置，其特征在于，所述外部设备是游戏运行端。
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