CN105511619B - 一种基于视觉红外感应技术的人机互动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统及方法，所述系统包括红外数据采集模块、通信模块、数据处理模块、控制模块、显示模块和电源模块，所述数据采集模块经通信模块连接到数据处理模块，所述数据处理模块连接到控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接到显示模块和红外数据采集模块。本发明能够实现最远8米的超大纵深空间内的非接触式人机互动，且结构简单，感应精度高，设备稳定性强。

Description

一种基于视觉红外感应技术的人机互动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种人机互动技术，具体涉及一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统及方法。

背景技术

人机互动技术已广泛应用于人们的日常生活和工作中。例如，体感游戏以及电器设备的控制等。尤其是人机互动技术中的体感游戏由于其兼有健身和娱乐的目的而倍受人们喜爱。

目前现有的人机互动技术通常是基于控制设备来实现的，例如，体感游戏通常是通过计算机和体感控制装置来实现或者是通过电视机、机顶盒以及体感控制装置来实现。体感控制装置如游戏手柄等，体感控制装置通常会被用户单手或双手握于手中，并进行控制操作。

发明人在实现本发明过程中发现：控制设备通常是一个物理实体设备，且通常由多个按键、摇杆、光源、重力加速度传感器以及小屏幕等原件组成。然而，目前人机互动技术已经可以不限于物理的实体设备来实现了，而且，现有的人机互动的实现方式有待于进一步的丰富。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统及方法，能够实现超大纵深空间内的非接触式人机互动，且能同时对多人进行实时追踪。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统，包括红外数据采集模块、通信模块、数据处理模块、控制模块、显示模块和电源模块，所述数据采集模块经通信模块连接到数据处理模块，所述数据处理模块连接到控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接到显示模块和红外数据采集模块。

上述技术方案中，所述红外数据采集模块包括红外线辐射模块和3D激光传感器。

上述技术方案中，所述通信模块为串口通信模块。

上述技术方案中，所述控制模块为工控机，所述工控机配有Ventuz显示软件。

上述技术方案中，所述显示模块为窄边拼接屏或投影屏。

一种基于视觉红外感应技术的人机互动方法，包括如下步骤：

步骤一、红外数据采集模块扫描覆盖区域，若覆盖区域内有用户进入，则执行步骤二，否则重复步骤一；

步骤二、红外数据采集模块扫描采集用户的位置和行为信息，并经通信模块发送到数据处理模块；

步骤三、数据处理模块将所得的位置和行为信息转换成坐标数组，并采用邻聚类方法对坐标数组进行滤波处理，将得到的用户操作坐标发送到控制模块；

步骤四、控制模块根据接收到的用户操作坐标控制显示模块实现人机互动。

上述技术方案中，所述步骤三中，还能同时对覆盖区域中的有效坐标点数进行统计，具体步骤包括：

（1）滤去最先进入覆盖区域的距离值，去掉前P个进入的点（P=2）；

（2）取第P+1个点作为加权计算的第一个点进行滤波，并对其余点进行比较，去除里面的最大值和最小值，对余下的N-P-2个数据进行算数加权求平均值Y，具体算法为

其中，X（k）为传感器采集的实时数据值，N为采集到的总数据个数，N大于等于8,且满足。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明的数据采集模块采用视觉、红外感应等多种混合技术，识别人体手势、追踪全身运动，实现最远8米的超大纵深空间内的非接触式人机互动，且结构简单，感应精度高，设备稳定性强。

2、本发明能够对扫描区域范围内有效坐标点数进行统计，从而分析人机互动触控人数，达到良好的广告娱乐和广告营销效果。

附图说明

图1是实施例一中本发明系统结构框图。

图2是实施例一中本发明基于距离感应控制的体感传感器互动控制界面。

图3是实施例一中本发明基于手势控制的体感传感器互动控制界面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1所示，一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统，包括红外数据采集模块、通信模块、数据处理模块、控制模块、显示模块和电源模块，所述数据采集模块经通信模块连接到数据处理模块，所述数据处理模块连接到控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接到显示模块和红外数据采集模块，其中，所述红外数据采集模块包括红外线辐射模块和3D激光传感器，所述通信模块为串口通信模块，所述控制模块为工控机，所述工控机配有Ventuz显示软件，所述显示模块为窄边拼接屏或投影屏。

一种基于视觉红外感应技术的人机互动方法，包括如下步骤：

步骤一、红外数据采集模块扫描覆盖区域，若覆盖区域内有用户进入，则执行步骤二，否则重复步骤一；

步骤二、红外数据采集模块扫描采集用户的位置和行为信息，并经通信模块发送到数据处理模块；

步骤三、数据处理模块将所得的位置和行为信息转换成坐标数组，并采用邻聚类方法对坐标数组进行滤波处理，将得到的用户操作坐标发送到控制模块；

步骤四、控制模块根据接收到的用户操作坐标控制显示模块实现人机互动。

所述步骤三中，还能同时对覆盖区域中的有效坐标点数进行统计，具体步骤包括：

（1）滤去最先进入覆盖区域的距离值，去掉前P个进入的点（P=2）；

（2）取第P+1个点作为加权计算的第一个点进行滤波，并对其余点进行比较，去除里面的最大值和最小值，对余下的N-P-2个数据进行算数加权求平均值Y，具体算法为

其中，X（k）为传感器采集的实时数据值，N为采集到的总数据个数，N大于等于8,且满足。

所述步骤三中，为实现跟踪定位的实时性和精确性，采用分割速度快的邻聚类方法对坐标数组进行滤波处理，从开始点起逐个比较每个数据点与其后一个临近数据点间的间隔距离差值，若两点间隔距离差小于阈值，则属同类集合；若两点间隔距离差大于阈值，则属于不同类集合，此时该点成为上一同类集合的结束点，而该点的后一个临近点成为新集合的开始点，重复上述比较直到这一扫描的结束点。

在使用3D激光传感器的每一次扫描中，偶尔会有本来应该感应到反射光的地方没有感应到反射光的情况发生，于是3D激光传感器在这些地方给出零值点来反映并补齐这一数据，但这些零值噪声并不能真实反映实际感应情况，所以针对这种情况，本发明通过同一帧扫描数据中零值点前后相邻的两个距离值点进行滤波处理，如果零值点前后相邻的两个距离值点都不为零，则前后相邻两距离值点的平均值为该零值点的距离值，其它情况，则该零值点不变，公式表示如下：

然后对已识别连续有效距离值进行分析，通过上述数字滤波方法算出待发送的坐标点，即用于操作的手的坐标。

参见图2和3所示，在数据处理过程中，需要在设计互动界面上调整触摸的参数和开光阈值。这部分显示了帧频、为修改参数内的值、手指和自定义的滤波阈值提供了滑块空间。滤波内核大小同样可以通过文本控件来修改，互动界面上的默认参数值对于一般的互动运用来说已经足够。当然，根据体感传感器的安装位置和互动区域的方位，可能需要做适当调节，以此避免一些干扰。互动执行文件用于识别触摸点，将触摸点翻译成相应的手势，并且给系统传递相应的鼠标/键盘事件，供操作者使用。需要一直保持该执行文件处于运行状态，这样系统才能探测到触摸和手势。但是该执行文件不需要和追踪区域保持一致，之后就可以在桌面上显示，并且通过体感传感器进行人机互动。

Claims (6)

1.一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统，其特征在于：包括红外数据采集模块、通信模块、数据处理模块、控制模块、显示模块和电源模块，所述红外数据采集模块经通信模块连接到数据处理模块，所述数据处理模块连接到控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接到显示模块和红外数据采集模块；所述红外数据采集模块包括红外线辐射模块和3D激光传感器；

该人机互动系统进行互动时包括如下步骤：

步骤一、红外数据采集模块扫描覆盖区域，若覆盖区域内有用户进入，则执行步骤二，否则重复步骤一；

步骤二、红外数据采集模块扫描采集用户的位置和行为信息，并经通信模块发送到数据处理模块；

步骤三、数据处理模块将所得的位置和行为信息转换成坐标数组，并采用邻聚类方法对坐标数组进行滤波处理，将得到的用户操作坐标发送到控制模块；

所述步骤三中，采用邻聚类方法对坐标数组进行滤波处理，从开始点起逐个比较每个数据点与其后一个临近数据点间的间隔距离差值，若两点间隔距离差小于阈值，则属同类集合；若两点间隔距离差大于阈值，则属于不同类集合，此时该点成为上一同类集合的结束点，而该点的后一个临近点成为新集合的开始点，重复上述比较直到这一扫描的结束点；

通过同一帧扫描数据中零值点前后相邻的两个距离值点进行滤波处理，如果零值点前后相邻的两个距离值点都不为零，则前后相邻两距离值点的平均值为该零值点的距离值，其他情况，则该零值点不变；

步骤四、控制模块根据接收到的用户操作坐标控制显示模块实现人机互动。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统，其特征在于：所述通信模块为串口通信模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统，其特征在于：所述控制模块为工控机。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统，其特征在于：所述显示模块为窄边拼接屏。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉红外感应技术的人机互动系统，其特征在于：所述显示模块为投影屏。

6.一种基于视觉红外感应技术的人机互动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、红外数据采集模块扫描覆盖区域，若覆盖区域内有用户进入，则执行步骤二，否则重复步骤一；

步骤二、红外数据采集模块扫描采集用户的位置和行为信息，并经通信模块发送到数据处理模块；

步骤三、数据处理模块将所得的位置和行为信息转换成坐标数组，并采用邻聚类方法对坐标数组进行滤波处理，将得到的用户操作坐标发送到控制模块；

所述步骤三中，为实现跟踪定位的实时性和精确性，采用分割速度快的邻聚类方法对坐标数组进行滤波处理，从开始点起逐个比较每个数据点与其后一个临近数据点间的间隔距离差值，若两点间隔距离差小于阈值，则属同类集合；若两点间隔距离差大于阈值，则属于不同类集合，此时该点成为上一同类集合的结束点，而该点的后一个临近点成为新集合的开始点，重复上述比较直到这一扫描的结束点；

通过同一帧扫描数据中零值点前后相邻的两个距离值点进行滤波处理，如果零值点前后相邻的两个距离值点都不为零，则前后相邻两距离值点的平均值为该零值点的距离值，其它情况，则该零值点不变；

所述步骤三中，同时对覆盖区域中的有效坐标点数进行统计，具体步骤包括：

（1）滤去最先进入覆盖区域的距离值，去掉前P个进入的点，其中P=2；

（2）取第P+1个点作为加权计算的第一个点进行滤波，并对其余点进行比较，去除里面的最大值和最小值，对余下的N-P-2个数据进行算数加权求平均值Y，具体算法为

其中，X（k）为传感器采集的实时数据值，N为采集到的总数据个数，N大于等于8, 且满足；

步骤四、控制模块根据接收到的用户操作坐标控制显示模块实现人机互动。