CN107765890A - 一种基于加速度传感器的写字内容检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于加速度传感器的写字内容检测系统，该系统包括笔本体；笔本体从上至下设有至少一个加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号；微处理器包括训练模块和检测模块；训练模块根据用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时采集的加速度数据毛刺的不同，建立检测模型；在实时监测过程中采集加速度传感器模块的数字电压信号，输入检测模型中，判别用户在纸面上书写和不在纸面上书写的动作，以用户在纸面上书写和不在纸面上书写的动作对应的加速度数据计算出动作轨迹，并将轨迹进行连线，得到书写时的笔的运动轨迹，最终得到书写内容。本发明能够完成在不方便采集图像时的书写内容检测。

Description

一种基于加速度传感器的写字内容检测系统和方法
技术领域
本发明涉及了一种可穿戴设备，尤其涉及了一种实现人体动作监测，特别是写字内容检测的智能检测系统和方法。
背景技术
现代的写字内容检测，基本是通过图像处理的方法检测内容的，这对获取的图像的清晰度，有效性等都有一定要求，且不适用于一些无法采集图像的场景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于加速度传感器的写字内容检测系统和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于加速度传感器的写字内容检测系统，该系统包括笔本体；所述笔本体设有微处理器；笔本体从上至下设有至少一个加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号；所述微处理器包括训练模块和检测模块；所述训练模块根据用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时采集的加速度数据毛刺的不同，分析用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时的动作的特征，建立检测模型；在实时监测过程中采集加速度传感器模块的数字电压信号，输入检测模型中，判别用户在纸面上书写和不在纸面上书写的动作，以用户在纸面上书写和不在纸面上书写的动作对应的加速度数据计算出动作轨迹，并将轨迹进行连线，得到书写时的笔的运动轨迹，最终得到书写内容。
进一步地，所述笔本体从上至下设有三个加速度传感器模块，第一个加速度传感器模块在笔本体的上端，第二个加速度传感器模块位于笔本体中间，第三个加速度传感器模块位于笔本体的下端。
一种基于加速度传感器的写字内容检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)用户拿起笔本体，在纸张上进行书写；
(2)微处理器采集所有加速度传感器模块的数字电压信号，输入训练模块；训练模块根据用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时采集的加速度数据毛刺的不同，分析用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时的动作的特征，建立检测模型；加速度数据毛刺的检测识别可以通过以下3种方法实现：
(2.1)频域分析法：由于纸面的阻力，在纸面上书写时加速度数据中存在高频毛刺信号，而不在纸面运动时不存在高频毛刺信号；对加速度数据进行频域分析，根据是否存在特定高频毛刺，判断是否为在纸面上书写；
(2.2)差分法：采集加速度数据，以当前的加速度数据减去特定采样周期前的加速度；将每次得到的差值与之前得到的差值进行比较；当差值变化稳定时，说明阻力较小，没有在纸面上书写；当差值变化不稳定时，说明阻力较大，用户在纸面上书写；
(2.3)拟合对比法：对通过加速度数据积分得到的位移的轨迹进行拟合，与直接通过加速度数据积分连线而成的轨迹进行对比；当在纸面上书写时，轨迹与拟合的曲线做差相对不在纸面上书写时存在较多偏差；
(3)完成训练后，将采集的笔上的所有加速度传感器的数字电压信号输入检测模型，分类出在纸上写字的信号和不在纸上写字的信号；
(4)设加速度传感器的采样周期为T，微处理器将笔在纸上写字的加速度信号通过对离散的加速度的积分，得到单段用户移动笔的轨迹；
(5)将用户所有的单段的移动笔的轨迹根据时间顺序进行连线，并将笔在纸面上书写的部分的轨迹显示出来，将笔不在纸面上移动的部分的轨迹隐藏，即可以得到用户的书写内容。
进一步地，在步骤4得到书写轨迹之后，将轨迹的图像信息对外输出，完成书写的监控。
本发明的有益效果是：本发明通过加速度传感器感知笔的运动，并根据笔书写时候的加速度确定笔的运动轨迹。然后根据笔在纸面上书写时，存在毛刺的特征，识别出笔接触纸面的部分。该部分在整个笔的运动轨迹中，即为书写的部分。本发明能够完成在不方便采集图像时的书写内容检测。
附图说明
图1是本发明写字内容检测系统的整体示意图。
图2是本发明写字内容检测系统的电路连接图。
图3是书写轨迹加速度毛刺差分法检测原理图,其中A到B为任意一段书写轨迹。
图4是本发明写字内容检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于加速度传感器的写字内容检测系统，该系统基于笔本体；所述笔本体的设有微处理器；笔本体从上到下设有至少两个加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号。
进一步地，所述笔本体从上至下设有三个加速度传感器模块，第一个加速度模块在笔的上端，第二个加速度传感器模块位于笔中间，第三个加速度传感器模块位于笔的下端。
进一步地，书写过程毛刺的检测识别可以通过以下3种方法：
(1)频域分析法：根据由于纸面的阻力，在纸面上书写时加速度数据中存在不在纸面运动时不存在的高频毛刺信号。对加速度数据进行频域分析，根据是否存在特定高频毛刺，判断是否为在在纸面上书写。
对加速度信号用算术平均滤波法进行滤波。将滤波器前的波形和滤波后的波形相减，得到高频信号。高频信号毛刺较多的为在在纸面上书写的动作对应的加速度。
(2)差分法：采集加速度数据，以当前的加速度数据减去特定采样周期前的加速度。将每次得到的差值与之前得到的差值进行比较。当差值变化稳定时，说明阻力较小，没有在纸面上书写；当差值变化不稳定时，说明阻力较大，用户在纸面上书写。
设对于构成一段轨迹AB的加速度数据点，加速度传感器的采样周期为T，则当前时刻t＝kT，时刻t的加速度为a(kT)。对采集的加速度数据作时间的差分有Δa(kT)＝a(kT)-a(KT-2T)。当Δa(kT)随时间变化率高于分类的阈值时，为在纸面上书写；当Δa(kT)随时间变化率低于分类的阈值时，为不在纸面上书写；
(3)拟合对比法：对通过加速度数据积分得到的位移的轨迹进行拟合，与直接通过加速度数据积分连线而成的轨迹进行对比。当在纸面上书写时，轨迹与拟合的曲线做差相对不在纸面上书写时存在较多偏差。
一种基于加速度传感器的可穿戴坐姿监测方法，该方法包括以下步骤：
(1)用户拿起笔本体，在纸张上进行书写。
(2)微处理器采集所有加速度传感器模块的数字电压信号，输入训练模块；训练模块根据用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时采集的加速度数据毛刺的不同，分析用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时的动作的特征，建立检测模型；加速度数据毛刺的检测识别可以通过以下三种方法实现：
(2.1)频域分析法：由于纸面的阻力，在纸面上书写时加速度数据中存在高频毛刺信号，而不在纸面运动时不存在高频毛刺信号；对加速度数据进行频域分析，根据是否存在特定高频毛刺，判断是否为在纸面上书写。
(2.2)差分法：采集加速度数据，以当前的加速度数据减去特定采样周期前的加速度；将每次得到的差值与之前得到的差值进行比较；当差值变化稳定时，说明阻力较小，没有在纸面上书写；当差值变化不稳定时，说明阻力较大，用户在纸面上书写。
(2.3)拟合对比法：对通过加速度数据积分得到的位移的轨迹进行拟合，与直接通过加速度数据积分连线而成的轨迹进行对比；当在纸面上书写时，轨迹与拟合的曲线做差相对不在纸面上书写时存在较多偏差。
(3)通过以上3种方法任意一种完成训练后，将采集的笔上的所有加速度传感器的数字电压信号输入检测模型，分类出在纸上写字的信号和不在纸上写字的信号。
(4)计算加速度传感器的单个轴向加速度a，设加速度传感器的采样周期为T。将笔在纸上写字的加速度信号通过(周期离散的加速度数据计算位移的公式)，计算出笔在空间上的单个轴上位移。其中，xk为第k个采样周期内的位移，vkt为第k个采样时刻的速度，akT为第k个采样时刻的加速度，n为累加的个数，k为累加到第k个采样时刻。三个轴的加速度数据分别积分得到单段用户移动笔的轨迹空间。
(5)将用户所有的单段的移动笔的轨迹根据时间顺序进行连线，并将笔在纸面上书写的部分的轨迹显示出来，将笔不在纸面上移动的部分的轨迹不显示出来，即可以得到用户的书写内容。
(6)取在纸面上书写的轨迹上轨迹任意3点，代入ax+by+cz＝d，求得笔迹在空间运动的平面。其中a、b、c、d为待定的空间平面表达式的系数；x、y、z为点的坐标值。
(7)将已经求得的ax+by+cz＝d上的笔迹进行坐标变换，变成ex+fy＝g的xy平面上的轨迹。其中e、f、g为待定的变化为xy平面的系数；x、y为点的坐标值。
(8)将坐标变化后得到的xy平面上的轨迹输出，即得到写字平面上的书写的轨迹。
实施例1
如图1所示，本发明的笔本体包括3个固定分布在笔上的加速度传感器模块。
将三个传感器通过SPI方式通过导线连接到微处理器系统，同时5V引脚连接到电源正极开关靠近微处理器一端，GND引脚连接到电源负极。
如图4所示，本发明可以采用下面的编程流程：用户拿起笔本体，在纸张上进行书写。微处理器采集三个加速度传感器模块的数字电压信号，用3种方法的任意一种方法，对加速度毛刺进行检测，根据数据是否存在纸张引起的毛刺进行聚类分析。建立判断是存在纸的阻力引起的毛刺的检测模型。训练完成后式，将采集的笔上的三个加速度传感器的数字电压信号输入检测模型，分类出在纸上写字的信号和不在纸上的信号。计算加速度传感器的加速度a，且加速度传感器的采样周期为T。将纸在笔上写字的加速度信号通过积分计算出笔在空间上的位移。并将位移的线段按照时间顺序连线，将在纸面上书写的部分显示出来。
本发明的具体实施工作过程如下：用户拿起笔来写字，微处理器采集来自加速度传感器的数字信号电压。当微处理器根据采集的加速度是否存在毛刺的特征建立检测模型后，进入监测模式。微处理器根据加速度数据，计算出运动轨迹的，并将位移的线段按照时间顺序连线，将在纸面上书写的部分显示出来，即为写字内容。
本方案在不方便通过图像法获得数据的时候，通过是否存在加速度毛刺识别是否在纸上写字。由此，本发明实现了基于加速度传感器实现对写字内容的检测。

Claims (4)

1.一种基于加速度传感器的写字内容检测系统，其特征在于，该系统包括笔本体；所述笔本体设有微处理器；笔本体从上至下设有至少一个加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号；所述微处理器包括训练模块和检测模块；所述训练模块根据用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时采集的加速度数据毛刺的不同，分析用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时的动作的特征，建立检测模型；在实时监测过程中采集加速度传感器模块的数字电压信号，输入检测模型中，判别用户在纸面上书写和不在纸面上书写的动作，以用户在纸面上书写和不在纸面上书写的动作对应的加速度数据计算出动作轨迹，并将轨迹进行连线，得到书写时的笔的运动轨迹，最终得到书写内容。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的写字内容检测系统，其特征在于，所述笔本体从上至下设有三个加速度传感器模块，第一个加速度传感器模块在笔本体的上端，第二个加速度传感器模块位于笔本体中间，第三个加速度传感器模块位于笔本体的下端。
3.一种利用权利要求1-2任一项所述系统进行写字内容检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)用户拿起笔本体，在纸张上进行书写；
(2)微处理器采集所有加速度传感器模块的数字电压信号，输入训练模块；训练模块根据用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时采集的加速度数据毛刺的不同，分析用户在纸面上书写时和不在纸面上书写时的动作的特征，建立检测模型；加速度数据毛刺的检测识别可以通过以下三种方法实现：
(2.1)频域分析法：由于纸面的阻力，在纸面上书写时加速度数据中存在高频毛刺信号，而不在纸面运动时不存在高频毛刺信号；对加速度数据进行频域分析，根据是否存在特定高频毛刺，判断是否为在纸面上书写；
(2.2)差分法：采集加速度数据，以当前的加速度数据减去特定采样周期前的加速度；将每次得到的差值与之前得到的差值进行比较；当差值变化稳定时，说明阻力较小，没有在纸面上书写；当差值变化不稳定时，说明阻力较大，用户在纸面上书写；
(2.3)拟合对比法：对通过加速度数据积分得到的位移的轨迹进行拟合，与直接通过加速度数据积分连线而成的轨迹进行对比；当在纸面上书写时，轨迹与拟合的曲线做差相对不在纸面上书写时存在较多偏差；
(3)完成训练后，将采集的笔上的所有加速度传感器的数字电压信号输入检测模型，分类出在纸上写字的信号和不在纸上写字的信号；
(4)设加速度传感器的采样周期为T，微处理器将笔在纸上写字的加速度信号通过对离散的加速度的积分，得到单段用户移动笔的轨迹；
(5)将用户所有的单段的移动笔的轨迹根据时间顺序进行连线，并将笔在纸面上书写的部分的轨迹显示出来，将笔不在纸面上移动的部分的轨迹隐藏，即可以得到用户的书写内容。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤4得到书写轨迹之后，将轨迹的图像信息对外输出，完成书写的监控。
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