CN108572734A - 一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统 - Google Patents
一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统，包括激光投影单元、图像采集单元、红外发射单元和处理器。所述激光投影单元用于在桌面上投影出相应的用户操作区域，所述用户操作区域包括键盘图案区域和鼠标图案区域；所述红外发射单元发射出一字线红外激光，覆盖用户操作区域，用于对目标图像进行增强便于后续的目标检测；所述图像采集单元包括红外摄像头和滤光片，所述红外摄像头用于捕获目标图像，所述滤光片用于滤除环境光；所述处理器根据处理器中的软件算法对红外摄像头采集的目标图像进行处理，识别用户操作手势从而做出动作响应。本发明解决了现有的激光投影系统应用场景受限、目标定位精度不高的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于手势识别技术领域，特别是涉及一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统。
背景技术
现有的激光投影系统存在应用场景受限、目标定位精度不高等缺点。同时市面上现有的激光投影装置要么是单一的键盘功能，要么是单一的鼠标功能，功能单一给实际使用带来很大的不便。例如文献1(CN 102799317A)中采用背景建模与帧差法相结合来提取目标图像，在每次初始化使用之前都需要采集30帧图像进行背景建模，这种方法大大的限制了应用场景，例如当背景建模完成后，周围的环境光发生巨大变化时，必然导致背景发生变化，此时若不重新进行背景建模，则将导致投影系统无法正常使用；再如系统所放置的桌面发生变化时也要重新进行背景建模，这些因素都需要系统每次光线变化和桌面变化时都需要初始化背景建模，极大的限制了系统的应用场景；文献2（CN 101770314A）中并未对红外摄像头的类型（广角摄像头和非广角摄像头）做具体说明，若采用非广角摄像头，由于视场角较小，则导致操作区域较小；若采用广角摄像头，由于存在严重的畸变，若不对摄像头进行校正，是无法准确识别目标的具体位置的。
发明内容
本发明为了解决现有的激光投影系统应用场景受限、目标定位精度不高的技术问题，提出一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统，包括激光投影单元、图像采集单元、红外发射单元和处理器；所述激光投影单元用于在桌面上投影出相应的用户操作区域，所述用户操作区域包括键盘图案区域和鼠标图案区域；所述红外发射单元发射出一字线红外激光，覆盖用户操作区域，用于对目标图像进行增强便于后续的目标检测；所述图像采集单元包括红外摄像头和滤光片，所述红外摄像头用于捕获目标图像，所述滤光片用于滤除环境光；所述处理器根据处理器中的软件算法对红外摄像头采集的目标图像进行处理，识别用户操作手势从而做出动作响应。
进一步地，所述软件算法具体步骤为：
步骤1、获取目标图像；
步骤2、采用阈值分割方法对所述目标图像进行目标检测，从而确定出目标区域；
步骤3、根据确定出的目标区域进行目标定位；
步骤4、在图像中每次检测到独立目标时，都与上一帧图像中的独立目标进行目标匹配；
步骤5、在步骤2、3和4的基础上，连续采集多帧图像进行目标跟踪；
步骤6、根据上述步骤确定出目标位置从而识别出用户操作手势以便做出动作响应。
进一步地，所述步骤2具体为：由于滤光片与底部红外发射单元共同作用的结果，使得目标在捕获的图像中与周围背景环境亮度差别较大，当有手指出现在用户操作区域时，图像中会出现明亮的月牙形光斑，而其他背景部分则为黑色，因此采用阈值分割的方法来进行目标检测，设定阈值，将图像转换成由二进制0和1组成的二值图像，其中1表示目标区域，0表示背景，即非目标区域。
进一步地，所述步骤3具体为：
在确定目标区域的基础上，对二值图像进行逐行扫描同时对目标区域进行连通分析，根据所述连通分析确定出目标的个数、编号及位置关系；与此同时记录下每个独立目标区域的最上像素坐标、最下像素坐标、最左像素坐标和最右像素坐标，根据四个坐标确立每个独立目标区域的最小外接矩形，并计算出最小外接矩形的中心，所述中心作为每个目标在图像中的定位坐标；根据目标在图像中的所述定位坐标与红外摄像头的参数，结合红外摄像头的成像模型，将目标在图像中的定位坐标转换至世界坐标系中的实际坐标，至此完成目标的定位。
进一步地，所述步骤4具体为：在二值图像中每次检测到独立目标时，都与上一帧图像中的独立目标进行目标匹配；所述匹配方法为：以该独立目标的图像定位坐标为中心，距离阈值为半径的圆形区域内进行搜索，若在该圆形区域内搜索到上一帧图像中独立目标的定位坐标，则认为两个独立目标是同一目标，若检测不到定位坐标，则认为当前帧中的独立目标为新出现的目标，需要重新分配编号。
进一步地，所述步骤5具体为：在步骤2、3和4的基础上，连续采集多帧图像，通过步骤3存储每个独立目标的实际坐标，并将一系列坐标组成坐标序列，利用该坐标序列作为独立目标的轨迹信息。
进一步地，所述步骤6具体为：当在投影键盘图案区域检测出单一独立目标出现时，利用查表法查询目标实际坐标出现在哪个键位坐标区域内，且在连续多帧图像内均在同一区域，则在输出端作出按键的响应；若在投影鼠标图案区域检测到单一目标出现，目标位置不断发生变化，轨迹连续且不间断，则认为正在进行鼠标滑动操作，则在输出端作出该滑动操作的响应。
附图说明
图1为一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统结构图；
图2为软件算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图2，本发明提出一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统，包括激光投影单元、图像采集单元、红外发射单元和处理器；所述激光投影单元用于在桌面上投影出相应的用户操作区域，所述用户操作区域包括键盘图案区域和鼠标图案区域；所述红外发射单元发射出一字线红外激光，覆盖用户操作区域，用于对目标图像进行增强便于后续的目标检测；所述图像采集单元包括红外摄像头和滤光片，所述红外摄像头用于捕获目标图像，所述滤光片用于滤除环境光；所述处理器根据处理器中的软件算法对红外摄像头采集的目标图像进行处理，识别用户操作手势从而做出动作响应。
所述控制系统的控制方法具体为：设备上电，由激光投影单元在桌面上投影出相应的用户操作区域，所述用户操作区域包括键盘图案区域和鼠标图案区域；由红外发射单元发射出一字线红外激光，覆盖用户操作区域；当用户在用户操作区域点击、滑动或有其他手势操作时，用户操作区域上所覆盖的红外线将照射在用户手指之上，并将红外线反射到图像采集单元；图像采集单元将图像信号发送给处理器，由处理器中的软件算法对图像进行处理，对用户操作手势进行识别从而做出动作响应。
所述软件算法具体步骤为：
步骤1、获取目标图像；
步骤2、采用阈值分割方法对所述目标图像进行目标检测，从而确定出目标区域；
步骤3、根据确定出的目标区域进行目标定位；
步骤4、在图像中每次检测到独立目标时，都与上一帧图像中的独立目标进行目标匹配；
步骤5、在步骤2、3和4的基础上，连续采集多帧图像进行目标跟踪；
步骤6、根据上述步骤确定出目标位置从而识别出用户操作手势以便做出动作响应。
所述步骤2具体为：由于滤光片与底部红外发射单元共同作用的结果，使得目标在捕获的图像中与周围背景环境亮度差别较大，当有手指出现在用户操作区域时，图像中会出现明亮的月牙形光斑，而其他背景部分则为黑色，因此采用阈值分割的方法来进行目标检测，设定阈值，将图像转换成由二进制0和1组成的二值图像，其中1表示目标区域，0表示背景，即非目标区域。
所述步骤3具体为：
在确定目标区域的基础上，对二值图像进行逐行扫描同时对目标区域进行连通分析，根据所述连通分析确定出目标的个数、编号及位置关系；与此同时记录下每个独立目标区域的最上像素坐标、最下像素坐标、最左像素坐标和最右像素坐标，根据四个坐标确立每个独立目标区域的最小外接矩形，并计算出最小外接矩形的中心，所述中心作为每个目标在图像中的定位坐标（单位：像素）；根据目标在图像中的所述定位坐标与红外摄像头的参数（内参数、外参数和畸变系数），结合红外摄像头的成像模型，将目标在图像中的定位坐标（单位：像素）转换至世界坐标系中的实际坐标（单位：毫米），至此完成目标的定位。
所述步骤4具体为：在二值图像中每次检测到独立目标时，都与上一帧图像中的独立目标进行目标匹配；所述匹配方法为：以该独立目标的图像定位坐标为中心，距离阈值（单位：像素）为半径的圆形区域内进行搜索，若在该圆形区域内搜索到上一帧图像中独立目标的定位坐标，则认为两个独立目标是同一目标，若检测不到定位坐标，则认为当前帧中的独立目标为新出现的目标，需要重新分配编号。采用此种匹配方法是认为目标在短时间内位置变化不大。
所述步骤5具体为：在步骤2、3和4的基础上，连续采集多帧图像（通常5帧以上，10帧以下），通过步骤3存储每个独立目标的实际坐标（单位：毫米），并将一系列坐标组成坐标序列，利用该坐标序列作为独立目标的轨迹信息。
所述步骤6具体为：当在投影键盘图案区域检测出单一独立目标出现时，利用查表法查询目标实际坐标出现在哪个键位坐标区域内，且在连续多帧（通常3帧）图像内均在同一区域，则在输出端作出按键的响应；若在投影鼠标图案区域检测到单一目标出现，目标位置不断发生变化，轨迹连续且不间断，则认为正在进行鼠标滑动操作，则在输出端作出该滑动操作的响应。同时根据需求还可以进行控制指令的自定义，例如在投影键盘区域同时检测到3个独立目标，目标位置不断发生变化，轨迹连续且不间断，同时纵坐标不断变小或变大，则认为是调整激光投影键盘亮度不断变暗或变亮；具体的指令可根据实际需求来进行相应的自定义。
以上对本发明所提供的一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于红外激光辅助成像的手势控制系统，其特征在于，包括激光投影单元、图像采集单元、红外发射单元和处理器；所述激光投影单元用于在桌面上投影出相应的用户操作区域，所述用户操作区域包括键盘图案区域和鼠标图案区域；所述红外发射单元发射出一字线红外激光，覆盖用户操作区域，用于对目标图像进行增强便于后续的目标检测；所述图像采集单元包括红外摄像头和滤光片，所述红外摄像头用于捕获目标图像，所述滤光片用于滤除环境光；所述处理器根据处理器中的软件算法对红外摄像头采集的目标图像进行处理，识别用户操作手势从而做出动作响应。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述软件算法具体步骤为：
步骤1、获取目标图像；
步骤2、采用阈值分割方法对所述目标图像进行目标检测，从而确定出目标区域；
步骤3、根据确定出的目标区域进行目标定位；
步骤4、在图像中每次检测到独立目标时，都与上一帧图像中的独立目标进行目标匹配；
步骤5、在步骤2、3和4的基础上，连续采集多帧图像进行目标跟踪；
步骤6、根据上述步骤确定出目标位置从而识别出用户操作手势以便做出动作响应。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述步骤2具体为：由于滤光片与底部红外发射单元共同作用的结果，使得目标在捕获的图像中与周围背景环境亮度差别较大，当有手指出现在用户操作区域时，图像中会出现明亮的月牙形光斑，而其他背景部分则为黑色，因此采用阈值分割的方法来进行目标检测，设定阈值，将图像转换成由二进制0和1组成的二值图像，其中1表示目标区域，0表示背景，即非目标区域。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述步骤3具体为：
在确定目标区域的基础上，对二值图像进行逐行扫描同时对目标区域进行连通分析，根据所述连通分析确定出目标的个数、编号及位置关系；与此同时记录下每个独立目标区域的最上像素坐标、最下像素坐标、最左像素坐标和最右像素坐标，根据四个坐标确立每个独立目标区域的最小外接矩形，并计算出最小外接矩形的中心，所述中心作为每个目标在图像中的定位坐标；根据目标在图像中的所述定位坐标与红外摄像头的参数，结合红外摄像头的成像模型，将目标在图像中的定位坐标转换至世界坐标系中的实际坐标，至此完成目标的定位。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述步骤4具体为：在二值图像中每次检测到独立目标时，都与上一帧图像中的独立目标进行目标匹配；所述匹配方法为：以该独立目标的图像定位坐标为中心，距离阈值为半径的圆形区域内进行搜索，若在该圆形区域内搜索到上一帧图像中独立目标的定位坐标，则认为两个独立目标是同一目标，若检测不到定位坐标，则认为当前帧中的独立目标为新出现的目标，需要重新分配编号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述步骤5具体为：在步骤2、3和4的基础上，连续采集多帧图像，通过步骤3存储每个独立目标的实际坐标，并将一系列坐标组成坐标序列，利用该坐标序列作为独立目标的轨迹信息。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述步骤6具体为：当在投影键盘图案区域检测出单一独立目标出现时，利用查表法查询目标实际坐标出现在哪个键位坐标区域内，且在连续多帧图像内均在同一区域，则在输出端作出按键的响应；若在投影鼠标图案区域检测到单一目标出现，目标位置不断发生变化，轨迹连续且不间断，则认为正在进行鼠标滑动操作，则在输出端作出该滑动操作的响应。
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