CN110049228A - 一种新的基于手势控制拍照的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明在单片机实现照相功能的基础上采用“比划手势”触发快门的方法，通过感应器感应到“拍照手势”，本发明在技术上应用了常见的STM32单片机(原理图为附图1)，存储器使用外接SD卡，摄像头为价格低廉的OV7670(附图2)，本发明具有便携、成本低廉、拍摄方法新颖等优点，缺点在于对于焦距的改变仅靠摄像头自动对焦，在未来有望做出更大的进步与改进。

Description

一种新的基于手势控制拍照的方法和系统

技术领域：

本发明在单片机实现照相功能的基础上，对相机快门与拍照系统进行了创新改进。将普通照相机“手按快门”拍照方式更进为“比划手势”拍照方式，通过开关传感器代替快门按钮，传感器感应到手指比划出快门手势，进而做出快门反应实现照相机拍照功能。

在拍照过程中，“快门手势”所比划的手势框可对相机显示屏进行替代，以达到最大程度减小相机成本的目的，但有可能因此拍出不符合使用者预期的照片。

背景技术：

通过单片机实现拍照功能的照相机有很多，不同型号的单片机有其相应地实现拍照功能的方法，不过只是大同小异。以STM32单片机为例，其拍照实现过程为：

先通过OV7670摄像头模块将采集的数据保存在AL422B大容量存储器中，STM32主控芯片直接通过I2C向OV7670相机芯片写入数据，初始化过后将数据命令写入AL422B大容量存储器中，之后STM32主控芯片控制AL422B将数据读取出来。拍照过程中OV7670配置为RGB 格式QVGA输出，即每个像素输出3个子节。RGB格式使用565，所以需将每个像素的3个子节转换为一个565格式的数据使LCD可以识别出颜色，一个320*240大小的LCD屏幕总共需要写入76800次，写入完成之后LCD屏幕便会显示当前摄像头所拍摄画面；OV7670的模块每一桢数据是320*240*3个字节，使用溢出信号的方式来触发STM32 接收数据包，所以OV7670每采集一帧数据，VSYNC便会发出一个信号提示数据采集完毕，此时STM32开启一个外部触发中断EXIT来监听VSYNC，当进入中断时立即读取AL422里的数据送入显示屏显示。

当有快门或其他按键触发时，程序首先调用FATFS文件系统中的建立文件名函数以确保不会覆盖已有照片，之后调用BMP编码函数将从LCD的RAM读出的数据写进SD卡，写入之前先行判断SD卡是否有效，最后将BMP格式的图片保存起来。

如此这般一款基于STM32单片机开发的照相机便初具功能了。然而这样的照相机与普通照相机没有丝毫区别，拍照手段依然为：使用者手持相机对准景物按下快门拍照。这种相机既不方便携带，拍照也没有丝毫乐趣可言。

为了革新这种老套落伍的拍照方式，本发明的雏形出现了：通过左右手食指拇指摆出长方形手势模拟照相机拍照，从而触发快门系统拍下手势所框景象完成拍照。此拍照方式的灵感来源于孩子们在没有照相机的时候习惯通过左右手食指拇指摆出长方形手势模仿照相机拍照。

在使用市面上的普通照相机拍照时，不可避免的缺陷有三点：

1、相机体型较大，携带时大多需要配套的相机保护套，麻烦且不必要；

2、相机自重较大，拍照时必须双手扶持相机进行拍照操作，且启动较慢不适合抓拍一瞬即逝的景象；

3、造价昂贵，对于入手要求起点较高，没有一定的经济实力并花费一定精力学习拍照技术很难拍出中意的照片。

相比于传统相机，本发明整体重量不过千克，可佩戴在身上携带解放双手，且对焦方式为距离感应对焦，不怕抖不怕糊，降低了入手起点，整体造价低廉，具有极大的日常使用优势。

本发明从常见的单片机照相机模板出发，完善开发出一整套基于手势控制拍照的可行方法与系统。

发明内容：

本发明的内容在于变更传统相机的拍照方式，用更现代化的手法操控照相机拍照，利用传感器开关代替传统快门按钮，同时相机摄像头使用微型可佩戴式摄像头，利用距离感应器进行聚焦辅助。最终通过：

摄像头等设备启动→感应器感应既定拍照手势→信息传达至控制芯片→控制芯片下达指令至存储芯片→大容量存储芯片存储摄像头芯片数据→保存至SD卡…等流程完成整个拍照过程。

本发明以实现手势便捷拍照为研究目的，开发以一套具有独立知识产权的基于手势控制拍照的系统，研究手势控制和便捷拍照，对传统单片机型照相机进行了创新创造。在实验室和参赛过程中进行了长期试验观测，充分验证了系统的稳定性和实际价值，并为本发明的未来展望做了适当评估，对本发明今后的有益发展奠定了良好基础。

在对本发明介绍阐述之前，先介绍如下一些说明：

1、本发明优势：以研究传统单片机型照相机对象，开发以一套具有独立知识产权的基于手势控制拍照的系统，搭建了以传感器、总控制芯片、摄像头及存储单元为一体的硬件平台实体，又通过不断调试更改软件程序改进实验成果，成功发明出可以随身佩带的基于手势控制拍照的单片机照相机系统。之后通过参与相应比赛中的实际应用发现不足，并进行不断完善，最终使得本发明实现了通过传感器开关代替传统快门按键进行拍照活动，完成了本发明实现手势便捷拍照的研究目的，为促进便捷科技、物联网科学以及智能应用的可持续发展提供了有力的科学技术支持。

2、试验单片机板介绍：本发明的试验于2016年4月至2016年 9月在北京市北京林业大学工学院实验室进行，所使用开发板为以 STM32F103ZET6(原理图见图1)为主控制芯片，使用摄像头型号为 OV7670(见图2)，传感器为普通开关式传感器，整体连接后效果如图3所示。

使用STM32F103ZET6的特点有：

①基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封装，方形芯片接口分布均匀易操作。多达80个IO(大部分兼容5V逻辑，完美解决本发明所需可编程接口多、可能出现冲突情况复杂的问题),4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SP I接口 (确保可连接外部SD卡存储模块),2路I 2C接口,一个USB从设备接口(使得本发明可以通过常用USB串口连接计算机浏览图片或转移保存图片),SD I O接口(SD IO模式下SD卡读取速度更快更平稳，可在摄像头像素高、图片容量大的情况下使用),另有其他接口略去介绍；

②512K片内FLASH存储空间(相当于硬盘),64K片内RAM(相当于内存)。且具有片内FLASH支持在线编程(IAP)，利于使用软件调试程序，不需反复烧录影响芯片性能与寿命；

③高达72M的频率,数据,指令分别走不同的流水线,以确保 CPU运行速度达到最大化，同时确保了图像摄取模块不易丢失数据造成不必要的损失；

④通过片内BOOT区,可实现串口下载程序(I SP)。支持JTAG,SWD调试，配合廉价的J-L I NK,实现高速低成本的开发调试方案。使烧录程序便捷快速，便于调试程序。

⑤片内双RC晶振,提供8M和32K的频率。支持片外高速晶振 (8M),和片外低速晶振(32K).其中片外低速晶振可用于CPU的实时时钟,带后备电源引脚,用于掉电后的时钟行走。由于所用摄像头 OV7670为高时序摄像头，故此条为OV7670可成功运行的必要条件；

⑥42个16位的后备寄存器(可以理解为电池保存的RAM),利用外置的纽扣电池,和实现掉电数据保存功能，可以满足本发明在突断电情况下不丢失已保存数据，为保护数据完整奠定了基础；

⑦CPU操作电压范围:2.0-3.6V。3路共16通道的12位AD输入,2路共2通道的12位DA输出.支持片外独立电压基准。稳定且低耗的电压输入保证了本发明的耐用性，同时也为各设备的连贯稳定工作提供了保障。

3、实验图像采集模块介绍：由于单片机速率低，而OV7670的速度很快，所以在使用OV7670摄像头时必须在两者中间加一个FI FO缓存区域，具体原因如下：

OV7670的像素时钟是模块内部读取出来的，其晶振时钟虽然名义上有24MHz，其实是OV7670内部倍频的(实际的PCLK输出只有 18～25MHz左右，使用640*480LCD屏幕只有每秒30帧(640*480*2*30 ＝18.432MHz))。50M的主频如果只是在PCLK跳变的时候把Di n直接存储到内部RAM还可以尝试直接使用，但Cortex内部RAM没有这么多，即使RAM够用如果采集图像的时候出来一个中断也会使用时序错乱，导致丢失图片数据；当然如果用50M主频的单片机采集OV7670 图像，一帧时间只进行采集操作，之后再利用多帧时间进行图像处理操作，这样可以最大程度的节省成本。但就实用性来讲，F IFO的操作很方便，速度与各方面数据也非常稳定。而且可以有效的避免意外中断导致的时序错乱引发数据丢失的问题，所以本发明采用了带有 F IFO缓存模块的OV7670摄像头进行图像采集操作，其原理图见图4。

4、内部图像处理方法：

基于传统的STM32单片机照相机的图像处理模式，本发明所拍摄照片为BMP编码格式，BMP编码具有以下特点：

BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选l bit、 4bit、8bit及24bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。

由于BMP文件格式是Wi ndows环境中交换与图像有关的数据的一种标准，因此在Wi ndows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

典型的BMP图像文件由三部分组成：位图文件头数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息。BMP格式与现有Wi ndows程序(尤其是较旧的程序)广泛兼容。

本发明中所用到部分图像处理编码如下：

其图像处理流程为：读取摄像头芯片内部数据(即存储于F IFO 芯片的拍摄数据)→快门处于触发模式→按照BMP编码格式保存图片。

5、所用存储模式：

本发明使用SD卡以存储数据。目前常用存储数据的手段有U盘， FLASH芯片，SD卡等。各自有各自的优点，但是综合的讲，最适合单片机系统使用的外扩存储设备莫过于SD卡了。它不仅可以达到很大 (32Gb以上)容量，而且支持移动方便SPI接口，并且有多种体积的尺寸可供选择(标准的SD卡尺寸，以及TF卡尺寸等)，能满足不同应用的要求。

在STM32单片机系统中，只需要4个IO口即可外扩一个最大达 32GB以上的外部存储器，容量从几十M到几十G选择尺度很大，且更换方便、编程简单，及其适合本发明所需要内存容量大、传输快、易于转移数据至计算机等特点，所以本发明选择SD卡为大容量外部存储器。

所用SD卡模块原理图如图5所示，一般SD卡有两种使用模式可供用户选择，SPI与SD模式。二者相较而言，SPI模式传输稳定不易出现数据丢失问题，且编码简单便以使用；SD模式数据传输快但编码复杂，处理不当容易出现数据丢失等问题，本发明为稳妥起见选择使用SPI传输模式。

其初始化代码如下：

为了使本发明可以进行多次连续拍照而不使后次所拍图像覆盖前次所拍图像，使用以下代码以避免覆盖发生：

其工作原理为：创建新文件头并尝试打开，若文件名不存在则证明该文件头可用则继续以此文件头为文件名输出图像文件；若该文件名以存在则进行加一操作更改文件名称，重复此操作至成功创建新文件并输出保存图像。

以上是本发明的一些技术背景和试验介绍，为了实现上述所说的，本发明采用了一种新的取景方式，具体的技术方案包括：利用三点或两点式取景方式，通过左手食指与右手食指、拇指三根手指佩戴相应环状传感器进行定位取景，所取景物框图通过三点连线确定三角形型取景框图或通过两食指环状传感器定位连线为对角线确定矩形取景框图。

在两点取景模式下可拍摄出普通相机所拍摄的矩形取景效果，而在三点取景模式下可以达到新的随手势变化的取景框图效果。此发明点的作用在于优化了传统相机取景方式，遵循了本发明追求自由控制与物联网相结合的精神，使用者可以更加方便的对拍摄目标进行随意框图取景，弥补了传统相机固定取景框“取到不想取的景”的缺点。

附图说明：

图1为本发明所用到STM32F103ZET6开发板原理图

图2为所用带F IFO的OV7670摄像头照片

图3为整个硬件平台连接示意图

图4为F I FO模块与OV7670摄像头模块原理图

图5为SD卡模块原理图

具体实施方式：

发明本发明的出发点在于倡导更加现代化的生活模式，以用佩带式照相机代替携带式的照相机为出发点，进而创造发明更多的方便人们生活的智能生活用品。在发明过程中力图方便使用者佩带，将摄像头模块设计为类似项链佩带模式，而传感器开关部分设计为富有现代感的手环模式，总控芯片所处部分力图体型小而精悍，拟在后续开发中更改封装方式使之更小更适合佩带。

独特的取景方式是本发明的一大创新点。所谓“比划拍照手势激活快门”的灵感来源于人们对于照相机拍照的普遍手势模拟习惯：双手伸出，分呈“八”字形状，之后分别以拇指对上另一只手食指比划出“照相机框”，佩带在手指上的指环内置距离传感器及传感器开关先后激活，距离传感器用来和与摄像头捆绑在一块的距离传感器互相确定位置从而辅助摄像头聚焦，当聚焦完成时快门传感器开关激活并进行拍照操作。所拍摄图像以BMP编码格式存储在与控制芯片模块连接在一起的SD卡中，使用者可以在之后通过SD卡连接计算机查看所拍摄到的图像。

本发明与同类手势拍照发明相比优点在于：

①同类发明皆采用图像识别手势之后进行图像处理截取所需图像的图像处理方法，此种方法固然有效，然而程序复杂编程工作量大，且没有一定的硬件软件支持很难做到极其精确的图像识别并作图像处理；即使有足够的硬件软件支持，其处理速度也不能达到照相机所需拍摄存储要求。而本发明采用距离传感器辅助摄像头聚焦模式之后进行拍摄，改变了固有的通过图像识别手势拍照的思路，节省了处理时间，减小了主控制处理器功耗，同时程序也变得相对简单，节省了人工编程成本；

②与现有照相机相比本发明体积小易佩带，省去了市面上照相机需要较大存放空间且携带不甚方便的烦恼，在出外旅行、登山访友的过程中真正做到了随时随地方便快捷地记录生活点点滴滴；

③与其他照相机相比，本发明因为距离传感器辅助聚焦的优势，存在操作上手速度快、全年龄皆可上手使用等特点，降低了拍照门槛的同时满足了广大低端拍照人群的拍照需求；

④因为本发明所采用硬件设施少，在市面上易于购买且价格便宜，所以本发明存在造价低廉的天然优势，而且由于本发明组成各部分分工明确装配简单，故可便易的开发相应生产器械辅助生产节省人工成本；

⑤本发明由于便于携带的特性，除可在日常生活中广泛应用之外还可在各种需要隐蔽拍摄的拍摄条件下进行拍照工作，除此之外本发明还有其他多种用途在此不再赘述。

以上所述仅为本发明所拥有的客观的优势例，并不意味着本发明限于这些描述的用途方法。对本领域的技术人员来说，可以对本发明的具体使用用途进行改进或者对部分内容进行同等替换、修改等，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应包含在本发明的权利要求范围之内。同时要说明的是本发明的立足点为将电子设备智能化、微型化进而达到随身佩带的目的，先从外观与使用手法上除去现有使用电子产品时的条条框框，进而为本类设备的创造发明领域提供新的创造发明思路。

Claims (8)

1.一种新的基于手势控制拍照的方法和系统，包括环状手势感应距离传感器，可悬挂自动聚焦摄像头，支持蓝牙及WIFI连接的无线数据传输部分和SD卡存储部分，其特征在于，还包括与以上部分相连的主控单片机；

所述与各分部相连主控单片机，用于根据预设规则控制所述摄像头从机主控单片机进行相应的图像采集存储；

①基于手势传感器感应手势进行手势控制的快门操作传达以达到手势控制拍照的目的；

②根据不同手势采取不同取景方式，获得框形各异的照片；

③本发明采取佩戴式携带方式，摄像头及手势与距离传感器皆可做饰品佩戴在使用者身上；

④所述蓝牙及WIFI连接的无线数据传输部分用于与所述其他各部分进行无线连接传达指令及数据传输；

⑤基于单片机控制的实现拍照功能的照相机。

2.根据权利要求1所述①之基于手势控制拍照原理，其特征在于可用不同特定手势下达快门指令完成拍照目的。

3.根据权利要求1所述②之根据不同取景获得不同框形照片，其特征在于：

①所取的景物通过双手所佩戴传感器基于三点式(最多可重合两点)取景拍照；

②所述的基于不同拍照手势获得的取景框图不同，起框图形状追随手势所框形状确定。

4.根据权利要求1所述③之本发明采取佩戴式携带方式，其特征在于基于手链、指环、手环等方式佩戴权利要求1所述手势及距离传感器；基于项链、胸针等方式佩戴权利要求1所述自对焦摄像头。

5.根据权利要求1所述④之基于蓝牙及WIFI连接的无线数据传输部分对快门指令、图片数据等数据进行无线数据传输，其特征在于通过物联网络实现各部分无线网络连接。

6.根据权利要求2所述的基于手势控制的拍照系统，其特征在于，除系统设定的既定手势可传达快门指令外，使用者可自行设定其他类型快门手势。

7.根据权利要求3所述的以三点定位拍摄取景形式，其特征在于可进行三点确定三角形取景框图或以两点为基轴斜线确定矩形区域进行取景。

8.基于权利要求5所述各部分无线连接形式，其特征在于采用蓝牙与WIFI信号两种可选模式达到远距离与近距离数据皆可传输的目的。