CN110490059A - 一种可穿戴智能戒指的手势识别方法、系统及装置 - Google Patents

一种可穿戴智能戒指的手势识别方法、系统及装置 Download PDF

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周言明
陈曦
吴惠山
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Abstract

本发明公开了一种可穿戴智能戒指的手势识别方法、系统及装置，方法包括步骤：根据按预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵；根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点；将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹；根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势。该发明通过旋转矩阵计算旋转运动的时间系列三维坐标，然后将三维坐标点映射到平面，再通过与标准手势图对比分析来识别动作手势，将三维空间的计算转换到二维空间的计算，从而使计算方法简单、占用的计算和存储内存少、可用单片机实现。该发明可以广泛应用于手势识别领域。

Description

一种可穿戴智能戒指的手势识别方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及手势识别领域，尤其涉及一种可穿戴智能戒指的手势识别方法、系统及装置。
背景技术
可穿戴设备应用领域广泛，产品也越来越多，例如，运动手环、智能眼镜、智能手表及智能戒指等等，不断改变人们的生活和工作方式。可穿戴设备可以提取生命特征或感知外部世界的信息，并对接收的信息做处理，实现数据的交互。
可穿戴智能戒指前期只能识别上下左右等基本的手势动作，后面发展到可以识别其它方向的手势动作，但是计算方法复杂、占用内存大、不能用单片机实现。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种可穿戴智能戒指的手势识别方法、系统及装置。该手势识别方法计算方法简单、占用内存少、可用单片机实现。
第一方面，本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别方法，包括以下步骤：
根据按预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵；
根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点；
将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹；
根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势。
优选地，所述将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹，包括以下步骤：
将所有所述旋转后的坐标点映射到三维坐标系的单位球面上；
将三维坐标系的球心及球面上的各映射点连接并映射到二值图平面上；
根据二值图平面上的映射点获取运动轨迹。
优选地，所述根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势，包括以下步骤：
将二值图平面上的运动轨迹转换成一维向量；
计算运动轨迹的一维向量与若干个标准手势图的一维向量的距离；
选取前K个与所述运动轨迹的一维向量距离最小的标准手势图作为待选集合，然后从待选集合中将频数最多的标准手势图确定为动作手势。
优选地，所述二值图平面的像素为N×Npx，N为偶数。
优选地，所述将二值图平面上的运动轨迹转换成一维向量，包括以下步骤：
以运动轨迹为中心，从N×Npx二值图截取(N/2)×(N/2)px二值图；
将所述(N/2)×(N/2)px二值图转换成1×(N2/4)的一维向量。
优选地，所述标准手势图的一维向量为1×(N2/4)。
第二方面，本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别系统，包括：
采集模块，用于根据预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵；
计算模块，用于根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点；
获取模块，用于将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹；
识别模块，用于根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势。
第三方面，本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的任一种可穿戴智能戒指的手势识别方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别系统，包括九轴传感器、电源模块、存储器以及至少一个处理器；
所述九轴传感器，用于采集手指运动的单位四元数；
所述电源模块，用于为所述系统提供电源；
所述存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述任一种可穿戴智能戒指的手势识别方法。
优选地，可穿戴智能戒指的手势识别系统还包括无线模块、触摸传感器及LED灯。
实施本发明实施例的有益效果：本发明通过旋转矩阵计算旋转运动的时间系列三维坐标，然后将三维坐标点映射到平面，再通过与标准手势图对比分析来识别动作手势，将三维空间的计算转换到二维空间的计算，从而使计算方法简单、占用的计算和存储内存少、可用单片机实现。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种可穿戴智能戒指的手势识别方法的步骤流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种智能戒指的运动轨迹在球面的映射示意图；
图3是本发明实施例提供的一种智能戒指的运动轨迹在球面及平面的映射示意图；
图4是本发明实施例提供的一种智能戒指的运动轨迹在平面上的二值分布图；
图5是本发明实施例提供的一种智能戒指的运动轨迹在32×32px平面上的二值分布图；
图6是本发明实施例提供的一种可穿戴智能戒指的手势识别系统的结构框图；
图7是本发明实施例提供的一种可穿戴智能戒指的手势识别装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别方法，包括以下步骤：
S1、根据按预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵；
S2、根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点；
S3、将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹；
S4、根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势。
具体地，根据单位四元数(qw，qi，qj，qk)计算旋转矩阵的计算公式如下：
其中，R表示旋转矩阵。按照四元数空间的性质可以得知AT＝R×AP，Ap表示三维空间中变换前的坐标点，AT表示在三维空间中旋转后的坐标点。可穿戴智能戒指连续转动的过程中可以根据旋转矩阵的坐标转换公式求出各个时间序列的坐标点，具体表达式为：Xi+1＝R×Xi，i∈{1,2，…，m}，Xi表示第i个时间点的坐标，Xi+1表示第i+1个时间点的坐标。
优选地，所述将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹，包括以下步骤：将所有所述旋转后的坐标点映射到三维坐标系的单位球面上；将三维坐标系的球心及球面上的各映射点连接并映射到二值图平面上；根据二值图平面上的映射点获取运动轨迹。
具体地，将三维坐标系的球心及球面上的各映射点连接并延伸到二值图平面上，并从球心做一条垂线到二值图平面上，根据相似三角形计算球面上的映射坐标点映射到二值图平面上的位置，背景显示为白色，轨迹映射到二值平面上的点为黑色，白色设置为1，黑色设置为0，即二值图平面上0的位置集合为戒指的运动轨迹。二值图平面到球心的距离可根据计算方法选择适当的距离，二值图平面的像素大小也可以根据需求设置。
优选地，所述根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势，包括以下步骤：将二值图平面上的运动轨迹转换成一维向量；计算运动轨迹的一维向量与若干个标准手势图的一维向量的距离；选取前K个与所述运动轨迹的一维向量距离最小的标准手势图作为待选集合，然后从待选集合中将频数最多的标准手势图确定为动作手势。
具体地，二值图平面上的运动轨迹可以用m×n的矩阵表示，然后再将m×n的矩阵转换成一维向量，一维向量包括m×n个数据；运动轨迹的一维向量与若干个标准手势图的一维向量的距离采用欧式距离公式计算，标准手势图的一维向量是由标准手势图转换的，也包括m×n个数据；运动轨迹的一维向量与标准手势图的一维向量的欧式距离越小，表示运动轨迹越接近该标准手势图，在最接近的标准手势图中选取出现频数最多的标准手势图作为动作手势，最后的计算结果越符合实际情况。由于同一个手势含义，不同人的表现形式有差异，为更好的识别运动轨迹，同一含义的手势可以对应多个标准手势图。
优选地，所述二值图平面的像素为为N×Npx，N为偶数。
优选地，所述将二值图平面上的运动轨迹转换成一维向量，包括以下步骤：以运动轨迹为中心，从为N×Npx二值图截取(N/2)×(N/2)px二值图；将所述(N/2)×(N/2)px二值图转换成1×(N2/4)的一维向量。
优选地，所述标准手势图的一维向量为1×(N2/4)。
具体地，二值图平面的像素选N×Npx，计算简单，画面也不会失真；将N×Npx二值图截取(N/2)×(N/2)px二值图，可以使计算的数据量更少，节约运算及存储资源。运动轨迹的中心位置为，能够覆盖运动轨迹范围的圆心，圆心的半径向上取整，例如，覆盖运动轨迹范围的圆半径为4.1～4.9，则半径取5。
一种可选的实施例中，根据按预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵后，再根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点，再将所有所述旋转后的坐标点映射到三维坐标系的单位球面上，最后得到如图2所述的运动轨迹的球面显示图。将三维坐标系的球心及球面上的各映射点连接并映射到二值图平面上，得到如图3所述的轨迹的球面及平面示意图，再根据二值图平面上的映射点获取的运动轨迹。如图4所述，将二值图平面的背景颜色设置1，映射点设置为0，得到运动轨迹的二值分布图。如图5所述，将运动轨迹的二值图转换到二维坐标系中，得到的运动轨迹的坐标图，其中，二值图平面像素为32×32px。结合图4及图5，再将运动轨迹的坐标图转换成32×32的二维矩阵，同理，将背景颜色设置1，映射点设置为0。由于运动轨迹并未占满整个二值平面图，为计算简单，为运动轨迹中心为中点，从32×32的二维矩阵中截取16×16的二维矩阵。将16×16的二维矩阵转换成1×256的一维向量，再与标准库中标准手势图的一维向量计算欧式距离，经过计算发现戒指的运动轨迹与标准手势图中的数字“8”最为接近，因此识别戒指的动作手势是数字8。
实施本发明实施例的有益效果：本发明通过旋转矩阵计算旋转运动的时间系列三维坐标，然后将三维坐标点映射到平面，再通过与标准手势图对比分析来识别动作手势，将三维空间的计算转换到二维空间的计算，从而使计算方法简单、占用的计算和存储内存少、可用单片机实现。
参阅图6，本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别系统，包括：
采集模块，用于根据预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵；
计算模块，用于根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点；
获取模块，用于将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹；
识别模块，用于根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
参阅图7，本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的可穿戴智能戒指的手势识别方法。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
本发明实施例提供了一种可穿戴智能戒指的手势识别系统，包括九轴传感器、电源模块、存储器以及至少一个处理器；
所述九轴传感器，用于采集手指运动的单位四元数；
所述电源模块，用于为所述系统提供电源；
所述存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的一种可穿戴智能戒指的手势识别方法。
具体地，九轴传感器包括三轴陀螺仪，三轴加速度传感器，三轴磁感应传感器。所述存储器还用于存储标准手势图。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
优选地，可穿戴智能戒指的手势识别系统还包括无线模块、触摸传感器及LED灯。无线模块可以为蓝牙模块或WIFI模块，用于传输数据信息。触摸传感器，用于控制无线模块与外界数据的传输，例如，按下触摸传感器，启动数据传输。LED灯用于显示系统当前的电量，例如，绿色表示电量充足，红色表示电量不足。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种可穿戴智能戒指的手势识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据按预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵；
根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点；
将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹；
根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势。
2.根据权利要求1所述的可穿戴智能戒指的手势识别方法，其特征在于，所述将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹，包括以下步骤：
将所有所述旋转后的坐标点映射到三维坐标系的单位球面上；
将三维坐标系的球心及球面上的各映射点连接并映射到二值图平面上；
根据二值图平面上的映射点获取运动轨迹。
3.根据权利要求2所述的可穿戴智能戒指的手势识别方法，其特征在于，所述根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势，包括以下步骤：
将二值图平面上的运动轨迹转换成一维向量；
计算运动轨迹的一维向量与若干个标准手势图的一维向量的距离；
选取前K个与所述运动轨迹的一维向量距离最小的标准手势图作为待选集合，然后从待选集合中将频数最多的标准手势图确定为动作手势。
4.根据权利要求3所述的可穿戴智能戒指的手势识别方法，其特征在于，所述二值图平面的像素为N×Npx，N为偶数。
5.根据权利要求4所述的可穿戴智能戒指的手势识别方法，其特征在于，所述将二值图平面上的运动轨迹转换成一维向量，包括以下步骤：
以运动轨迹为中心，从N×Npx二值图截取(N/2)×(N/2)px二值图；
将所述(N/2)×(N/2)px二值图转换成1×(N2/4)的一维向量。
6.根据权利要求5所述的可穿戴智能戒指的手势识别方法，其特征在于，所述标准手势图的一维向量为1×(N2/4)。
7.一种可穿戴智能戒指的手势识别系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于根据预设时间间隔采集的单位四元数计算旋转矩阵；
计算模块，用于根据旋转前的坐标点及所述旋转矩阵计算旋转后的坐标点；
获取模块，用于将所有所述旋转后的坐标点映射到二值图平面上获取运动轨迹；
识别模块，用于根据所述运动轨迹与标准手势图识别动作手势。
8.一种可穿戴智能戒指的手势识别装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-6任一项所述的可穿戴智能戒指的手势识别方法。
9.一种可穿戴智能戒指的手势识别系统，其特征在于，包括九轴传感器、电源模块、存储器以及至少一个处理器；
所述九轴传感器，用于采集手指运动的单位四元数；
所述电源模块，用于为所述系统提供电源；
所述存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-6任一项所述一种可穿戴智能戒指的手势识别方法。
10.根据权利要求9所述的可穿戴智能戒指的手势识别系统，其特征在于，还包括无线模块、触摸传感器及LED灯。
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