CN112069960A - 一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统、控制方法及改造方法 - Google Patents

一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统、控制方法及改造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统、控制方法及改造方法，所述系统包括图像采集模块、检测模块、转换模块和电平驱动模块；所述图像采集模块通过单目RGB摄像头采集图像，并进行图像预处理；所述检测模块通过图像采集模块输入图像，使用检测模型，计算出图像手势类型和坐标；所述转换模块用于将手势类型转换成相应的指令，输出前、后、左、右、停止和抓取指令；所述电平驱动模块通过输入的指令模拟机械摇杆向娃娃机主板发送高低电平信号。本发明所述系统基于单目RGB摄像头进行开发，成本低，计算量少，不依赖摇杆娃娃机主板通信协议限制，能够解决通信协议问题，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统、控制方法 及改造方法
技术领域
本发明属于手势控制技术领域，特别是涉及一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统、控制方法及改造方法。
背景技术
摇杆式娃娃机在现有市场上普及率较高，号称新一代“街机”，同时摇杆式娃娃机趋于饱和，在这种情况下新玩法、新产品的推出极为重要。
目前娃娃机厂商为了解决上述问题，推出了手势控制娃娃机，利用空间手势控制娃娃机天车进行运动。采用的技术是基于深度摄像头进行手势识别。基于深度摄像头开发的手势识别模块有如下问题：第一，计算量偏大，部分深度摄像头帧率偏低，用户体验感欠佳；第二，计算模块需要使用高端的嵌入式板进行计算，高端嵌入式板价格较高，整体手势识别模块成本高；第三，手势控制模块与娃娃机主板通常通过非标准协议进行通信，因此需要整机定制化开发，手势模块无法批量生产；第四，手势控制娃娃机与摇杆式娃娃机产生竞争关系，抢占摇杆式娃娃机市场份额，并且手势控制娃娃机整机与摇杆式娃娃机整机价格差距过大；由于上述缺点基于深度摄像头开发的手势控制娃娃机产品在市场上难以推广。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的技术问题，提出了一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统、控制方法及改造方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统，所述系统包括图像采集模块、检测模块、转换模块和电平驱动模块；所述图像采集模块通过单目RGB摄像头采集图像，并进行图像预处理；所述检测模块通过图像采集模块输入图像，使用检测模型，计算出图像手势类型和坐标；所述转换模块用于将手势类型转换成相应的指令，输出前、后、左、右、停止和抓取指令；所述电平驱动模块通过输入的指令模拟机械摇杆向娃娃机主板发送高低电平信号。
本发明还提出一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统的控制方法，摇杆式娃娃机整机上电后单目手势控制后装系统与娃娃机主机相互独立运行，当主机接收到系统输出的电平信号时，天车执行相应命令，具体步骤为：
步骤1、上电后，单目手势控制后装系统开机运行，娃娃机主机开机运行；
步骤2、单目手势控制后装系统通过图像采集模块采集图像，并进行图像预处理；
步骤3、检测模块计算手势类型，输出检测结果；
步骤4、如检测模块未检测到手势，调节摄像头亮度；
步骤5、迭代执行步骤3及步骤4直至成功检测到手势；
步骤6、判断摄像头亮度调节次数是否达到预设次数，如未达到则进行摄像头亮度调节；
步骤7、转换模块获取手势类型和坐标，将检测到的手势类型转换成6种指令：前、后、左、右、停止、抓取；
步骤8、所述电平驱动模块收到指令后，模拟娃娃机机械摇杆向娃娃机主机发送指令对应的高低电平信号；
步骤9、娃娃机主机收到电平信号后，判断用户是否投币；如已投币，天车执行相应的电平信号，否则天车无响应。
进一步地，所述图像采集模块包括图像获取单元和亮度调节单元，所述图像获取单元输出检测模块需要的图像，所述亮度调节单元根据图像自动设置摄像头亮度；
所述图像获取单元具体操作步骤为：
步骤1.1、单目RGB摄像头获取图像；
步骤1.2、图像按照给定参数进行图像缩放操作；
步骤1.3、图像按照给定参数进行图像旋转；
步骤1.4、图像按照给定参数进行裁剪；
所述亮度调节单元具体操作步骤为：
步骤1.5、根据检测模块检测结果判定调节区域，未检测到手势时执行步骤1.6，否则执行步骤1.7；
步骤1.6、将图像按照中心位置裁剪，执行步骤1.8；
步骤1.7、将图像按照检测到的手势中心进行裁剪；
步骤1.8、根据检测区域内明亮的像素与总像素比例进行判断，比例大于阈值执行步骤1.10，否则执行步骤1.9；
步骤1.9、大于阈值摄像头亮度减小；
步骤1.10、小于阈值摄像头亮度增加。
进一步地，所述检测模块具体操作步骤为：
步骤2.1、确定检测区域，检测区域是一个动态变化区域，根据上一帧检测结果进行调整；
步骤2.2、利用检测模型进行检测；
步骤2.3、如果检测模型检测到结果，则不进行校验，直接执行步骤2.6；否则执行步骤2.4；
步骤2.4、对图像进行裁剪；
步骤2.5、使用校验模型进行校验；
步骤2.6、输出检测结果。
进一步地，所述确定检测区域具体为：
步骤2.7、上一帧检测结果是空数据，执行步骤2.8，否则执行步骤2.9；
步骤2.8、检测区域与输入图像尺寸相等，执行步骤2.10；
步骤2.9、以上一帧数据检测位置为中心，对输入图像进行裁剪，裁剪范围不得超出输入图像尺寸；
步骤2.10、检测区域确认完成。
进一步地，所述转换模块具体操作步骤为：
步骤3.1、判断手势类型；
步骤3.2、手势类型是手掌，判断手掌位置；
步骤3.3、手掌位置转换成前、后、左、右、停止指令，执行步骤3.5；
步骤3.4、手势类型是拳头，转换成抓取指令；
步骤3.5、输出转换结果。
本发明还提出一种基于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统的整机改造方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、确定手势控制区域，确定摄像头位置；
步骤2、测量摄像头距离手势控制区域距离，按照安装参数调整摄像头位置，如果不能满足安装距离，更换摄像头镜头，使用短焦镜头或长焦镜头；
步骤3、安装单目手势控制后装系统所有组件，所述所有组件包括摄像头模块、USB延长线、模块主板和电源线及插头，摄像头模块安装在娃娃机上方、模块主板安装在娃娃机控制台内；
步骤4、连接USB延长线，连接电平输出线，连接电源线；
步骤5、对改造后的娃娃机进行测试。
本发明提出了用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统，该系统可在不更改娃娃机主板程序的前提下，通过增加配件实现手势控制。系统基于单目RGB摄像头进行开发，成本低，计算量少，不依赖摇杆娃娃机主板通信协议限制，解决通信协议问题。本发明还提出了与该系统对应的控制方法和整机改造方法，可对现有摇杆式娃娃机进行改造，减少整机的生产成本及运营成本，商家投入少量资金，即可享受到手势控制娃娃机带来的收益。由此可见，本发明提出的用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统及控制方法和整机改造方法，应用前景广阔。
附图说明
图1为单目手势控制后装系统硬件结构图；
图2为摄像头模块组成示意图；
图3为单目手势控制后装系统框图；
图4为图像获取流程图；
图5为亮度调节流程图；
图6为检测模块流程图；
图7为确认检测区域流程图；
图8为转换模块流程图；
图9为位置判断示意图；
图10为控制方法流程图；
图11为改造方法流程图；
图12为娃娃机结构图；
图13为测量与调整示意图。
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-图13，本发明提出一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统，所述系统包括图像采集模块、检测模块、转换模块和电平驱动模块；所述图像采集模块通过单目RGB摄像头采集图像，并进行图像预处理；所述检测模块通过图像采集模块输入图像，使用检测模型，计算出图像手势类型和坐标；所述转换模块用于将手势类型转换成相应的指令，输出前、后、左、右、停止和抓取指令；所述电平驱动模块通过输入的指令模拟机械摇杆向娃娃机主板发送高低电平信号。
本发明还提出一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统的控制方法，摇杆式娃娃机整机上电后单目手势控制后装系统与娃娃机主机相互独立运行，当主机接收到系统输出的电平信号时，天车执行相应命令，具体步骤为：
步骤1、上电后，单目手势控制后装系统开机运行，娃娃机主机开机运行；
步骤2、单目手势控制后装系统通过图像采集模块采集图像，并进行图像预处理；
步骤3、检测模块计算手势类型，输出检测结果；
步骤4、如检测模块未检测到手势，调节摄像头亮度；
步骤5、迭代执行步骤3及步骤4直至成功检测到手势；
步骤6、判断摄像头亮度调节次数是否达到预设次数，如未达到则进行摄像头亮度调节；
步骤7、转换模块获取手势类型和坐标，将检测到的手势类型转换成6种指令：前、后、左、右、停止、抓取；
步骤8、所述电平驱动模块收到指令后，模拟娃娃机机械摇杆向娃娃机主机发送指令对应的高低电平信号；
步骤9、娃娃机主机收到电平信号后，判断用户是否投币；如已投币，天车执行相应的电平信号，否则天车无响应。
所述图像采集模块包括图像获取单元和亮度调节单元，所述图像获取单元输出检测模块需要的图像，所述亮度调节单元根据图像自动设置摄像头亮度；
所述图像获取单元具体操作步骤为：
步骤1.1、单目RGB摄像头获取图像；
步骤1.2、图像按照给定参数进行图像缩放操作；
步骤1.3、图像按照给定参数进行图像旋转；
步骤1.4、图像按照给定参数进行裁剪；
所述亮度调节单元具体操作步骤为：
步骤1.5、根据检测模块检测结果判定调节区域，未检测到手势时执行步骤1.6，否则执行步骤1.7；
步骤1.6、将图像按照中心位置裁剪，执行步骤1.8；
步骤1.7、将图像按照检测到的手势中心进行裁剪；
步骤1.8、根据检测区域内明亮的像素与总像素比例进行判断，比例大于阈值执行步骤1.10，否则执行步骤1.9；
步骤1.9、大于阈值摄像头亮度减小；
步骤1.10、小于阈值摄像头亮度增加。
所述检测模块具体操作步骤为：
步骤2.1、确定检测区域，检测区域是一个动态变化区域，根据上一帧检测结果进行调整；
步骤2.2、利用检测模型进行检测；
步骤2.3、如果检测模型检测到结果，则不进行校验，直接执行步骤2.6；否则执行步骤2.4；
步骤2.4、对图像进行裁剪；
步骤2.5、使用校验模型进行校验；
步骤2.6、输出检测结果。
检测区域是一个动态变化的区域，第一次检测时检测区域大小与输入图像大小相等，当检测到手势时，下一次的检测区域缩小，并以上一帧检测到的手势为中心进行偏移。所述确定检测区域具体为：
步骤2.7、上一帧检测结果是空数据，执行步骤2.8，否则执行步骤2.9；
步骤2.8、检测区域与输入图像尺寸相等，执行步骤2.10；
步骤2.9、以上一帧数据检测位置为中心，对输入图像进行裁剪，裁剪范围不得超出输入图像尺寸；
步骤2.10、检测区域确认完成。
所述转换模块具体操作步骤为：
步骤3.1、判断手势类型；
步骤3.2、手势类型是手掌，判断手掌位置；
步骤3.3、手掌位置转换成前、后、左、右、停止指令，执行步骤3.5；位置判断，如图9所示位置示意图，将操作区域划分5个区域，每个区域对应相应的指令，判断手掌中心坐标属于哪个区域，转换成相应指令。
步骤3.4、手势类型是拳头，转换成抓取指令；
步骤3.5、输出转换结果。
电平驱动模块用于模拟机械摇杆向娃娃机主板发送电平信号，电平驱动模块有6种电平信号，分别与6种指令相对应。如表1所示：
表1电平信号与转换模块指令对应表
Figure BDA0002654685990000061
Figure BDA0002654685990000071
本发明还提出一种基于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统的整机改造方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、确定手势控制区域，确定摄像头位置；
步骤2、测量摄像头距离手势控制区域距离，按照安装参数调整摄像头位置，如果不能满足安装距离，更换摄像头镜头，使用短焦镜头或长焦镜头；
步骤3、安装单目手势控制后装系统所有组件，所述所有组件包括摄像头模块、USB延长线、模块主板和电源线及插头，摄像头模块安装在娃娃机上方、模块主板安装在娃娃机控制台内；
摄像头模块：摄像头模块由RGB单目摄像头与摄像头固定架组成，固定架如图1所示安装在娃娃机上方，固定架外观如图2所示，有两个固位螺孔，一个摄像头镜头孔。
USB延长线：USB延长线起到连接作用，摄像头模块与模块主板在安装过程中有一定距离，需要使用USB延长线。
模块主板：模块主板由低端嵌入式板和电平驱动板组成，提供电源孔、USB端口、电平输出端口。
电源线及插头：系统提供外接电源插头，如果娃娃机电源适配器提供与系统参数相同的电源端口，可将系统电源与娃娃机电源适配器进行连接。
步骤4、连接USB延长线，连接电平输出线，连接电源线；
步骤5、对改造后的娃娃机按照操作说明进行测试。
本发明提出的整机改造方法是基于摇杆式娃娃机进行改造，通过添加单目手势后装系统，替换娃娃机摇杆，利用手势控制娃娃机天车进行运动，整个改造过程需要确定单目手势控制后装系统中RGB摄像头安装位置、模块主板安装位置、确定手势控制区域、电平信号线连接方法、以及调试方法。
改造后娃娃机使用方法：投币后进行如下3步操作：
步骤1、人站在娃娃机前，手掌张开，手掌中指距离娃娃机大约20cm左右；
步骤2、手掌向前移动天车向前运动，手掌向后移动天车后移，手掌向左移动天车左移，手掌向右移动天车右移，手掌停在中心，天车停止运动；
步骤3、握拳天车执行抓取动作，本轮游戏结束。
实施例
摇杆式娃娃机结构
摇杆式娃娃机外观如图12所示，主要部件有天车、控制台、电源箱，控制台包括：摇杆、抓取按钮、系统板、投币器。具体部件列表如表2所示：
表2摇杆式娃娃机部件列表
Figure BDA0002654685990000081
安装步骤
1、确定位置
如图12选取位置1来固定摄像头模块，在娃娃机操作杆位置确定手势控制区域。
2、测量与调整
测量摄像头距离控制面板距离为80cm，检测距离范围为50-130cm，如果距离不合适适当调整摄像头位置，如果无法调整合适范围，将摄像头镜头更换短焦或长焦镜头。
3、安装模块
摄像头固定在选取好的位置，固定前确认方向是否正确。在娃娃机控制台内固定手势检测模块主板。
4、连线
将USB延长线与摄像头连接，另一端沿娃娃机框架进行顺延到控制台内，与模块主板进行连接，手势控制模块主板电平输出线与娃娃机摇杆电平输出线进行连接。
5、测试
通电按照操作说明控制娃娃机，确定操作区域是否合理，不合理可对摄像头安装位置再次进行调整。
以上对本发明所提供的一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统、控制方法及改造方法，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)

1.一种用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统，其特征在于：所述系统包括图像采集模块、检测模块、转换模块和电平驱动模块；所述图像采集模块通过单目RGB摄像头采集图像，并进行图像预处理；所述检测模块通过图像采集模块输入图像，使用检测模型，计算出图像手势类型和坐标；所述转换模块用于将手势类型转换成相应的指令，输出前、后、左、右、停止和抓取指令；所述电平驱动模块通过输入的指令模拟机械摇杆向娃娃机主板发送高低电平信号。
2.一种如权利要求1所述的用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统的控制方法，其特征在于：摇杆式娃娃机整机上电后单目手势控制后装系统与娃娃机主机相互独立运行，当主机接收到系统输出的电平信号时，天车执行相应命令，具体步骤为：
步骤1、上电后，单目手势控制后装系统开机运行，娃娃机主机开机运行；
步骤2、单目手势控制后装系统通过图像采集模块采集图像，并进行图像预处理；
步骤3、检测模块计算手势类型，输出检测结果；
步骤4、如检测模块未检测到手势，调节摄像头亮度；
步骤5、迭代执行步骤3及步骤4直至成功检测到手势；
步骤6、判断摄像头亮度调节次数是否达到预设次数，如未达到则进行摄像头亮度调节；
步骤7、转换模块获取手势类型和坐标，将检测到的手势类型转换成6种指令：前、后、左、右、停止、抓取；
步骤8、所述电平驱动模块收到指令后，模拟娃娃机机械摇杆向娃娃机主机发送指令对应的高低电平信号；
步骤9、娃娃机主机收到电平信号后，判断用户是否投币；如已投币，天车执行相应的电平信号，否则天车无响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述图像采集模块包括图像获取单元和亮度调节单元，所述图像获取单元输出检测模块需要的图像，所述亮度调节单元根据图像自动设置摄像头亮度；
所述图像获取单元具体操作步骤为：
步骤1.1、单目RGB摄像头获取图像；
步骤1.2、图像按照给定参数进行图像缩放操作；
步骤1.3、图像按照给定参数进行图像旋转；
步骤1.4、图像按照给定参数进行裁剪；
所述亮度调节单元具体操作步骤为：
步骤1.5、根据检测模块检测结果判定调节区域，未检测到手势时执行步骤1.6，否则执行步骤1.7；
步骤1.6、将图像按照中心位置裁剪，执行步骤1.8；
步骤1.7、将图像按照检测到的手势中心进行裁剪；
步骤1.8、根据检测区域内明亮的像素与总像素比例进行判断，比例大于阈值执行步骤1.10，否则执行步骤1.9；
步骤1.9、大于阈值摄像头亮度减小；
步骤1.10、小于阈值摄像头亮度增加。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述检测模块具体操作步骤为：
步骤2.1、确定检测区域，检测区域是一个动态变化区域，根据上一帧检测结果进行调整；
步骤2.2、利用检测模型进行检测；
步骤2.3、如果检测模型检测到结果，则不进行校验，直接执行步骤2.6；否则执行步骤2.4；
步骤2.4、对图像进行裁剪；
步骤2.5、使用校验模型进行校验；
步骤2.6、输出检测结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述确定检测区域具体为：
步骤2.7、上一帧检测结果是空数据，执行步骤2.8，否则执行步骤2.9；
步骤2.8、检测区域与输入图像尺寸相等，执行步骤2.10；
步骤2.9、以上一帧数据检测位置为中心，对输入图像进行裁剪，裁剪范围不得超出输入图像尺寸；
步骤2.10、检测区域确认完成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述转换模块具体操作步骤为：
步骤3.1、判断手势类型；
步骤3.2、手势类型是手掌，判断手掌位置；
步骤3.3、手掌位置转换成前、后、左、右、停止指令，执行步骤3.5；
步骤3.4、手势类型是拳头，转换成抓取指令；
步骤3.5、输出转换结果。
7.一种基于权利要求1所述的用于摇杆式娃娃机的单目手势控制后装系统的整机改造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、确定手势控制区域，确定摄像头位置；
步骤2、测量摄像头距离手势控制区域距离，按照安装参数调整摄像头位置，如果不能满足安装距离，更换摄像头镜头，使用短焦镜头或长焦镜头；
步骤3、安装单目手势控制后装系统所有组件，所述所有组件包括摄像头模块、USB延长线、模块主板和电源线及插头，摄像头模块安装在娃娃机上方、模块主板安装在娃娃机控制台内；
步骤4、连接USB延长线，连接电平输出线，连接电源线；
步骤5、对改造后的娃娃机进行测试。
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