一種簡易手勢識別裝置

翟朋輝 王靜怡

摘 要：本文從不同角度對手勢識別技術(shù)進(jìn)行分類概述，并針對現(xiàn)有的手勢識別裝置應(yīng)用范圍狹窄的問題，擬以設(shè)計(jì)一種以微控制器為核心的簡易手勢識別裝置。該裝置包括智能控制模塊、電容傳感器模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊。本項(xiàng)目具有智能切換訓(xùn)練模式與識別模式、智能顯示、智能檢測和低成本等優(yōu)點(diǎn)，提高了手勢識別裝置應(yīng)用到更多領(lǐng)域的可能性，具有良好的應(yīng)用發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：手勢識別；電容式傳感；人機(jī)交互

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.135

手勢作為人與人日常交流中不可或缺的一部分，它簡單、直觀，在很多時(shí)候起著語言無法替代的作用。在高新科技迅猛發(fā)展的今天，人們渴望著人與機(jī)器也能像人與人一樣交流自如，手勢識別作為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)重要組成，成為了一個(gè)越來越重要的研究熱點(diǎn)。

1 手勢識別概述

手勢識別技術(shù)是一種新型的人機(jī)交互技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)識別人的各種手勢并反饋給計(jì)算機(jī)使其做出應(yīng)答。本文依據(jù)手勢表觀特征及采用的硬件設(shè)備和方法，從兩個(gè)角度對手勢識別技術(shù)進(jìn)行分類概述。

1.1 依據(jù)手勢表觀特征

手勢有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分，手勢識別則可相應(yīng)地劃分為靜態(tài)手勢識別和動(dòng)態(tài)手勢識別。靜態(tài)手勢即一個(gè)靜止的肢體動(dòng)作，而動(dòng)態(tài)手勢通常由一系列連續(xù)的肢體動(dòng)作構(gòu)成。由于動(dòng)態(tài)手勢的處理要涉及到空間軌跡、采樣頻率等諸多問題，因此其采樣難度和復(fù)雜性都比靜態(tài)手勢識別高出很多。

目前研究比較火熱的手勢識別方法諸如基于深度圖像的手勢識別，即把手勢與背景分離開以便提取手勢特征，彌補(bǔ)了基于彩色圖像手勢識別易受環(huán)境干擾的缺點(diǎn)。考慮到動(dòng)態(tài)手勢識別的相對復(fù)雜性，通常采取提取動(dòng)態(tài)手勢質(zhì)心位置的做法，但識別準(zhǔn)確性不高。因此，在此基礎(chǔ)上研究學(xué)者又提出基于深度圖像的手勢形狀輪廓Hu不變矩特征提取方法[1]并收到了較好的效果。在完成數(shù)據(jù)采樣之后，就可以基于采集到的大量數(shù)據(jù)并針對選取的特征訓(xùn)練相應(yīng)的模型完成手勢識別。

1.2 依據(jù)采用的硬件設(shè)備和方法

根據(jù)手勢識別技術(shù)采用的硬件設(shè)備和方法，手勢識別可分為基于視覺傳感器的手勢識別和基于可穿戴傳感器的手勢識別。手勢識別技術(shù)在發(fā)展初期主要依靠一種數(shù)據(jù)手套，利用手套上的各種高精度傳感器來獲取手勢，但由于制作成本太高，光學(xué)標(biāo)記方法應(yīng)運(yùn)而生并逐步取代了數(shù)據(jù)手套。光學(xué)標(biāo)記方法的出現(xiàn)使得手勢識別的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都得到了一定程度的提升，但依舊存在著一個(gè)問題：這些手勢識別裝置都需要在手上佩戴設(shè)備，人與機(jī)器自由交互依舊不能完全實(shí)現(xiàn)。在圖像處理發(fā)展的推動(dòng)下，又產(chǎn)生了基于視覺的手勢識別技術(shù)并成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；谝曈X的手勢識別技術(shù)主要可以分為三個(gè)步驟，第一，手勢分割，即從簡單或復(fù)雜的背景中提取出人手區(qū)域；第二，手勢分析，即提取出人手的有效特征；第三，手勢識別，利用圖像處理的一些方法識別手勢代表的含義[2]。

2 簡易手勢識別裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置硬件模塊主要包括：智能控制模塊、電容傳感器模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊四部分。

2.1 電容傳感器模塊

電容傳感器模塊由FDC2214電容檢測傳感器及其外圍電路構(gòu)成，通過手覆蓋面積的改變引起電容值改變，進(jìn)而改變LC諧振頻率，通過單片機(jī)定時(shí)器分頻采樣間接計(jì)算電容值的變化，實(shí)現(xiàn)手勢識別功能。

2.2 智能控制模塊

智能控制模塊主要由微控制器MCU及最小系統(tǒng)組成，該模塊負(fù)責(zé)采集從電容傳感器模塊接收到的數(shù)據(jù)并通過算法對事先存儲的各種手勢樣本進(jìn)行匹配。

2.3 鍵盤輸入模塊

鍵盤輸入模塊由矩陣鍵盤及其外圍電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)裝置識別模式與訓(xùn)練模式的切換功能。

2.4 顯示模塊

顯示模塊主要由LED顯示屏構(gòu)成，該模塊用于識別結(jié)果的顯示。

3 簡易手勢識別裝置系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

裝置初始化后，通過鍵盤輸入模塊進(jìn)行訓(xùn)練模式與識別模式的選擇。在訓(xùn)練模式下手勢錄入，在識別模式下手勢進(jìn)入。通過手覆蓋面積的改變引起電容值的改變，進(jìn)而改變LC諧振頻率，經(jīng)智能控制模塊處理后進(jìn)行手勢判斷并經(jīng)顯示屏顯示。簡易手勢識別裝置系統(tǒng)工作框圖如圖1所示：

4 簡易手勢識別裝置特點(diǎn)

本裝置實(shí)現(xiàn)了簡易手勢識別功能，可以進(jìn)行訓(xùn)練模式與識別模式的切換，提高了運(yùn)用的靈活性，LED顯示屏顯示了手勢識別的結(jié)果。值得注意的是，受手勢識別技術(shù)研究進(jìn)展及高成本的約束，現(xiàn)今市場上的手勢識別裝置多用于無人機(jī)操控、智能機(jī)器人及虛擬現(xiàn)實(shí)等高端領(lǐng)域[3]，應(yīng)用范圍單一。而本裝置具有成本低廉，使用靈活的特點(diǎn)，可以考慮在庫房安全管理、養(yǎng)老助老等日常生活領(lǐng)域推廣，具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

在高新技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，人機(jī)交互正日益成為研究熱點(diǎn)，手勢識別技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)重要組成也受到了越來越多的關(guān)注。本文從不同角度對手勢識別技術(shù)進(jìn)行分類概述，并針對現(xiàn)有的手勢識別裝置應(yīng)用范圍狹窄的問題，擬以設(shè)計(jì)一種以微控制器為核心的簡易手勢識別裝置，旨在提高手勢識別裝置應(yīng)用到更多領(lǐng)域的可能性，具有較好的應(yīng)用發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭理仁.動(dòng)靜態(tài)手勢驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手協(xié)同控制研究[D].浙江大學(xué)，

2018.

[2]鄭海彬.手勢識別及其應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016.

[3]袁博，查晨東.手勢識別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（32）：95-96.