手寫(xiě)識(shí)別器的設(shè)計(jì)與制作

余彥超 李紹翔 張開(kāi)軒 彭聞萍 李翠梅

摘? 要：隨著科技時(shí)代的到來(lái)，移動(dòng)信息類(lèi)的產(chǎn)品愈發(fā)追求方便快捷的用戶(hù)體驗(yàn)。手寫(xiě)識(shí)別技術(shù)正是在這種時(shí)代潮流的推動(dòng)下得到了發(fā)展，并且得到了大規(guī)模的應(yīng)用。文章闡述了一款以STM32F407ZET6為單片機(jī)控制芯片、并且采用了TFT-LCD顯示屏的手寫(xiě)識(shí)別器的設(shè)計(jì)過(guò)程，分別從硬件和軟件這兩個(gè)方面展開(kāi)了介紹。

關(guān)鍵詞：STM32F407ZET6芯片;手寫(xiě)識(shí)別;TFT-LCD顯示屏

Abstract： With the advent of the age of technology， mobile information products are increasingly pursuing convenient and efficient user experiences. Handwriting recognition technology was developed under the impetus of this trend of the times and has been applied on a large scale. This article describes a handwriting recognizer designed with STM32F407ZET6 as the Single chip microcomputer and using a TFT-LCD display screen. The following are described in terms of hardware and software.

手寫(xiě)輸入與傳統(tǒng)的輸入法輸入相比，有著明顯且無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)——方便和快捷，并且避免了體積龐大的鍵盤(pán)設(shè)備，讓用戶(hù)有著更加順暢的體驗(yàn)。手寫(xiě)識(shí)別可以應(yīng)用在多種智能移動(dòng)客戶(hù)終端上，其廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為其提供了大量的用戶(hù)需求。我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的手寫(xiě)識(shí)別裝置針對(duì)數(shù)字和字母方面的識(shí)別做到高精度識(shí)別，以準(zhǔn)確和高效增進(jìn)用戶(hù)體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選擇一種好的處理器芯片對(duì)于手寫(xiě)識(shí)別器的性能而言至關(guān)重要，但在考慮性能的同時(shí)，成本價(jià)格亦不能忽視， STM32F407ZET6這款高性能、低成本的芯片正好符合設(shè)計(jì)要求。用戶(hù)在TFT-LCD屏上進(jìn)行手寫(xiě)輸入，處理器捕獲到有序輸入軌跡后，將其進(jìn)行LDA降維運(yùn)算，進(jìn)行八方向特征提取，最終獲得的樣本與模板庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，可以得到最終的識(shí)別結(jié)果顯示在TFT-LCD屏上面，并且提供出候選字符以供參考。對(duì)于一款識(shí)別器而言，識(shí)別精確度永遠(yuǎn)是第一性能指標(biāo)，為了提高識(shí)別準(zhǔn)確度，我們將所要識(shí)別的字符分為三類(lèi)：大寫(xiě)英文字母、小寫(xiě)英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字，產(chǎn)品可以切換識(shí)別模式來(lái)分別對(duì)所對(duì)應(yīng)的類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別，以提高識(shí)別準(zhǔn)確度。同時(shí)產(chǎn)品留有較大的輸入?yún)^(qū)域，讓使用者有著更為舒適的手寫(xiě)體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，硬件方面主要包含處理器芯片，TFT-LCD屏和SPI FLASH芯片。處理器是各外設(shè)的心臟，控制外設(shè)工作。TFTLCD屏可以進(jìn)行觸摸輸入，進(jìn)行有序軌跡捕獲。

2.1 芯片型號(hào)

本產(chǎn)品使用了STM32F407ZET6作為單片機(jī)控制芯片，該芯片采用ARM Cortex? -M4內(nèi)核架構(gòu)，時(shí)鐘高達(dá)168MHz，集成大容量閃存和隨機(jī)靜態(tài)存儲(chǔ)器，可用于儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。同時(shí)有著眾多IO口以及AD/DA等豐富的外設(shè)資源。

2.2 TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）顯示屏

本產(chǎn)品由于需要進(jìn)行手寫(xiě)輸入，所以需要帶觸摸功能的LCD屏。這種TFT-LCD屏幕顯示質(zhì)量高而且低功耗、具有觸摸功能，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要。隨著其制造技術(shù)的成熟，許多用戶(hù)也開(kāi)始習(xí)慣使用這種高品質(zhì)的屏幕。TFT-LCD既能符合產(chǎn)品要求，又深受用戶(hù)喜愛(ài)，所以本產(chǎn)品采用了較大的4.3寸TFT-LCD屏幕，給用戶(hù)帶來(lái)更舒適的觸感體驗(yàn)。

2.3 SPI FLASH芯片

32M字節(jié)容量的W25Q256，滿(mǎn)足存放數(shù)據(jù)的需求， 能夠用來(lái)寄存字符數(shù)據(jù)、啟動(dòng)文件等核心數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分為兩個(gè)部分，第一部分為PC端進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)建立識(shí)別庫(kù)文件，提供給識(shí)別器使用;第二個(gè)部分是控制器端編程控制各個(gè)外圍設(shè)備之間的工作。

3.1 識(shí)別庫(kù)文件的設(shè)計(jì)

完成識(shí)別工作的第一步就是需要事先建立一個(gè)大數(shù)據(jù)庫(kù)，這就需要采集大量樣本數(shù)據(jù)，此時(shí)我們輸入大量阿拉伯?dāng)?shù)字和英文字母給機(jī)器學(xué)習(xí)，并且使用八方向特征提取的方法對(duì)這些樣本提取特征，由于此過(guò)程數(shù)據(jù)量龐大，STM32存儲(chǔ)器容量難以承受，所以還要進(jìn)行LDA線性判決分析以達(dá)到降維使得數(shù)據(jù)量減小的目的。然后對(duì)于分類(lèi)器的設(shè)計(jì)，我們采用了對(duì)樣本數(shù)據(jù)求均值的方法，以得到最小誤差。整個(gè)識(shí)別的計(jì)算過(guò)程就是在訓(xùn)練樣本模板的過(guò)程中經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到一個(gè)512維的數(shù)據(jù)矩陣，那么我們通過(guò)矩陣運(yùn)算就可以得到需要的 64 維特征值。如下所示：

將得到的數(shù)據(jù)集建立.lib庫(kù)文件作為模板數(shù)據(jù)集并且導(dǎo)入項(xiàng)目中。

我們將捕獲到的運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)化為64維的特征值后，與模板數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，誤差最小的即為最終識(shí)別結(jié)果，當(dāng)然也可以留有候選字符，一并輸出顯示在屏幕上。

3.2 控制器端編程設(shè)計(jì)

軟件編程設(shè)計(jì)環(huán)境是Keil uvision5 MDK，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。本項(xiàng)目分任務(wù)進(jìn)行。

（1）按鍵任務(wù)

本任務(wù)通過(guò)按鍵掃描，獲得按鍵值，執(zhí)行不同的分任務(wù)。每個(gè)分任務(wù)對(duì)應(yīng)一種類(lèi)型字符的識(shí)別工作，這樣有利于提高識(shí)別器對(duì)不同種類(lèi)字符的識(shí)別效率。

（2）TFT-LCD任務(wù)

初始化硬件層后，建立一個(gè)畫(huà)線函數(shù)，劃出一片手寫(xiě)區(qū)域供用戶(hù)手寫(xiě)輸入。同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)LCD屏上的UI界面，并設(shè)置其顏色和字體大小。

（3）FTAFS文件系統(tǒng)管理任務(wù)

此任務(wù)目的是實(shí)現(xiàn)文件調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)SPI FLASH的管理。

（4）識(shí)別任務(wù)

獲取輸入軌跡的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，在所建立的識(shí)別庫(kù)中進(jìn)行匹配識(shí)別，算法求出最小誤差后輸出得到所對(duì)應(yīng)的識(shí)別結(jié)果，并保留候選字符選項(xiàng)，將整個(gè)識(shí)別結(jié)果送給LCD顯示屏顯示。

（5）LED控制任務(wù)

通過(guò)每隔一段時(shí)間指示燈電平翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)指示燈閃爍，提示系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于ARM Cortex? -M4內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的手寫(xiě)識(shí)別器的設(shè)計(jì)方法，該手寫(xiě)識(shí)別器采用電容式觸摸屏，用戶(hù)可以在輸入界面進(jìn)行手寫(xiě)輸入，通過(guò)算法優(yōu)化識(shí)別速度和識(shí)別效率，給用戶(hù)很好的體驗(yàn);本設(shè)計(jì)以成本的角度采用STM32F407ZET6這款高性能、低功耗的單片機(jī)芯片，同時(shí)使用了4.3寸大屏幕優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn)，用戶(hù)書(shū)寫(xiě)起來(lái)更加流暢順手。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂國(guó)英，李茹，王文劍，等.算法設(shè)計(jì)與分析（第三版）[M].清華大學(xué)出版社，2015.

[2]沈紅衛(wèi)，任沙浦，朱敏杰，等.STM32單片機(jī)應(yīng)用與全案例實(shí)踐[M].電子工業(yè)出版社，2017.

[3]殷志堅(jiān)，劉玉瑩，詹華群，等.電子技能訓(xùn)練[M].中南大學(xué)出版社，2013.