動態(tài)手勢識別系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鐘 靜，盧洪斌

(百色學院，廣西 百色 533000)

0 引言

手勢識別在交通、醫(yī)療、游戲等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的研究，如手勢識別可用于自動駕駛檢測交警手勢，國內(nèi)外一些車型已具備手勢識別的基本功能。醫(yī)療儀器引入手勢識別可以減少醫(yī)務(wù)人員日常工作中病毒交叉感染的風險。在無線設(shè)備操控、智能家居、手語翻譯、VR游戲等方面手勢識別也有廣闊的應(yīng)用空間[1]。

手勢識別與傳統(tǒng)的鼠標、鍵盤輸入相比，手勢操作相對方便快捷，可應(yīng)用在機械手控制、智能家居、手機、機器人、AR/VR電子設(shè)備、互動娛樂等交互應(yīng)用中[2,3]。手勢識別只需要使用者通過手勢動作，就可以表達豐富的含義，如在支持手勢動作識別的游戲中，玩家可以直接通過身體及手臂的擺動去操控游戲中的角色，而不需要記住特定按鍵所代表的含義，大大提高了玩家的速度，帶給玩家身臨其境的體驗[4]。手勢識別系統(tǒng)還具有安裝方便、快捷的優(yōu)點，一般只需要單一的攝像頭或少量的元器件就可以完成數(shù)據(jù)的收集和信息的反饋[5]。

本文設(shè)計的動態(tài)手勢識別系統(tǒng)具有手勢識別、接近檢測、猜拳游戲和手勢操控四種功能，是一種可用于廣泛領(lǐng)域的基本手勢識別裝置。

1 動態(tài)手勢識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計

動態(tài)手勢識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由單片機、手勢識別傳感器模塊、LED模塊、繼電器模塊、串口電容觸摸屏組成。單片機通過IIC協(xié)議接收手勢識別模塊傳輸?shù)男畔ⅲ言撔畔⑦M行處理后，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口屏幕；手勢識別模塊通過IIC協(xié)議可與主控進行通信，本文采用的ATK-PAJ7620手勢識別模塊是一種光學數(shù)組式傳感器，可以對檢測距離內(nèi)的物體檢測體積與亮度，且自帶九種動態(tài)手勢識別功能；LED模塊用于手勢操控模式下對用戶的手勢做出反應(yīng)；繼電器控制模塊有五路繼電器構(gòu)成，用于手勢操控模式下，當用戶做出手勢時相對應(yīng)的那一路繼電器會執(zhí)行通斷的指令；串口屏幕模塊用于用戶進入相應(yīng)模式的界面。

圖1 動態(tài)手勢識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

ATK-PAJ7620模塊作為人機交互的主要功能模塊，承擔著手勢識別采集到數(shù)據(jù)的識別、分析與數(shù)據(jù)存儲等過程，并將檢測數(shù)據(jù)傳輸給單片機的功能[6]。

系統(tǒng)的主控選用STM32F103ZET6芯片，它通過IIC通信接收手勢識別模塊的信號，然后通過串口通信在串口屏幕上顯示，芯片的PF4～PF7端口控制著4路LED和繼電器。IIC通信使用到的端口為PB11(SDA數(shù)據(jù)線)和PB10(SCL時鐘線)，串口通信使用到的端口為PA10(RX)和PA9(TX)。圖2為單片機主控電路圖。

圖2 單片機主控電路圖

PAJ7620模塊包含有電源處理電路、傳感器陣列、目標檢測模塊、手勢識別模塊與紅外LED等功能電路，通過IIC接口與主控芯片通信。傳感器陣列檢測到物體時，目標檢測模塊對檢測到的物體讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)保存在寄存器中，同時手勢識別模塊也會對數(shù)據(jù)進行處理并把數(shù)據(jù)存儲到寄存器中，用戶可通過IIC把寄存器內(nèi)需要的數(shù)據(jù)讀取出來，即可得到手勢數(shù)據(jù)。

2 動態(tài)手勢識別系統(tǒng)的測試

本系統(tǒng)有四個模式：手勢識別模式、接近檢測模式、猜拳游戲模式、手勢控制模式。手勢識別模式可對用戶的“向前”、“向后”、“向上”、“向下”、“向左”、“向右”、“順時針”、“逆時針”、“揮動”九種動態(tài)手勢做出判別；接近檢測模式可對靠近傳感器的物體做出亮度、體積的識別并進行數(shù)據(jù)顯示，其中亮度顯示最大值為255，體積顯示最大值為900，亮度與體積的步進值均為1；猜拳游戲模式可對用戶的石頭、剪刀、布三種手勢進行數(shù)據(jù)錄入和判斷；手勢操控模式可對上、下、左、右進行識別，用上、下手勢來控制燈亮的位置，用左、右手勢來控制燈的亮滅。圖3為動態(tài)手勢識別系統(tǒng)的串口屏幕顯示的模式選擇界面。

圖3 模式選擇界面

圖4為猜拳游戲模式界面。本文所設(shè)計的動態(tài)手勢識別系統(tǒng)的四個模式的所有功能均通過了測試。

圖4 猜拳游戲模式界面

3 總結(jié)

本文設(shè)計的動態(tài)手勢識別系統(tǒng)具有手勢識別、接近檢測、猜拳游戲和手勢操控四種功能。系統(tǒng)采用STM32F103ZET6主控芯片和 ATK-PAJ7620手勢識別模塊，系統(tǒng)具有運行可靠、響應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點，適合于采用交互式新型輸入應(yīng)用的設(shè)備與系統(tǒng)。