基于嵌入式系統(tǒng)手勢(shì)識(shí)別的設(shè)計(jì)

張瑜 王世東 馬藝珊 黃嬡

當(dāng)前許多科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是如何使人機(jī)交互變得更加方便高效、操作簡單。在人機(jī)交互領(lǐng)域中，手勢(shì)識(shí)別技術(shù)是關(guān)鍵性技術(shù)之一，隨著科技的日益更新，它也跟隨著科技的發(fā)展而發(fā)展，一直在保持著變化。

當(dāng)前，手勢(shì)識(shí)別技術(shù)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于虛擬環(huán)境、自動(dòng)捕捉以及多媒體用戶界面等諸多領(lǐng)域，起到了很好的效果。隨著社會(huì)的發(fā)展，各種產(chǎn)品都愈加重視用戶體驗(yàn)，手勢(shì)識(shí)別可以帶給人們更好的體驗(yàn)，因此獲得了廣泛的應(yīng)用?；趥鞲衅骷铀儆布氖謩?shì)識(shí)別技術(shù)是一種常用的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，但是具有價(jià)格昂貴以及可能會(huì)影響人體健康等問題，因此一種更加簡單、造價(jià)低、對(duì)人體沒影響的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)成為研究的重點(diǎn)。離線人機(jī)交互可以滿足這一需求，基于視覺的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)不需要應(yīng)用中間媒體，通過手勢(shì)就可以和機(jī)器進(jìn)行直接的交流，不需要外界設(shè)備使其應(yīng)用非常高效、方便，可以給用戶帶來非常好的使用體驗(yàn)。

手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)具有多樣化的應(yīng)用場景，有些是動(dòng)態(tài)的、有些是靜態(tài)的。但目前大多應(yīng)用是都是靜態(tài)，因?yàn)楫?dāng)前動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)還存在一些問題，需要加強(qiáng)研究。

手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)方面采用嵌入式平臺(tái)，具有簡單、體積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以降低手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的成本，提高便攜性。

手勢(shì)識(shí)別過程如下：通過攝影機(jī)采集各種圖像，同時(shí)還要對(duì)采集的圖像進(jìn)行提前加工，采集手勢(shì)圖像的特征信息，然后將提取到的信息和手勢(shì)模板庫進(jìn)行配對(duì)，確定手勢(shì)的編號(hào)和意義。

V4L2接口

V4L是系統(tǒng)內(nèi)核中和飾品設(shè)備有關(guān)的子系統(tǒng)，能夠?yàn)長inux下的視頻驅(qū)動(dòng)提供接口，通過應(yīng)用這一接口，可使應(yīng)用程序通過統(tǒng)一的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)備的操控，降低視頻系統(tǒng)開發(fā)難度，使維護(hù)更加便捷。早期V4L功能不完全、漏洞多，因此進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)除了Video for Linux 2（V4L2），現(xiàn)在有Linux2.5.X版本。

圖像預(yù)處理

手勢(shì)圖像去噪

在進(jìn)行動(dòng)作視頻的收集時(shí)，系統(tǒng)可能是移動(dòng)的，因此獲得的手勢(shì)圖像不可避免地會(huì)受到干擾，包括外部環(huán)境光強(qiáng)度的變化和相機(jī)抖動(dòng)，會(huì)造成獲取的對(duì)象和信息庫中的圖像存在差異，因此需要對(duì)收集到的手勢(shì)圖像進(jìn)行降噪處理，從而更加準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別，提高圖像識(shí)別率。圖像中相鄰像素的灰度值具有較高的相關(guān)性，如果圖像是順滑和自然的，像素相關(guān)性越高，反之，則像素相關(guān)性越低?；谶@一原理，采用加權(quán)平均值濾波的方式，能夠很好地實(shí)現(xiàn)手勢(shì)圖像的降噪。

圖像閾值分割

在獲取的視頻流圖中，需要采集的手勢(shì)目標(biāo)灰度值與當(dāng)前背景的灰度值之間有明顯差異，因此一般要應(yīng)用閾值分割等算法對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行處理。實(shí)際處理過程中，在手勢(shì)目標(biāo)與圖像背景之間通常會(huì)存在一個(gè)或多個(gè)分割閾值，為了獲得更加清晰的手勢(shì)目標(biāo)區(qū)域圖像，需要應(yīng)用多個(gè)閾值元素來進(jìn)行處理，在獲取完整手勢(shì)信息的前提下，最大程度上抑制噪聲。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)軟硬件環(huán)境

本文設(shè)計(jì)的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)選擇Ubuntu系統(tǒng)，采用QTOPIA 2.2.0進(jìn)行圖形界面開發(fā)，應(yīng)用OpenCV2.4.3作為圖像識(shí)別輔助工具。

ARM開發(fā)板為手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的基本開發(fā)環(huán)境，64 mm×85 mm液晶觸摸屏采用USB2.0接口的攝像頭。

基于V4L2的視頻采集

V4L2是對(duì)V4L的重新設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上相當(dāng)于是一個(gè)全新的編程接口。V4L2采集視頻數(shù)據(jù)的過程如下：

系統(tǒng)開啟后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，啟動(dòng)視頻設(shè)備，并查詢視頻設(shè)備功能，進(jìn)行視頻格式和窗口大小的設(shè)置。完成之后申請(qǐng)內(nèi)存緩沖區(qū)，查詢?cè)O(shè)備緩沖區(qū)大小和偏移地址，建立內(nèi)存映射，然后向隊(duì)列添加緩沖區(qū)。之后，開始進(jìn)行視頻采集，獲取采集圖像，進(jìn)行視頻圖像的讀取和存儲(chǔ)，然后釋放內(nèi)存。最后，關(guān)閉視頻設(shè)備，結(jié)束視頻采集。

手勢(shì)識(shí)別實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過訓(xùn)練之后的10種手勢(shì)模板及改進(jìn)后Canny算子可以得到清晰的手勢(shì)輪廓圖像。

當(dāng)前，手勢(shì)識(shí)別技術(shù)在PC端已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，但這種技術(shù)的問題是實(shí)用性和便攜性差。通過應(yīng)用USB攝像頭來采集視頻信息，提取和識(shí)別視頻流中的手勢(shì)，能夠提高這一技術(shù)的便攜性和實(shí)用性，為應(yīng)用手勢(shì)進(jìn)行人機(jī)交互控制奠定基礎(chǔ)。本文進(jìn)行了在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別的設(shè)計(jì)，通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。