基于手勢(shì)識(shí)別的視力檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周星雨 袁堯鑫 唐亮

關(guān)鍵詞：手勢(shì)識(shí)別；PAJ7602；STC89C51單片機(jī)；視力檢測(cè)；人工智能

隨著各類電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，極大程度上提高了人們生活的便捷度，但同時(shí)兒童及青少年存在因沉迷手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品導(dǎo)致視力下降的現(xiàn)象，定期進(jìn)行視力檢測(cè)，監(jiān)測(cè)視力變化，極大可能地預(yù)防近視的發(fā)生。目前視力檢測(cè)通常需要在專門(mén)機(jī)構(gòu)的醫(yī)師輔助下完成，過(guò)程煩瑣、效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能自助式體驗(yàn)。伴隨人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等名詞出現(xiàn)在人們的視野[1-2]，將基于機(jī)器學(xué)習(xí)的手勢(shì)識(shí)別交互系統(tǒng)應(yīng)用于視力檢測(cè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)智能自助式視力檢測(cè)，提高檢測(cè)的效率。

近年來(lái)，手勢(shì)識(shí)別主要有基于機(jī)器視覺(jué)、超聲波探測(cè)和MEMS慣性傳感器三種實(shí)現(xiàn)方式。2020年陳振爍等人[3]設(shè)計(jì)一款基于FPGA的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，采用開(kāi)發(fā)板和視頻圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像采集、處理、手勢(shì)抓取和識(shí)別等功能；謝新等人[4] 設(shè)計(jì)一款基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)，利用MPU6050傳感器進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別后傳輸至單片機(jī)，從而控制相應(yīng)的家居設(shè)備；2021 年李昌鋒等人[5]采用SVM 算法進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別，用于自助判斷視力檢測(cè)中的手勢(shì)方向；2022年任雁等人[6]運(yùn)用多種數(shù)字算法，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行手勢(shì)視覺(jué)，用于銀行自助取款機(jī)安防機(jī)器人。本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一款可根據(jù)特殊手勢(shì)命令的輸出，實(shí)現(xiàn)非接觸式人機(jī)交互進(jìn)行自助式視力檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

視力檢測(cè)系統(tǒng)包括單片機(jī)主控板、手勢(shì)識(shí)別模塊和顯示模塊等[7]。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

建立手勢(shì)識(shí)別樣本庫(kù)，將視力測(cè)試的圖標(biāo)與“上下左右”四個(gè)方向進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。單片機(jī)是整個(gè)交互系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制手勢(shì)識(shí)別的全流程。利用手勢(shì)識(shí)別模塊PAJ7620U2芯片采集視力檢測(cè)手勢(shì)姿勢(shì)，將手勢(shì)轉(zhuǎn)換為圖片信息，消除圖片背景，提取手勢(shì)信息傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理分析后，在LCD1602液晶顯示器上顯示對(duì)應(yīng)手勢(shì)信息，點(diǎn)亮代表對(duì)應(yīng)手勢(shì)的LED燈。將手勢(shì)信息與手勢(shì)識(shí)別樣本庫(kù)的視力測(cè)試圖標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的視力檢測(cè)原則，得出最終代表該檢測(cè)者的視力水平。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)的單片機(jī)采用的是STC89C51為主芯片，具有32個(gè)雙向I/O口、256kB RAM及3個(gè)16位可編程定時(shí)器等資源。該51單片機(jī)資源配置靈活，滿足本設(shè)計(jì)要求。單片機(jī)芯片周圍配置有2.1寸彩色液晶屏可用于手勢(shì)識(shí)別結(jié)果顯示，并配備有USB接口可實(shí)現(xiàn)程序下載、單片機(jī)供電和串行通信，8路LED燈可輔助顯示手勢(shì)識(shí)別上下左右四種結(jié)果。單片機(jī)及外圍電路圖如圖2所示。

2.2 手勢(shì)識(shí)別模塊

手勢(shì)識(shí)別模塊PAJ7620U2是一款可識(shí)別九種基本手勢(shì)包括上、下、左、右等，與視力測(cè)試圖標(biāo)方向?qū)?yīng)一致，滿足檢測(cè)需求。該芯片識(shí)別手勢(shì)速度快且支持手勢(shì)不斷輸出，自帶LED驅(qū)動(dòng)可向外發(fā)射紅外線信號(hào)[7]，一旦在可探測(cè)范圍內(nèi)探測(cè)到物體，傳感器陣列和目標(biāo)提取會(huì)提取目標(biāo)相關(guān)特征信息，并將相關(guān)特征信息存儲(chǔ)至應(yīng)對(duì)寄存器。手勢(shì)識(shí)別陣列通過(guò)對(duì)相關(guān)特征值進(jìn)行處理，與模塊已有的手勢(shì)識(shí)別特征庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別結(jié)果傳輸至寄存器，通過(guò)I2C與單片機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)顯示。PAJ7602硬件模塊原理圖如圖3所示。

2.3 顯示模塊

LCD液晶顯示器主要用于將上下左右四種手勢(shì)顯示出來(lái)，通電后液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面以及背部燈管構(gòu)成各種圖像。LCD1602是一款16引腳器件，E引腳為使能信號(hào)端，用以控制液晶屏顯示數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，采用上升沿觸發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。VL是液晶顯示偏壓信號(hào)，用以調(diào)整圖像與背景顯示對(duì)比度，通過(guò)調(diào)整偏壓信號(hào)得到最強(qiáng)的對(duì)比度。8位并行數(shù)據(jù)口與單片機(jī)直接相連，提高數(shù)據(jù)讀取的便捷性。RS和R/W 引腳用于選擇LCD的工作方式及數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏工作時(shí)序的控制。

LED燈用于代表不同手勢(shì)的顯示，進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別檢測(cè)時(shí)，液晶屏幕上會(huì)顯示“上、下、左、右”四種手勢(shì)，對(duì)應(yīng)的LED燈點(diǎn)亮進(jìn)行提示。

2.4 電源模塊

STC89C51單片機(jī)輸入電壓3.3V，顯示模塊等輸入電壓5V，因此采用單片機(jī)自帶的USB接口進(jìn)行電壓供電，采用ME6211實(shí)現(xiàn)5V至3.3V的電平轉(zhuǎn)換。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路為：①預(yù)先設(shè)定手勢(shì)庫(kù)樣本信息，將視力檢測(cè)不同大小和方向的“E”與“上下左右”四個(gè)方位一一對(duì)應(yīng)；②系統(tǒng)開(kāi)始后，隨機(jī)顯示某視力水平的“E”圖標(biāo)；③手勢(shì)識(shí)別模塊通過(guò)紅外檢測(cè)識(shí)別有無(wú)物體，并判斷待測(cè)物是否為模塊可識(shí)別的九種手勢(shì)，識(shí)別結(jié)果存儲(chǔ)至寄存器中，寄存器的信息傳輸給單片機(jī)，并將識(shí)別后的手勢(shì)在液晶屏上顯示；④單片機(jī)通過(guò)比對(duì)手勢(shì)識(shí)別模塊的結(jié)果和顯示的“E”圖標(biāo)是否一致，對(duì)單次檢測(cè)做出結(jié)果判斷；⑤重復(fù)上述檢測(cè)步驟，至被測(cè)者能夠看清的最小圖標(biāo)。系統(tǒng)流程框圖如圖4所示。

3.2 程序設(shè)計(jì)

3.2.1 手勢(shì)識(shí)別程序設(shè)計(jì)

進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別前，需要?jiǎng)?chuàng)建手勢(shì)樣本信息庫(kù)。本文采用從學(xué)校隨機(jī)選取200名學(xué)生，以學(xué)生的手勢(shì)圖作為數(shù)據(jù)樣本，每名學(xué)生分別采集上下左右四種手勢(shì)圖共計(jì)20張，即可獲取4 000張手勢(shì)圖作為樣本數(shù)據(jù)。按照訓(xùn)練集和測(cè)試集7：3的比例進(jìn)行隨機(jī)劃分，其中2 800張作為訓(xùn)練集，1 200張作為測(cè)試集。訓(xùn)練集用來(lái)對(duì)手勢(shì)識(shí)別模塊算法進(jìn)行調(diào)整，測(cè)試集用于驗(yàn)證算法識(shí)別的準(zhǔn)確性。同時(shí)，將視力檢測(cè)表不同大小的視標(biāo)“E”與“上下左右”四個(gè)方向一一對(duì)應(yīng)，建立數(shù)據(jù)集，用于后續(xù)視力檢測(cè)結(jié)果比對(duì)。視力檢測(cè)需識(shí)別的手勢(shì)示意圖如圖5所示。

對(duì)于手勢(shì)識(shí)別模塊（數(shù)據(jù)采集）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)步驟如下：①模塊初始化。先進(jìn)行上電初始化，將數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的配置寫(xiě)入寄存器；②手勢(shì)識(shí)別初始化。對(duì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)初始化，傳感器默認(rèn)狀態(tài)為高電平，只有當(dāng)傳感器狀態(tài)從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；③I2C通訊設(shè)置。手勢(shì)識(shí)別模塊與單片機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，主從機(jī)模式，每傳輸完數(shù)據(jù)后接校驗(yàn)位用來(lái)提醒發(fā)送端已完成數(shù)據(jù)接收。

3.2.2 視力檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

由于不同視力對(duì)應(yīng)不同大小的E，本文設(shè)計(jì)采用二分法進(jìn)行檢索以提高視力檢測(cè)效率。設(shè)置視標(biāo)數(shù)組從4.0到5.3，通過(guò)不斷檢索和比對(duì)判斷視標(biāo)數(shù)組，得出受檢者當(dāng)前視力水平最終值。

步驟1：參數(shù)初始化，設(shè)置視力測(cè)試單次結(jié)果的標(biāo)志值value。如識(shí)別手勢(shì)與所給“E”圖標(biāo)方向一致，則表示單次檢測(cè)結(jié)果正確，value=1；反之則代表錯(cuò)誤，value=0。則說(shuō)明測(cè)試者當(dāng)前視力值為所給圖標(biāo)代表的視標(biāo)值4.0。

步驟2：采用二分法檢索，取4.0和5.3的中間值視標(biāo)對(duì)應(yīng)的“E”在液晶屏上顯示。將手勢(shì)識(shí)別模塊識(shí)別結(jié)果與視標(biāo)“E”進(jìn)行比對(duì)，每視標(biāo)水平進(jìn)行3次檢測(cè)。

步驟3：根據(jù)單視標(biāo)視力判別規(guī)則，判斷測(cè)試者視力水平是否為該視標(biāo)等級(jí)。判定規(guī)則為：對(duì)于同一級(jí)別的視標(biāo)，總共進(jìn)行3次測(cè)試。在3次測(cè)試內(nèi)，如果辨認(rèn)失敗次數(shù)大于成功次數(shù)，則認(rèn)定為不能看清該視標(biāo)，反之則認(rèn)定為可看清該視標(biāo)，進(jìn)行下一步視力水平檢測(cè)。如果受測(cè)者可看清該級(jí)別的視標(biāo)則進(jìn)一步縮小檢索視標(biāo)范圍，如果看不清則向更大級(jí)別的視標(biāo)區(qū)間檢索。

步驟4：重復(fù)步驟2、3，直到測(cè)試者視標(biāo)數(shù)組的最小值大于數(shù)組最大值，即測(cè)試者完成視標(biāo)數(shù)組區(qū)間檢測(cè)，視力水平測(cè)試檢測(cè)完成，輸出顯示測(cè)試者的最終視力水平，視力水平檢測(cè)過(guò)程結(jié)束。

4 系統(tǒng)調(diào)試

通過(guò)keil uVision5進(jìn)行程序編寫(xiě)，將單片機(jī)等硬件模塊經(jīng)USB接口連接至電腦，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，對(duì)各個(gè)模塊程序參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，硬件部分進(jìn)行調(diào)試，直至整個(gè)系統(tǒng)完成相應(yīng)功能。

首先，確定各硬件模塊能正常上電工作。接通電源后，單片機(jī)模塊電源指示燈亮，且借助STC-ISP軟件燒錄簡(jiǎn)單程序，能正常顯示效果，則表明單片機(jī)可以正常工作。液晶顯示模塊和LED燈顯示模塊在單片機(jī)電路周圍，單片機(jī)上電后，測(cè)試液晶屏和LED燈能都正常顯示數(shù)值及顯示的準(zhǔn)確性。其次進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別模塊檢測(cè)，本設(shè)計(jì)主要測(cè)試PAJ7620模塊對(duì)上下左右四種手勢(shì)的識(shí)別，進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如果測(cè)試者手勢(shì)向上，對(duì)應(yīng)LCD屏上應(yīng)顯示當(dāng)前手勢(shì)，且代表上下的LED亮，則說(shuō)明手勢(shì)識(shí)別模塊和顯示模塊可進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)與顯示。對(duì)各模塊調(diào)試結(jié)果如表1所示。最后，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試手勢(shì)識(shí)別的準(zhǔn)確性，若準(zhǔn)確率較低，則需要進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了基于手勢(shì)識(shí)別的自助視力檢測(cè)系統(tǒng)，主要通過(guò)手勢(shì)識(shí)別模塊進(jìn)行手勢(shì)數(shù)據(jù)采集，傳輸至單片機(jī)后將識(shí)別手勢(shì)進(jìn)行顯示，并與預(yù)設(shè)結(jié)果進(jìn)行比較，多次檢測(cè)后得到最終被測(cè)者視力值。系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)視力檢測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)了自助式、便捷式。當(dāng)下青少年視力問(wèn)題日益凸顯，本設(shè)計(jì)為青少年定期視力檢測(cè)提供了便捷。