引 言
人機交互技術的發(fā)展大大增強了應用系統(tǒng)的智能化設計[1]， 手勢識別[2] 也逐漸成為人機交互的核心技術。隨著人機界面技術和設計理念的進步，紅外線接近感應器正逐漸成為非接觸式手勢識別用戶界面的創(chuàng)新點。早期的傳統(tǒng)紅外線接近感應系統(tǒng)由老式光電探測器和光電斷路器組成，其觸發(fā)方式基于是否移動或中斷，但這些器件在應用方面受感應器尺寸、功耗和可配置性的限制[3-7]。相比于這些早期的紅外線接近傳感器， Silicon Labs的Si1143 傳感器不僅體積更小、功耗更低，還可以驅動多個紅外線發(fā)光二極管，可實現(xiàn)高級的多維手勢輸入功能。本文結合面向人機界面應用的 Si1143 傳感器的優(yōu)勢，給出了一種非接觸式手勢識別系統(tǒng)的設計方案。該方案支持兩個和三個LED 實現(xiàn)更復雜的接近傳感器集成電路，使人們能夠更方便、更安全、更愉快的通過非接觸手勢識別用戶界面。
1 Si1143的基本特性
Si1143 是基于反射的低功率紅外線臨近和環(huán)境光傳感器， 其結構框圖如圖 1 所示。它包括 ADC 轉換器、可見光光電二 極管、紅外線光電二極管、數(shù)字信號處理器以及集成的紅外 線 LED 驅動器等。工作時LED發(fā)送紅外光被物理反射回來后， 由可吸收波長 850 880 nm 的紅外光電二極管接收，而環(huán)境 光則由可接收波長在 500 600 nm 范圍內的可見光光電二極 管接收，然后轉化為電信號經AMUX送入ADC進行數(shù)據(jù)轉換， 進而通過 I2C 總線將數(shù)據(jù)傳輸至控制器。接近傳感器的檢測 距離和靈敏度由系統(tǒng)的信噪比（SNR）決定，SNR 越高，距 離越遠。多種可變因素影響系統(tǒng)的 SNR，包括環(huán)境噪聲 / 光 線補償、光電二極管靈敏度、濾波和模數(shù)轉換器（ADC）架 構 [8]。Si1143 的聯(lián)合架構優(yōu)化具有非常高的系統(tǒng) SNR，從而 使 Si1143 接近傳感器具有較遠的感應距離、較高的靈敏度和較快的數(shù)據(jù)采集速度。
2 非接觸式手勢識別系統(tǒng)組成
圖 2 所示為 Si1143 與控制器的連接電路示意圖。Si1143 可與Silicon Labs 提供的多種電容式觸摸感應微控制器相結合， 包括 C8051F700、C8051F800 或C8051F99x 處理器，組成非接觸式的手勢識別系統(tǒng)，并能用于多種動作和手勢檢測，以及目標物體距離校準應用。Si1143 器件的感應模式提供有用信息給MCU，用以確定背景光類型，如日光、熒光燈光或白熾燈光。這種信息具有廣泛應用，可改善IR 接近感應、優(yōu)化紅外感應功耗、增強顯示設備的背景亮度調節(jié)功能以及控制系統(tǒng)內的其他設備。
3 紅外技術實現(xiàn)手勢感應
Si1143 接近環(huán)境光傳感器適用于非接觸式手勢感應，如 讀者翻頁，滾動平板電腦或 GUI 導航。Si1143 可提供高達三 個 LED 驅動器，并可在 7 15 cm 產品互動區(qū)域內感知手勢。 我們通過使用紅外線技術實現(xiàn)動作感應，主要采用基于位置 和基于相位的手勢感應。
（1）基于位置的手勢感應通過計算對象的位置來實現(xiàn)手 勢感應。
（2）基于相位的手勢檢測則通過定時信號的變化來判斷 物體的運動方向。
3.1 基于位置的手勢感應
基于位置的運動傳感算法涉及三個主要步驟 ：
（1）將原始數(shù)據(jù)輸入轉換成可用的距離數(shù)據(jù)，
（2）使用距離數(shù)據(jù)來估計目標對象的位置，
（3）檢查位置數(shù)據(jù)移動的定時，以查看是否有手勢出現(xiàn)。
3.2 基于相位的手勢感應
基于相位的手勢感應包括從原始數(shù)據(jù)尋找鄰近測量和尋 找每個 LED 的定時變化反饋。當手放在 LED 的正上方，將出 現(xiàn)每個 LED 的最大反饋點。如果手掃過兩個 LED，可以通過 查看其 LED 首次出現(xiàn)的反饋來確定劃過的方向。
3.3 兩方法優(yōu)缺點比較
基于位置方法的優(yōu)點是可以提供目標的位置信息 , 并允許 系統(tǒng)實現(xiàn)比例控制。基于位置方法的主要缺點是位置計算的 精度。位置算法假定 LED 是球形輸出，但在實際應用中 LED 的輸出是圓錐形。該方法還假定 LED 的整個輸出是均勻光強， 但實際情況中光強度會衰減。且該方法不考慮目標的形狀，一 個獨特形狀的對象會導致位置輸出不一致。例如該系統(tǒng)區(qū)別不出手和手腕之間的差異，因此涉及該手腕運動的區(qū)域檢測則 不太精確。該方法中提供的位置信息用于低分辨率系統(tǒng)是足 夠的，但當前的定位算法并不太適合于定點應用。
對于不需要位置信息的應用，基于相位的方法提供了一 個非?？煽康姆椒z測手勢。每個手勢可以在可檢測區(qū)域任 一入口或出口進行檢測，該方法的缺點是不能提供位置信息。 這意味著可以實現(xiàn)手勢的數(shù)量比以位置為基礎的方法更有限。 相位法只能從檢測區(qū)域區(qū)別出進入和退出的方向，無法檢測到 可檢測區(qū)域中的任何運動。
3.4 兩方法結合提高手勢識別
系統(tǒng)將兩種方法結合，彌補了彼此的缺陷?；谖恢玫?方法可提供某些位置信息進行比例控制，基于相位的方法可 以用于檢測大多數(shù)的手勢。這兩種方法配合使用，可以給手勢 感應提供強大的解決方案。
4 系統(tǒng)軟硬件設計相關
4.1 臨近感應
Si1143 可以驅動三個單獨的紅外線 LED。將這三個紅外 線 LED 放入 L 形配置中時，可以對三維臨近場地內的物體進 行三角測量。每當?shù)?PS 測量時，Si1143 會進行多達三次測量， 具體依據(jù) CHLIST 中啟用的參數(shù)而定。也可以修改這些測量 的 ADC 參數(shù)，允許在不同環(huán)境光條件下正常運行。在這三次 測量中，都可以對 LED 選擇進行設定。在默認情況下，每次 測量打開一個 LED 驅動器，但容易顛倒測量順序，或讓所有 LED 同時打開。根據(jù)情況，可以將每次臨近測量值與主機設 定的閾值進行比較。
為了動態(tài)支持不同的電源使用效率情形，每個輸出的紅 外線 LED 電流都可以獨立設定，可在幾毫安到幾百毫安之 間任意取值，因此主機可以動態(tài)地臨近探測性能或節(jié)能優(yōu)化。 此功能允許主機在一個物體已進入臨近范圍后降低 LED電流， 并在采用較低電流設置時仍然可以跟蹤該物體。最后通過靈活 的電流設置，采用受控制的電流吸收器控制紅外線 LED 電流， 從而提高精確度。
4.2 環(huán)境光
Si11413 具有能夠同時測量可見光和紅外光的光電二極 管，但可見光光電二極管也受紅外光影響。測量照明度時需 要與人眼相同的光譜響應。如果需要準確測量照明度，則必 須補償可見光光電二極管的額外 IR 響應。為了讓主控制器可 以對紅外光的影響進行校正，Si1143 在單獨通道報告紅外光 的測量結果。單獨的可見光光電二極管和 IR 光電二極管適合 于各種算法解決方案。主控制器可以執(zhí)行兩次測量，運行算 法推導出與人眼感覺相當?shù)恼彰鞫?。在主機中運行 IR 校正算 法可以非常靈活地調節(jié)系統(tǒng)相關變量。如果在系統(tǒng)中使用的 玻璃阻止的可見光超過紅外光，則需要調節(jié) IR 校正。如果主機沒有進行任何紅外線校正，則可以在 CHLIST 參數(shù)中關閉 紅外線測量。
4.3 主控制器接口 Si1143 的主控制器接口由 SCL、SDA 及 INT 三個引腳組 成，設計 INT、SCL 和 SDA 引腳的目的是使 Si1143 通過軟件 命令進入關閉模式，而不會干擾總線上其他 I2C 器件的正常 運行。Si1143 的 I2C 從地址是 0x5A，可響應全局地址 (0x00) 和全局復位命令 (0x06)，但僅支持 7 位 I2C 地址，不支持 10 位 I2C 地址。
4.4 運行模式
Si1143 的運行模式包括關閉模式、初始化模式、備用模式、 強制轉換模式和自發(fā)模式，在任何時候可以處于眾多運行模式 中的一種。且必須考慮運行模式，因為該模式對 Si1143 的整 體功耗有影響。
4.5 命令和響應結構
在讀 取 或 寫入 所 有 Si1143 的 I2C 寄 存 器（ 除了寫入 COMMAND 寄存器之外）時都不喚醒內部定序器。Si1143 可 以在強制測量模式或自發(fā)模式中運行。處于強制測量模式時， 除非主控制器通過特定命令明確請求 Si1143 進行測量，否則 Si1143 不進行任何測量。此時需要寫入 CHLIST 參數(shù)，以便 讓 Si1143 知道要進行哪些測量。參數(shù) MEAS_RATE 為零時 會將內部定序器置于強制測量模式。處于強制測量模式時， 僅當主控制器寫入 COMMAND 寄存器時，內部定時器才喚 醒。處于強制測量模式時 (MEAS_RATE=0)，耗電量最低。 當 MEAS_RATE 不為零時，Si1143 在自發(fā)運行模式中運行。 MEAS_RATE 表示 Si1143 定期喚醒的時間間隔。內部定時器 喚醒后，定序器根據(jù) PS_RATE 和 ALS_RATE 寄存器管理 內部 PS 計數(shù)器和 ALS 計數(shù)器。當內部 PS 計數(shù)器過期時，根 據(jù)通過 CHLIST 參數(shù)高位啟用的測量，最多執(zhí)行三個臨近測 量（PS1、PS2 和 PS3）。順序執(zhí)行這三個 PS 測量，從 PS1 測 量通道開始。同樣當 ALS 計數(shù)器過期時，根據(jù)通過 CHLIST 參數(shù)高位啟用的測量，最多執(zhí)行三個測量（ALS_VIS、ALS_ IR 和 AUX）。
4.6 命令協(xié)議
與其他主機可寫入的 I2C 寄存器不同的是，COMMAND 寄存器將內部定序器從備用模式喚醒，以處理主機請求。執(zhí) 行命令時，將更新 RESPONSE 寄存器。通常在沒有錯誤時， 高四位不為零。為了允許命令跟蹤，低四位實施4位循環(huán)計數(shù)器。 一般而言，如果 RESPONSE 寄存器的高半字節(jié)不為零，則表 示有錯誤或需要特殊處理。
5 結 語
在各種多元化的手勢識別環(huán)境中，當用戶的手被占用、出汗或手持物體而不利于觸摸屏操作時，就要用到非接觸式手 勢識別。Si114x 系列傳感器的手勢識別系統(tǒng)可以滿足非接觸的 需求。Si114x 系列傳感器具有高靈敏度、高效節(jié)能以及超長感應距離等優(yōu)點，且封裝體積小，易用性高，能夠用于手機、 電子閱讀器、平板電腦、個人媒體播放器、辦公設備、工業(yè)控 制、安全系統(tǒng)、銷售終端和其他設備，可實現(xiàn)高級的接近感應 和非接觸式界面。
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