基于手勢(shì)識(shí)別的智能輸入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

速度傳感器

Smartmouse智能手勢(shì)輸入系統(tǒng)分為手持端(手勢(shì)數(shù)據(jù)采集模塊)和主機(jī)端(數(shù)據(jù)接收處理模塊)，手持端和主機(jī)端通過(guò)無(wú)線方式連接。手持端可方便地佩戴在使用者手指上，對(duì)使用者的手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;主機(jī)端可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)接口，并可對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和智能處理。

Smartmouse智能手勢(shì)輸入裝置的功能框圖如圖1所示。

Smartmouse智能手勢(shì)輸入裝置，可準(zhǔn)確識(shí)別人的各種手勢(shì)并依據(jù)手勢(shì)流暢的進(jìn)行如移動(dòng)鼠標(biāo)、左鍵、右鍵、刪除、確定、取消、移動(dòng)文件等等相應(yīng)操作。信號(hào)采集端可實(shí)時(shí)完整的采集人手部動(dòng)作的信息，經(jīng)整理后以相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式通過(guò)2.4G無(wú)線頻段傳輸給PC或接收機(jī)上的主機(jī)端;主機(jī)端可在無(wú)需任何驅(qū)動(dòng)程序的前提下將自身例化為USB接口形式的鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備;接收數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，識(shí)別出手勢(shì)所表達(dá)的意義，同時(shí)將相應(yīng)操作反饋給PC或接收機(jī)。對(duì)手勢(shì)的識(shí)別率應(yīng)達(dá)到消費(fèi)類電子的水平。

1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)采用加速度傳感器對(duì)使用者的手部動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和初步識(shí)別，結(jié)合無(wú)線通信和USB接口技術(shù)，通過(guò)自創(chuàng)的簡(jiǎn)單且智能的手勢(shì)識(shí)別處理算法，將得到的手部動(dòng)作信息通過(guò)USB接口傳輸給PC或接收機(jī)，使用戶能夠以更符合肢體動(dòng)作習(xí)慣的方式對(duì)PC進(jìn)行控制，給用戶帶來(lái)全新的操作體驗(yàn)。

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。

(1)手勢(shì)數(shù)據(jù)采集

Smartmouse智能手勢(shì)輸入系統(tǒng)的手持端需對(duì)使用者手部動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)且準(zhǔn)確的采樣，并將采集到的手部動(dòng)作數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線形式傳輸給連接在PC機(jī)USB接口上的主機(jī)端。本系統(tǒng)采用美新公司生產(chǎn)的雙軸MEMS加速度傳感器芯片MXC6202xMP作為主要的手勢(shì)動(dòng)作感知器件，在正確感知手部動(dòng)作數(shù)據(jù)的同時(shí)，達(dá)到低功耗、高精度的要求。

(2)數(shù)據(jù)接收與處理

連接在PC機(jī)USB口上的主機(jī)端，即數(shù)據(jù)接收與處理模塊，將自身例化為PC機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤復(fù)合設(shè)備，同時(shí)將通過(guò)無(wú)線方式接收到的手勢(shì)數(shù)據(jù)通過(guò)識(shí)別算法進(jìn)行智能處理，將處理后的結(jié)果以鼠標(biāo)鍵盤操作數(shù)據(jù)的形式傳輸給PC機(jī)。數(shù)據(jù)接收與處理模塊與PC機(jī)的連接過(guò)程無(wú)需安裝任何驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)即插即用。對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)的識(shí)別率能夠滿足消費(fèi)類電子要求。本系統(tǒng)中以AVR單片機(jī)為核心處理單元，負(fù)責(zé)將設(shè)備按照USB協(xié)議枚舉為USB復(fù)合設(shè)備，管理無(wú)線收發(fā)模塊，并通過(guò)無(wú)線模塊對(duì)手持端進(jìn)行管理，同時(shí)將接收到的手勢(shì)數(shù)據(jù)通過(guò)自創(chuàng)的手勢(shì)識(shí)別算法進(jìn)行分析，將結(jié)果發(fā)送給主機(jī)端。

(3)數(shù)據(jù)的傳輸

采集的手勢(shì)數(shù)據(jù)的傳輸采用當(dāng)前在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的2.4G頻段，在保證帶寬的前提下準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備休眠等降低功耗的操作。

(4)主機(jī)端與PC接口

主機(jī)端即手勢(shì)數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)USB接口與PC機(jī)進(jìn)行連接，將自身例化為PC機(jī)的鍵盤鼠標(biāo)復(fù)合設(shè)備，在不需要任何驅(qū)動(dòng)的前提下實(shí)現(xiàn)即插即用。[!--empirenews.page--]

(5)電源供給

手持端采用微型鋰電池作為電源，體積較小并可進(jìn)行重復(fù)充電與使用。同時(shí)通過(guò)休眠、停機(jī)等操作降低系統(tǒng)功耗。

主機(jī)端通過(guò)主機(jī)USB接口供電，在長(zhǎng)時(shí)間不使用情況下可進(jìn)行休眠操作。

(6)智能識(shí)別率

Smartmouse智能手勢(shì)輸入系統(tǒng)需要流暢的對(duì)PC機(jī)進(jìn)行操作，對(duì)手勢(shì)的識(shí)別率有較高要求，同時(shí)能對(duì)現(xiàn)今比較流行的演示軟件進(jìn)行復(fù)雜操作。本設(shè)計(jì)中通過(guò)32位AVR單片機(jī)對(duì)接收到的手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合本團(tuán)隊(duì)自創(chuàng)的手勢(shì)識(shí)別算法，識(shí)別出手勢(shì)具有的意義。

2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

由于本系統(tǒng)所包含的模塊眾多、算法復(fù)雜，同時(shí)對(duì)功耗、穩(wěn)定性又有很高要求，所以在平臺(tái)的選擇時(shí)分兩個(gè)步驟進(jìn)行：

功能實(shí)現(xiàn)階段，主要為完善手勢(shì)識(shí)別算法、USB接口協(xié)議、無(wú)線通訊協(xié)議等。各個(gè)部分均使用現(xiàn)成模塊。無(wú)線收發(fā)部分采用TI公司生產(chǎn)的eZ430無(wú)線收發(fā)模塊;算法硬件實(shí)現(xiàn)和USB接口等的管理采用Atmel公司提供的EVK1100開發(fā)板。

作品完善階段，在實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別算法、USB接口協(xié)議、無(wú)線通訊協(xié)議等的基礎(chǔ)上，使用Atmel公司的生產(chǎn)的ATXMEGA32D4單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)芯片AT86RF212自制手持端;采用AT32UC3L064單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)芯片AT86RF212實(shí)現(xiàn)主機(jī)端的數(shù)據(jù)接收、手勢(shì)識(shí)別算法和USB接口管理。

3 系統(tǒng)程序架構(gòu)

本系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)主要分為手勢(shì)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通訊協(xié)議、手勢(shì)數(shù)據(jù)識(shí)別算法和USB接口協(xié)議幾部分。

手勢(shì)數(shù)據(jù)采集：在主機(jī)端的控制下對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并按一定的格式打包準(zhǔn)備進(jìn)行傳輸;

無(wú)線通訊協(xié)議：管理手持端與主機(jī)端之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸;

手勢(shì)識(shí)別算法：為本系統(tǒng)中的算法核心，采用一種自創(chuàng)的基于加速度傳感器數(shù)據(jù)的智能識(shí)別算法，對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出手勢(shì)所具有的意義;

USB接口協(xié)議：管理主機(jī)端與PC或接收機(jī)之間的連接，將主機(jī)端枚舉為電腦的鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在無(wú)驅(qū)動(dòng)條件下的即插即用。

4 系統(tǒng)程序流程

本系統(tǒng)中程序主要分為手持端程序和主機(jī)端程序，程序流程圖如下圖3所示。

5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

借助Atmel提供的EVK1100系列開發(fā)板和TieZ430無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)樣機(jī)一套，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)所有功能，并能對(duì)簡(jiǎn)單的瀏覽軟件進(jìn)行控制，同時(shí)達(dá)到識(shí)別準(zhǔn)確率90%以上。自制產(chǎn)品初級(jí)模型一套，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)所有功能，同時(shí)具有“空中畫筆”功能，能對(duì)簡(jiǎn)單的瀏覽軟件進(jìn)行流暢的控制，達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別90%以上。