基于紅外的非接觸式手勢識別系統(tǒng)設(shè)計

楊晉芳++衛(wèi)建華++劉琪++齊攀

摘 要：針對目前電子設(shè)備對手勢識別功能的需求，提出了一種非接觸式手勢識別系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)將紅外線和環(huán)境光傳感器Si1143與C8051F700、C8051F800等電容式觸摸感應(yīng)微控制器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)非接觸式手勢識別，可用于多種動作和手勢檢測以及目標(biāo)物體距離校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：手勢識別；非接觸；紅外；傳感器

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-0-03

0 引 言

人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展大大增強(qiáng)了應(yīng)用系統(tǒng)的智能化設(shè)計[1]，手勢識別[2]也逐漸成為人機(jī)交互的核心技術(shù)。隨著人機(jī)界面技術(shù)和設(shè)計理念的進(jìn)步，紅外線接近感應(yīng)器正逐漸成為非接觸式手勢識別用戶界面的創(chuàng)新點(diǎn)。早期的傳統(tǒng)紅外線接近感應(yīng)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(yīng)用方面受感應(yīng)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(qū)動多個紅外線發(fā)光二極管，可實(shí)現(xiàn)高級的多維手勢輸入功能。本文結(jié)合面向人機(jī)界面應(yīng)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(shè)計方案。該方案支持兩個和三個LED實(shí)現(xiàn)更復(fù)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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它包括ADC轉(zhuǎn)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(qū)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850880 nm的紅外光電二極管接收，而環(huán)境光則由可接收波長在500600 nm范圍內(nèi)的可見光光電二極管接收，然后轉(zhuǎn)化為電信號經(jīng)AMUX送入ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)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(yuǎn)。多種可變因素影響系統(tǒng)的SNR，包括環(huán)境噪聲/光線補(bǔ)償、光電二極管靈敏度、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）架構(gòu)[8]。Si1143的聯(lián)合架構(gòu)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(yuǎn)的感應(yīng)距離、較高的靈敏度和較快的數(shù)據(jù)采集速度。

Si1143在廣泛的動態(tài)范圍和包括陽光直射在內(nèi)的各種光源下可提供優(yōu)異性能，高靈敏度支持在半透明的產(chǎn)品覆蓋物后面靈活放置紅外傳感器。光電二極管響應(yīng)和關(guān)聯(lián)的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路對人造光閃爍噪聲和自然光顫動噪聲具有優(yōu)異的抗擾性。Si1143完備的IR感應(yīng)架構(gòu)也可在日光下工作[9]，其包含一個環(huán)境光傳感器，能夠感應(yīng)高達(dá)128 kiloLux的光照度。此外，Si1143的先進(jìn)架構(gòu)能夠在25 s內(nèi)完成接近感應(yīng)測量，減少了極其耗電的紅外發(fā)光二極管的開啟時間，從而實(shí)現(xiàn)了低功耗。

Si1143包括最多3個紅外線LED驅(qū)動器，可以自由實(shí)現(xiàn)檢測距離超過50 cm的一維HI系統(tǒng)或檢測距離高達(dá)15 cm的具有手勢感應(yīng)能力的多維系統(tǒng)。多個紅外線LED燈驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)高級動作和手勢感應(yīng)，Si1143支持3個LED驅(qū)動，支持多軸式臨近運(yùn)動探測，能夠在多維非接觸式控制中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的三維動作感應(yīng)[10]。

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(yīng)微控制器相結(jié)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(biāo)物體距離校準(zhǔn)應(yīng)用。Si1143器件的感應(yīng)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(yīng)用，可改善IR接近感應(yīng)、優(yōu)化紅外感應(yīng)功耗、增強(qiáng)顯示設(shè)備的背景亮度調(diào)節(jié)功能以及控制系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備。

3 紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)手勢感應(yīng)

Si1143接近環(huán)境光傳感器適用于非接觸式手勢感應(yīng)，如讀者翻頁，滾動平板電腦或GUI導(dǎo)航。Si1143可提供高達(dá)三個LED驅(qū)動器，并可在715 cm產(chǎn)品互動區(qū)域內(nèi)感知手勢。我們通過使用紅外線技術(shù)實(shí)現(xiàn)動作感應(yīng)，主要采用基于位置和基于相位的手勢感應(yīng)。

（1）基于位置的手勢感應(yīng)通過計算對象的位置來實(shí)現(xiàn)手勢感應(yīng)。

（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(yùn)動方向。

3.1 基于位置的手勢感應(yīng)

基于位置的運(yùn)動傳感算法涉及三個主要步驟：

（1）將原始數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)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(biāo)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(yīng)

基于相位的手勢感應(yīng)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(dāng)手放在LED的正上方，將出現(xiàn)每個LED的最大反饋點(diǎn)。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(diǎn)比較

基于位置方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提供目標(biāo)的位置信息，并允許系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比例控制?；谖恢梅椒ǖ闹饕秉c(diǎn)是位置計算的精度。位置算法假定LED是球形輸出，但在實(shí)際應(yīng)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(qiáng)，但實(shí)際情況中光強(qiáng)度會衰減。且該方法不考慮目標(biāo)的形狀，一個獨(dú)特形狀的對象會導(dǎo)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(yùn)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(dāng)前的定位算法并不太適合于定點(diǎn)應(yīng)用。

對于不需要位置信息的應(yīng)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(jìn)行檢測，該方法的缺點(diǎn)是不能提供位置信息。這意味著可以實(shí)現(xiàn)手勢的數(shù)量比以位置為基礎(chǔ)的方法更有限。相位法只能從檢測區(qū)域區(qū)別出進(jìn)入和退出的方向，無法檢測到可檢測區(qū)域中的任何運(yùn)動。

3.4 兩方法結(jié)合提高手勢識別

系統(tǒng)將兩種方法結(jié)合，彌補(bǔ)了彼此的缺陷。基于位置的方法可提供某些位置信息進(jìn)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(yīng)提供強(qiáng)大的解決方案。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計相關(guān)

4.1 臨近感應(yīng)

Si1143可以驅(qū)動三個單獨(dú)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(nèi)的物體進(jìn)行三角測量。每當(dāng)?shù)絇S測量時，Si1143會進(jìn)行多達(dá)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(yùn)行。在這三次測量中，都可以對LED選擇進(jìn)行設(shè)定。在默認(rèn)情況下，每次測量打開一個LED驅(qū)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(jī)設(shè)定的閾值進(jìn)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(dú)立設(shè)定，可在幾毫安到幾百毫安之間任意取值，因此主機(jī)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(jī)在一個物體已進(jìn)入臨近范圍后降低LED電流，并在采用較低電流設(shè)置時仍然可以跟蹤該物體。最后通過靈活的電流設(shè)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(yīng)。如果需要準(zhǔn)確測量照明度，則必須補(bǔ)償可見光光電二極管的額外IR響應(yīng)。為了讓主控制器可以對紅外光的影響進(jìn)行校正，Si1143在單獨(dú)通道報告紅外光的測量結(jié)果。單獨(dú)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(yùn)行算法推導(dǎo)出與人眼感覺相當(dāng)?shù)恼彰鞫?。在主機(jī)中運(yùn)行IR校正算法可以非常靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)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(diào)節(jié)IR校正。如果主機(jī)沒有進(jìn)行任何紅外線校正，則可以在CHLIST參數(shù)中關(guān)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(shè)計INT、SCL和SDA引腳的目的是使Si1143通過軟件命令進(jìn)入關(guān)閉模式，而不會干擾總線上其他I2C器件的正常運(yùn)行。Si1143的I2C從地址是0x5A，可響應(yīng)全局地址（0x00）和全局復(fù)位命令（0x06），但僅支持7位I2C地址，不支持10位I2C地址。

4.4 運(yùn)行模式

Si1143的運(yùn)行模式包括關(guān)閉模式、初始化模式、備用模式、強(qiáng)制轉(zhuǎn)換模式和自發(fā)模式，在任何時候可以處于眾多運(yùn)行模式中的一種。且必須考慮運(yùn)行模式，因?yàn)樵撃Ｊ綄i1143的整體功耗有影響。

4.5 命令和響應(yīng)結(jié)構(gòu)

在讀取或?qū)懭胨蠸i1143的I2C寄存器（除了寫入COMMAND寄存器之外）時都不喚醒內(nèi)部定序器。Si1143可以在強(qiáng)制測量模式或自發(fā)模式中運(yùn)行。處于強(qiáng)制測量模式時，除非主控制器通過特定命令明確請求Si1143進(jìn)行測量，否則Si1143不進(jìn)行任何測量。此時需要寫入CHLIST參數(shù)，以便讓Si1143知道要進(jìn)行哪些測量。參數(shù)MEAS_RATE為零時會將內(nèi)部定序器置于強(qiáng)制測量模式。處于強(qiáng)制測量模式時，僅當(dāng)主控制器寫入COMMAND寄存器時，內(nèi)部定時器才喚醒。處于強(qiáng)制測量模式時（MEAS_RATE=0），耗電量最低。當(dāng)MEAS_RATE不為零時，Si1143在自發(fā)運(yùn)行模式中運(yùn)行。MEAS_RATE表示Si1143定期喚醒的時間間隔。內(nèi)部定時器喚醒后，定序器根據(jù)PS_RATE和ALS_RATE寄存器管理內(nèi)部PS計數(shù)器和ALS計數(shù)器。當(dāng)內(nèi)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(dāng)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(jī)可寫入的I2C寄存器不同的是，COMMAND寄存器將內(nèi)部定序器從備用模式喚醒，以處理主機(jī)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(shí)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(jié) 語

在各種多元化的手勢識別環(huán)境中，當(dāng)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(yīng)距離等優(yōu)點(diǎn)，且封裝體積小，易用性高，能夠用于手機(jī)、電子閱讀器、平板電腦、個人媒體播放器、辦公設(shè)備、工業(yè)控制、安全系統(tǒng)、銷售終端和其他設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)高級的接近感應(yīng)和非接觸式界面。

參考文獻(xiàn)

[1]武霞，張崎，許艷旭.手勢識別研究發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].電子科技，2013，26（6）：171-174.

[2]陳守滿，朱偉，王慶春.圖片操作的手勢動態(tài)識別系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（22）：4-6.

[3]陳龍，陳朝大，鄧禧龍，等.紅外線感應(yīng)節(jié)水裝置效果分析[J].低碳世界，2016（13）：4-5.

[4]于乃功，王錦.基于人體手臂關(guān)節(jié)信息的非接觸式手勢識別方法[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，42（3）：362-368.

[5]關(guān)然，徐向民，羅雅愉.基于計算機(jī)視覺的手勢檢測識別技術(shù)[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30（1）：155-159.

[6]李芬蘭，張文清，莊哲民.基于手勢識別的智能輸入系統(tǒng)[J].汕頭大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（3）：60-65.

[7]魯姍丹，周松斌，李昌.基于多光源紅外傳感技術(shù)的手勢識別系統(tǒng)[J].自動化與信息工程， 2015（2）：22-26.

[8]楊碧玲.集成多路LED應(yīng)用，Silicon Labs接近感應(yīng)器擴(kuò)展多種應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2011（12）：27.

[9]劉怡君.Silicon Labs推出增強(qiáng)UV防護(hù)和手勢識別的新一代光學(xué)傳感器[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2016（2）：19.

[10] Alan Sy.紅外線接近感應(yīng)人機(jī)界面設(shè)計要素[J].今日電子，2010（3）： 31-33.