基于超聲波的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號(hào)處理及人機(jī)交互領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超聲波的手勢(shì)識(shí)別系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著智能手機(jī)和各類智能可穿戴設(shè)備（如智能手表、智能手環(huán)等）的普及，人們對(duì) 智能設(shè)備的輸入功能提出了更高的需求?，F(xiàn)有的智能設(shè)備主要依賴于觸摸屏輸入，其缺陷 在于:一、觸屏只適用于較大體積的設(shè)備，在智能手表等小型設(shè)備上，觸摸屏的面積非常小， 無法滿足復(fù)雜的輸入需求;二、觸屏輸入時(shí)手指會(huì)阻擋部分顯示，并容易觸發(fā)誤操作;三、觸 屏成本較高。
[0003] 為解決觸摸屏的這些問題，近年來研究者提出利用非接觸式手勢(shì)識(shí)別來輔助觸摸 屏的輸入。非接觸手勢(shì)識(shí)別利用智能設(shè)備發(fā)射超聲波或者無線電信號(hào)，通過對(duì)人手反射的 信號(hào)進(jìn)行分析來實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別的目的。根據(jù)識(shí)別出的手勢(shì)，可以完成翻頁，滾屏等基本操 作。非接觸手勢(shì)識(shí)別具有傳感器體積小，價(jià)格低，工作范圍大，不受手套等配飾的影響的優(yōu) 點(diǎn)。
[0004] 現(xiàn)有非接觸手勢(shì)識(shí)別的主要實(shí)現(xiàn)方式有兩種。一種以微軟公司的Soundwave系統(tǒng) 為代表，主要通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方式是通過手機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)射超聲波，利用手機(jī)麥 克風(fēng)采集人手反射超聲波信號(hào)，檢測(cè)反射超聲波的多普勒頻率，利用頻率的變化判斷手的 運(yùn)動(dòng)方向和速度。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向和速度來進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作?，F(xiàn)有的超聲波手勢(shì)識(shí)別的缺陷 在于:多普勒頻率測(cè)量需要通過時(shí)頻域分析，粒度較粗，只能實(shí)現(xiàn)粗略的移動(dòng)方向和移動(dòng)速 度測(cè)量。而基于超聲波測(cè)距的技術(shù)一般需要特殊的聲波換能器，在智能設(shè)備上實(shí)現(xiàn)有困難。 第二種實(shí)現(xiàn)方式以Google公司的Project Soli系統(tǒng)為代表，主要通過60GHz無線電波來實(shí) 現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方式是通過小型化的60GHz收發(fā)器發(fā)送毫米波，檢測(cè)人手反射的毫米波信號(hào)， 通過波形分析來實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)的識(shí)別。Google采用的60GHz毫米波方案的優(yōu)勢(shì)在于毫米波波 長非常短，一般在5毫米以下。這樣微波發(fā)射和接收設(shè)備可以做得比較小，同時(shí)短波長的無 線電波可以進(jìn)一步提高手勢(shì)測(cè)量的精度。但是，基于毫米波的系統(tǒng)需要在智能設(shè)備上添加 專用的手勢(shì)識(shí)別芯片和天線，帶來附加成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出利用商用智能電子設(shè)備的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn) 高精度的基于超聲波的手勢(shì)測(cè)量，改善了超聲波測(cè)量的精度，同時(shí)又利用了現(xiàn)有設(shè)備的硬 件，沒有附加硬件成本。本發(fā)明的基本原理是測(cè)量人手反射信號(hào)的干涉波形，根據(jù)干涉波形 來測(cè)量人手的運(yùn)動(dòng)距離。這種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的直接測(cè)量，所以可以達(dá)到5毫米以內(nèi)的 距離測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)高精度的手勢(shì)識(shí)別。
[0006] 本發(fā)明提出了一種基于超聲波的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案針對(duì)現(xiàn)有手勢(shì) 識(shí)別系統(tǒng)的弱點(diǎn)，解決了通過超聲波實(shí)現(xiàn)高精度手勢(shì)測(cè)量問題。
[0007] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] 基于超聲波的手勢(shì)識(shí)別方法，電子設(shè)備發(fā)射聲波，同時(shí)錄制聲波信號(hào)。將接收到的 聲波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻，獲取基帶信號(hào)。對(duì)基帶信號(hào)的相位進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)相位的變化計(jì) 算目標(biāo)的移動(dòng)距離，根據(jù)移動(dòng)特征進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別并執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。
[0009] 進(jìn)一步地，所述聲波信號(hào)為超聲波信號(hào)。
[0010] 進(jìn)一步地，所述數(shù)字下變頻操作是將接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻，獲取正交的 基帶矢量信號(hào)。
[0011] 進(jìn)一步地，所述聲波信號(hào)為單頻率聲波信號(hào)或者多個(gè)單頻率聲波信號(hào)疊加。
[0012] 進(jìn)一步地，所述相位測(cè)量是指將基帶信號(hào)減去直達(dá)信號(hào)矢量后，測(cè)量殘余反射信 號(hào)矢量的相位變化。
[0013] 進(jìn)一步地，所述手勢(shì)識(shí)別是指通過抽取移動(dòng)相關(guān)特征，對(duì)比手勢(shì)庫模板，識(shí)別手勢(shì) 并進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。
[0014] 進(jìn)一步地，所述移動(dòng)距離測(cè)量通過相位增加或減小的變化來判斷移動(dòng)方向。
[0015] 進(jìn)一步地，所述手勢(shì)識(shí)別是根據(jù)移動(dòng)方向，按移動(dòng)距離成比例增加或減小對(duì)應(yīng)數(shù) 值參數(shù)。
[0016] 進(jìn)一步地，所述電子設(shè)備包括電腦，筆記本，智能手機(jī)，智能穿戴設(shè)備等。
[0017] 進(jìn)一步地，所述移動(dòng)距離測(cè)量通過信號(hào)波長乘以相位變化而獲取。
[0018] 進(jìn)一步地，所述相位測(cè)量在多個(gè)頻率的聲波上同時(shí)進(jìn)行，根據(jù)反射信號(hào)質(zhì)量對(duì)測(cè) 量結(jié)果進(jìn)行融合。
[0019] 進(jìn)一步地，所述電子設(shè)備可以通過多個(gè)麥克風(fēng)獲取反射信號(hào)，根據(jù)反射路徑長度 確定目標(biāo)的位置。
[0020] 有益效果
[0021] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的基于多普勒效應(yīng)的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的缺陷，提出直接測(cè)量反射信 號(hào)的干涉波形來獲取人手的移動(dòng)距離的方法?，F(xiàn)有的多普勒測(cè)量技術(shù)通過快速傅里葉變換 獲取短時(shí)間內(nèi)的反射波頻率變化，其缺陷在于，傅里葉變換需要大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)以達(dá)到較高 的頻譜精度，這樣其時(shí)間精度和頻譜精度存在制約關(guān)系，無法在較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)出準(zhǔn)確的 頻率。測(cè)出頻率后積分獲取距離變化，帶來的誤差更大。而直接測(cè)量反射信號(hào)的干涉波形方 法，可以直接測(cè)量干涉波形的相位，避免了傅里葉變換過程，直接測(cè)量移動(dòng)距離。利用本發(fā) 明提出的測(cè)量方法，可以用普通揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)達(dá)到5毫米以內(nèi)的距離測(cè)量精度。同時(shí)，本 發(fā)明的計(jì)算復(fù)雜度較低，可以在現(xiàn)有的智能設(shè)備上直接實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的測(cè)量與識(shí)別模塊的實(shí)施流程圖。
[0024]圖3是本發(fā)明數(shù)字下變頻模塊的一種實(shí)施流程圖。
[0025] 圖4是基帶矢量信號(hào)的實(shí)部與虛部曲線。
[0026] 圖5是基帶矢量信號(hào)的二維復(fù)平面曲線。
[0027] 圖6是本發(fā)明對(duì)應(yīng)的一種手勢(shì)識(shí)別示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029] 本發(fā)明利用人手對(duì)超聲波的反射，測(cè)量人手的移動(dòng)距離，進(jìn)而對(duì)手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別。本 發(fā)明主要技術(shù)特征是一、利用聲波來測(cè)量;二、數(shù)字下變頻;三、對(duì)基帶信號(hào)的相位進(jìn)行測(cè)量 獲取移動(dòng)距離。
[0030]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中101電子設(shè)備可以是電腦，筆記本，智能手機(jī)，智能 可穿戴設(shè)備等設(shè)備?，F(xiàn)有的大多數(shù)電子設(shè)備均配備了 102聲波發(fā)射器和103聲波接收器。具 體地，102聲波發(fā)射器是指揚(yáng)聲器?？砂娮釉O(shè)備自帶的揚(yáng)聲器，通過有線揚(yáng)聲器接口接 入的揚(yáng)聲器/耳機(jī)或者通過藍(lán)牙、WiFi等無線接口接入的揚(yáng)聲器等等。103聲波接收器是指 麥克風(fēng)?？砂娮釉O(shè)備自帶的麥克風(fēng)，通過有線麥克風(fēng)接口接入的麥克風(fēng)或者通過藍(lán)牙、 WiFi等無線接口接入的麥克風(fēng)等等。揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)均可以是一個(gè)或多個(gè)，具體硬件形式 可以是通用的播放/錄音設(shè)備（即也可以用于播放、錄音語音及音樂的硬件），也可以是專用 的超聲波換能器。
[0031 ] 101電子設(shè)備控制102聲波發(fā)射器發(fā)送聲波，發(fā)射的聲波照射到105目標(biāo)后會(huì)產(chǎn)生 反射波。101電子設(shè)備控制103聲波接收器接收聲波，獲取目標(biāo)反射的聲波信號(hào)。這里的105 目標(biāo)主要是指人手，包括單個(gè)/多個(gè)手指或整個(gè)手掌。103聲波接收器接收到的聲波信號(hào)一 般是一個(gè)混合信號(hào)，同時(shí)包括從聲源直達(dá)的信號(hào)，經(jīng)過附近物體反射的信號(hào)，以及經(jīng)過105 目標(biāo)反射的信號(hào)。103聲波接收器接收到聲波信號(hào)后，發(fā)送給104測(cè)量與識(shí)別模塊，對(duì)聲波進(jìn) 行測(cè)量，獲取手勢(shì)參數(shù)后對(duì)手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別。104測(cè)量與