張 輝 卜雯意 施 豪

（安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

手勢(shì)是我們?nèi)粘Ｉ钪腥伺c人交互的重要方式之一[1]。隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，人與計(jì)算機(jī)的交互越來越成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的熱門研究方向?；谟?jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)識(shí)別為滿足新一代人機(jī)交互應(yīng)用而生。電容接近感測(cè)是許多智能設(shè)備和設(shè)備的關(guān)鍵特征[2-4]。本設(shè)計(jì)中的手勢(shì)識(shí)別部分主要采用新型電容傳感芯片F(xiàn)DC2214作為主控芯片，通過描述檢測(cè)范圍與傳感器尺寸之間的關(guān)系，以4塊方形銅板作為傳感器，通過IIC通信讀取電容感應(yīng)值并控制在傳感器上的手勢(shì)變化來讀取、獲取相應(yīng)手勢(shì)數(shù)據(jù)。

2 方案論證與選擇

極板模塊充當(dāng)傳感器用于檢測(cè)測(cè)試者的手放在測(cè)試極板上的面積數(shù)據(jù)以及位置信息，主要備選方案包括：

方案一：由六塊極板構(gòu)成，制成五指形狀，存在許多不確定因素，雖然容易識(shí)別手勢(shì)，但是隨機(jī)性大（如圖 1）。

方案二：由一塊極板構(gòu)成。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是其存在誤差，對(duì)于一些數(shù)字手勢(shì)不能清楚識(shí)別，容易造成手勢(shì)識(shí)別出錯(cuò)（如圖2）。

由于上述兩種方案不成熟，所以本設(shè)計(jì)采用方案三。

方案三：由四塊極板構(gòu)成，劃分測(cè)試區(qū)域?yàn)樗膫€(gè)象限，按照比例方法可清楚判決手勢(shì)或者記錄手勢(shì)數(shù)據(jù)，大大提高手勢(shì)識(shí)別正確率（如圖3）。

圖1 方案一

圖2 方案二

圖3 方案三

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本手勢(shì)識(shí)別硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由主控模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、FDC2214電容傳感器模塊以及極板傳感器模塊組成[5-6]。實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)的訓(xùn)練與識(shí)別，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)原理框圖

3.1.1 主控模塊

主控模使用STM32作為系統(tǒng)的核心控制模塊，相當(dāng)于指揮中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，控制指令的生成，協(xié)調(diào)其他部分模塊共同運(yùn)作。STM32嵌入式開發(fā)板，它是基于ARM?Cortex?M處理器內(nèi)核的32位閃存微控制器，STM32 MCU融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)可接入TFT顯示屏，擁有便捷和開發(fā)簡易的特點(diǎn)。

3.1.2 極板傳感器模塊

當(dāng)下，學(xué)生群體已經(jīng)是社會(huì)中不可忽視的一部分。在學(xué)生校園中存在著很多有價(jià)值的研究數(shù)據(jù)信息，比如學(xué)生的成績，學(xué)生日常支出情況等。我們對(duì)學(xué)生的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以反映出很多非常有價(jià)值的東西。況且，如今學(xué)生群體早已是流行的風(fēng)向標(biāo)，對(duì)于學(xué)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析還可以更加直觀地看出當(dāng)前社會(huì)的流行趨勢(shì)。

極板傳感器模塊由1個(gè)25 cm×25 cm的亞克力板和1個(gè)被平均劃分為四個(gè)部分的20 cm×20 cm的方形覆銅板拼接組成，測(cè)試人員將手勢(shì)擺放在固定的亞克力板上，以統(tǒng)一測(cè)量手勢(shì)的高度，增強(qiáng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。四區(qū)域的覆銅板在采集手勢(shì)特征值時(shí)更加穩(wěn)定可靠。

3.1.3 FDC2214傳感器模塊

電容式傳感是一種低功耗、低成本且高分辨率的非接觸式感測(cè)技術(shù)，適用于從接近檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別到遠(yuǎn)程液位感測(cè)領(lǐng)域的各項(xiàng)應(yīng)用。電容式傳感系統(tǒng)中的傳感器可以采用任意金屬或?qū)w，因此可實(shí)現(xiàn)高度靈活的低成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]。

電容式傳感應(yīng)用靈敏度的主要限制因素在于傳感器的噪聲敏感性。FDC2214采用創(chuàng)新型抗EMI架構(gòu)，即使在高噪聲環(huán)境中也能維持性能不變（如圖5）。

圖5 FDC2214電容傳感器模塊

本設(shè)計(jì)選用的電容式傳感器模塊可以測(cè)量四路通道，大大提高了效率。

3.2 控制算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到了卡爾曼濾波算法，單鏈表，冒泡排序算法，以及特征點(diǎn)采集等算法對(duì)不同手勢(shì)產(chǎn)生的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，下面對(duì)主要算法進(jìn)行說明：

（1）卡爾曼濾波算法。數(shù)據(jù)濾波是去除噪聲還原真實(shí)數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，卡爾曼濾波在測(cè)量方差已知的情況下能夠從一系列存在測(cè)量噪聲的數(shù)據(jù)中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新和處理。如下圖6是數(shù)據(jù)處理前，圖7是數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波后的波形。

圖6 原始數(shù)據(jù)波形

圖7 卡爾曼濾波后數(shù)據(jù)波形

（3）冒泡排序算法。冒泡排序是一種簡單的排序算法。它重復(fù)地走訪過要排序的數(shù)列，一次比較兩個(gè)元素，如果其順序錯(cuò)誤就交換過來。本設(shè)計(jì)在經(jīng)過單鏈表存儲(chǔ)后通過冒泡排序法，將四個(gè)極板的測(cè)評(píng)范圍設(shè)定為任意方向都可以測(cè)量，使測(cè)試提高數(shù)據(jù)測(cè)試靈敏度。

（4）特征點(diǎn)采集。在本設(shè)計(jì)中，通過FDC2214傳感器的頻率與電容的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出單位面積下電容傳感器采集出數(shù)據(jù)的大小，使得判決模式下的數(shù)據(jù)可靠性增強(qiáng)。

3.3 程序及整體流程設(shè)計(jì)

圖6 程序流程圖

圖7 手勢(shì)識(shí)別裝置操作流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，我們遇到些問題，經(jīng)過小組成員共同反復(fù)討論研究以及試驗(yàn)論證，出現(xiàn)的問題都得到了解決，最終對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了修正改進(jìn)。

問題：手勢(shì)識(shí)別不精確。在手勢(shì)識(shí)別過程中，我們一開始使用的極板傳感器是單極板，遇到了手勢(shì)不能采集精確，且只能沿一個(gè)方向進(jìn)行識(shí)別，判定時(shí)不能完全識(shí)別正確的問題，并不能達(dá)到題目要求。

改進(jìn)方案：使用四極板，增加極板數(shù)目，改成四象限制，通過冒泡排序法后將手勢(shì)識(shí)別改為可以多方向識(shí)別，提高手勢(shì)識(shí)別精確性，達(dá)到了保留要求。

5 測(cè)試方案與結(jié)果

5.1 測(cè)試方案及儀器

硬件測(cè)試：將各模塊連接起來，將手平放在測(cè)試區(qū)域的亞克力板面上進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

測(cè)試儀器：各模塊，串口助手，示波器，秒表。

5.2 測(cè)試結(jié)果及分析

（1）猜拳判決測(cè)試。裝置在判決模式下分別對(duì)“石頭，剪刀，布”三種手勢(shì)進(jìn)行判決，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 猜拳手勢(shì)圖

經(jīng)過測(cè)試，猜拳判決的三種手勢(shì)都可以分別在1秒以內(nèi)完成判決，且判決準(zhǔn)確，滿足題目要求。

（2）劃拳判決測(cè)試。裝置在判決模式下分別對(duì)“1，2，3，4，5”五種手勢(shì)進(jìn)行判決，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 劃拳手勢(shì)圖

經(jīng)過測(cè)試，劃拳判決的五種手勢(shì)都可以分別在1秒以內(nèi)完成判決，且判決準(zhǔn)確，滿足題目要求。

（3）猜拳訓(xùn)練與判決測(cè)試。裝置分別對(duì)A，B，C三位不同手掌大小的同學(xué)進(jìn)行猜拳訓(xùn)練與判決，結(jié)果如表1所示，圖10所示。

表1 猜拳學(xué)習(xí)模式識(shí)別統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過測(cè)試，猜拳訓(xùn)練模式下，每種動(dòng)作訓(xùn)練次數(shù)不大于3次，總手勢(shì)訓(xùn)練時(shí)間都小于1 min，每次判決時(shí)間都不超過1 s。判斷基本全部正確，出現(xiàn)的誤差主要在于C同學(xué)手面積偏小，對(duì)數(shù)據(jù)采集處理有輕微影響。

圖10 三位測(cè)試人員的手部示意圖

（4）劃拳訓(xùn)練與判決測(cè)試。裝置分別對(duì)A，B，C三位不同手掌大小的同學(xué)進(jìn)行劃拳訓(xùn)練與判決，表2所示。

經(jīng)過測(cè)試，劃拳訓(xùn)練模式下，每種動(dòng)作訓(xùn)練次數(shù)不大于3次，總手勢(shì)訓(xùn)練時(shí)間都小于2 min，每次判決時(shí)間都不超過1 s。

表2 劃拳學(xué)習(xí)模式識(shí)別統(tǒng)計(jì)表

上述結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)題目所提出的要求，在最后出現(xiàn)的C同學(xué)的誤差是因?yàn)闇y(cè)試人員的手勢(shì)大小在極板上反應(yīng)的電容值變化幅度成類似于正比例關(guān)系，例如測(cè)試人員手部較小的話，會(huì)增加識(shí)別的難度。

6 結(jié)論

本手勢(shì)識(shí)別裝置通過主控模塊、四極板模塊傳感器、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及FDC2214電容傳感器模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)識(shí)別裝置，較好的實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)識(shí)別的穩(wěn)定可靠性，后期準(zhǔn)備對(duì)算法進(jìn)行不斷優(yōu)化，提高此裝置的識(shí)別準(zhǔn)確度。