可取代鼠標的SmartMouse智能手勢輸入裝置方案設計

1.1 引言

計算機標準外設鼠標和鍵盤的技術相對成熟，但其操作單調(diào)，多年來技術都未有突破性的進步;觸摸屏的技術新近出現(xiàn)不久，并且很快成為熱點，該技術需要特殊的顯示觸摸設備，以滿足輸入要求;除此之外，以上兩種輸入方式，受到輸入設備原理的限制，不可避免地使使用者約束在顯示設備及輸入裝置周圍。在這種產(chǎn)業(yè)背景下，亟需一種人性化的智能無線輸入裝置來滿足日益普及的多媒體演示、辦公及個人電腦應用環(huán)境。

在此前提下，本團隊開發(fā)了一種名為Smartmouse的手勢輸入系統(tǒng)，使用者可方便的將本裝置的手持端佩戴在手上并通過USB接口將主機端連接在PC機上，便可通過手勢對PC進行操控?？赏ㄟ^手勢完成鼠標具有的全部功能，同時還可對當今比較流行的日常應用軟件進行流暢的操作。Smartmouse的操作方式與觸摸屏和傳統(tǒng)鼠標的最大區(qū)別在于擺脫了對屏幕及固定輸入裝置的依賴，從而可以更好地適應當今的多媒體環(huán)境。使電腦使用者可以脫離傳統(tǒng)鼠標鍵盤的限制，建立使用者和電腦設備間更加人性化的交流方式。

1.2 項目背景

目前，國內(nèi)輸入設備廠家多針對現(xiàn)有的輸入設備進行改進，如新貴、雙飛燕等公司，推出的多媒體鼠標、鍵盤，在原有的鍵盤或鼠標的基本功能之上，增加對多媒體軟件的快捷按鍵。此類產(chǎn)品雖然增加了用戶的易用性，但大多價格不菲，更為重要的是其輸入方式并沒有質(zhì)的變化。

華中科技大學近期研制了一種基于空間運動測量技術的人體上肢動作輸入設備，該設備的輸入方式采用了人體仿生學設計，具有突破性。但該系統(tǒng)的硬件眾多，識別算法復雜，產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。

國外同等產(chǎn)品早在2001年，三星公司和SenseBoard公司展示了開發(fā)中的虛擬鍵盤，三星公司研發(fā)階段的產(chǎn)品稱為“Scurry”。兩家公司的產(chǎn)品在識別方式上有所不同，但是都帶來了革命性的變化，即可以拋棄傳統(tǒng)的鼠標鍵盤。該種輸入設備的問題在于，用戶在使用時，仍然要模仿鍵盤敲擊的動作。

截止04年底，該種鍵盤的研發(fā)仍然處于有線連接的階段。直到目前為止，也沒有“Scurry”正式上市的消息，原因在于，該設備價格昂貴，耗費巨大，商業(yè)化困難。

Nitendo公司生產(chǎn)的游戲機Wii與之類似，采用感知加速度來操縱游戲，但其僅能作為游戲設備使用，并且使用紅外傳輸，因而受到角度和距離的限制。

上個世紀70、80年代，國際上曾開展了大量關于數(shù)據(jù)手套的研究，以此捕獲手部的動作，但之后不久該類研究陷入停滯。目前，對手勢識別比較流行的做法是采用基于視覺圖像識別的方法。采用攝像機捕獲動作的圖像，采用圖像處理的方法得到動作的信息，但這種手勢識別方式耗費巨大，對軟硬件的要求也非常高。根本無法作為普通PC的輸入設備使用。

在MEMS技術及超低功耗無線通訊技術飛速發(fā)展的背景下，超小體積、超低功耗MEMS加速度傳感器和無線通訊模塊的發(fā)展，為我們設計開發(fā)一種具有廣泛應用前景且更加人性化、方便、快捷的輸入設備提供了保障。

1.3本設計的先進性

Smartmouse智能手勢輸入裝置不僅僅局限于計算機的輸入，更可用于多媒體設備的控制等諸多領域，具有非常廣闊的應用范圍。并且，目前市場上并未出現(xiàn)使用加速度傳感器并且融合無線通信和USB即插即用等技術的輸入設備，Smartmouse智能手勢輸入裝置的出現(xiàn)定將吸引一批中高端追求新鮮事物的用戶。

作為產(chǎn)品，Smartmouse智能手勢輸入裝置既擁有現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)勢，又克服現(xiàn)有產(chǎn)品的不足;集人性化、易用性、便攜性于一身，更為使用者提供一種全新的操作理念，必將獲得市場的垂青。

二、需求分析

2.1 功能要求

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)分為手持端(手勢數(shù)據(jù)采集模塊)和主機端(數(shù)據(jù)接收處理模塊)，手持端和主機端通過無線方式連接。手持端可方便地佩戴在使用者手指上，對使用者的手勢數(shù)據(jù)進行采集;主機端可實現(xiàn)與PC機接口，并可對手勢數(shù)據(jù)進行接收和智能處理。

Smartmouse智能手勢輸入裝置的功能框圖如圖1所示。

2.2 性能要求

Smartmouse智能手勢輸入裝置，可準確識別人的各種手勢并依據(jù)手勢流暢的進行如移動鼠標、左鍵、右鍵、刪除、確定、取消、移動文件等等相應操作。信號采集端可實時完整的采集人手部動作的信息，經(jīng)整理后以相應的數(shù)據(jù)格式通過2.4G無線頻段傳輸給PC或接收機上的主機端;主機端可在無需任何驅(qū)動程序的前提下將自身例化為USB接口形式的鼠標鍵盤復合設備;接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行智能化處理，識別出手勢所表達的意義，同時將相應操作反饋給PC或接收機。對手勢的識別率應達到消費類電子的水平。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)采用加速度傳感器對使用者的手部動作數(shù)據(jù)進行采集和初步識別，結合無線通信和USB接口技術，通過自創(chuàng)的簡單且智能的手勢識別處理算法，將得到的手部動作信息通過USB接口傳輸給PC或接收機，使用戶能夠以更符合肢體動作習慣的方式對PC進行控制，給用戶帶來全新的操作體驗。

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)硬件結構框圖如下圖2所示。(1)手勢數(shù)據(jù)采集

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)的手持端需對使用者手部動作數(shù)據(jù)進行連續(xù)且準確的采樣，并將采集到的手部動作數(shù)據(jù)通過無線形式傳輸給連接在PC機USB接口上的主機端。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作為主要的手勢動作感知器件，在正確感知手部動作數(shù)據(jù)的同時，達到低功耗、高精度的要求。

(2)數(shù)據(jù)接收與處理

連接在PC機USB口上的主機端，即數(shù)據(jù)接收與處理模塊，將自身例化為PC機的鼠標和鍵盤復合設備，同時將通過無線方式接收到的手勢數(shù)據(jù)通過識別算法進行智能處理，將處理后的結果以鼠標鍵盤操作數(shù)據(jù)的形式傳輸給PC機。數(shù)據(jù)接收與處理模塊與PC機的連接過程無需安裝任何驅(qū)動，可實現(xiàn)即插即用。對手勢數(shù)據(jù)的識別率能夠滿足消費類電子要求。本系統(tǒng)中以AVR單片機為核心處理單元，負責將設備按照USB協(xié)議枚舉為USB復合設備，管理無線收發(fā)模塊，并通過無線模塊對手持端進行管理，同時將接收到的手勢數(shù)據(jù)通過自創(chuàng)的手勢識別算法進行分析，將結果發(fā)送給主機端。

(3)數(shù)據(jù)的傳輸

采集的手勢數(shù)據(jù)的傳輸采用當前在消費類電子產(chǎn)品領域應用比較廣泛的2.4G頻段，在保證帶寬的前提下準確傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，同時可實現(xiàn)設備休眠等降低功耗的操作。

(4)主機端與PC接口

主機端即手勢數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與PC機進行連接，將自身例化為PC機的鍵盤鼠標復合設備，在不需要任何驅(qū)動的前提下實現(xiàn)即插即用。

(5)電源供給

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

主機端通過主機USB接口供電，在長時間不使用情況下可進行休眠操作。

(6)智能識別率

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)需要流暢的對PC機進行操作，對手勢的識別率有較高要求，同時能對現(xiàn)今比較流行的演示軟件進行復雜操作。本設計中通過32位AVR單片機對接收到的手勢數(shù)據(jù)進行處理，結合本團隊自創(chuàng)的手勢識別算法，識別出手勢具有的意義。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

由于本系統(tǒng)所包含的模塊眾多、算法復雜，同時對功耗、穩(wěn)定性又有很高要求，所以在平臺的選擇時分兩個步驟進行：

功能實現(xiàn)階段，主要為完善手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等。各個部分均使用現(xiàn)成模塊。無線收發(fā)部分采用Ti公司生產(chǎn)的eZ430無線收發(fā)模塊;算法硬件實現(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，在實現(xiàn)手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等的基礎上，使用Atmel公司的生產(chǎn)的ATXMEGA32D4單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212自制手持端;采用AT32UC3L064單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212實現(xiàn)主機端的數(shù)據(jù)接收、手勢識別算法和USB接口管理。

3.3系統(tǒng)程序架構

本系統(tǒng)中，軟件設計主要分為手勢數(shù)據(jù)采集、無線通訊協(xié)議、手勢數(shù)據(jù)識別算法和USB接口協(xié)議幾部分。

手勢數(shù)據(jù)采集：在主機端的控制下對手勢數(shù)據(jù)進行采集并按一定的格式打包準備進行傳輸;

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

手勢識別算法：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)的智能識別算法，對手勢數(shù)據(jù)進行處理，得出手勢所具有的意義;

USB接口協(xié)議：管理主機端與PC或接收機之間的連接，將主機端枚舉為電腦的鼠標鍵盤復合設備，實現(xiàn)在無驅(qū)動條件下的即插即用。

3.4 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端程序，程序流程圖如下圖3所示。

3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結果

借助Atmel提供的EVK1100系列開發(fā)板和Ti eZ430無線模塊實現(xiàn)樣機一套，實現(xiàn)鼠標所有功能，并能對簡單的瀏覽軟件進行控制，同時達到識別準確率90%以上。自制產(chǎn)品初級模型一套，實現(xiàn)鼠標所有功能，同時具有“空中畫筆”功能，能對簡單的瀏覽軟件進行流暢的控制，達到準確識別90%以上。