手勢(shì)識(shí)別器的設(shè)計(jì)

引言

　　手機(jī)、MP3播放器、硬盤(pán)播放器、數(shù)碼相機(jī)、PDA等設(shè)備都是通過(guò)導(dǎo)航鍵對(duì)其進(jìn)行控制的。目前比較流行的導(dǎo)航鍵控制方式有四維鍵、搖桿，這是最常見(jiàn)的兩種導(dǎo)航鍵，此外還有一些手機(jī)上有很新穎的導(dǎo)航鍵設(shè)計(jì)，例如：LG-KG70的滾軸鍵、LG-KE608的轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)、索愛(ài)W830的觸摸式、多普達(dá)D802的飛梭滾輪等等。這里，我們用加速度傳感器設(shè)計(jì)一種看不見(jiàn)的導(dǎo)航鍵來(lái)代替四維鍵的功能，這種方案更能滿(mǎn)足消費(fèi)者的好奇心，滿(mǎn)足消費(fèi)者追逐時(shí)尚的需求。

手勢(shì)識(shí)別的控制原理

　　本系統(tǒng)利用三軸加速度的值來(lái)判定對(duì)物體運(yùn)動(dòng)預(yù)定義的六種姿勢(shì)。首先，分別對(duì)三個(gè)軸采樣，每個(gè)軸各獲得50個(gè)數(shù)據(jù)；然后，分別對(duì)每個(gè)軸上的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)判定是否發(fā)生了預(yù)定義的動(dòng)作。動(dòng)作定義在下面的部分說(shuō)明，這里僅用Y軸來(lái)說(shuō)明判定的原理。

　　獲得Y軸上的50個(gè)數(shù)據(jù)存放到數(shù)組y_data[N]中，將這50個(gè)數(shù)求和取平均值。若y_data[N]中數(shù)據(jù)最大值與最小值之差在一個(gè)設(shè)定的閾值之內(nèi)，則認(rèn)為物體在Y軸向上是沒(méi)有動(dòng)作的、靜止的，此時(shí)更新y_init值為y_data[N]求得的平均值；否則，y_data[N]中數(shù)據(jù)最大值與最小值之差超出一個(gè)設(shè)定的閾值，則認(rèn)為物體是運(yùn)動(dòng)的，y_init值不變，仍然為上一次靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的值。

　　圖1和圖2是Y軸分別向左、向右搖動(dòng)時(shí)采樣得到的加速度抽樣值y_data[N]。圖中紅線(xiàn)代表上一次靜止時(shí)的采樣值，藍(lán)線(xiàn)代表運(yùn)動(dòng)時(shí)的采樣值。圖1為向左搖動(dòng)時(shí)的值，可以明顯看出加速度的值較靜止時(shí)有明顯的變化，向著增大的方向變。

 
　　從圖1和圖2中可以看出，兩條黑線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)很難斷定是哪個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生的，因?yàn)閮蓚€(gè)動(dòng)作都可能產(chǎn)生這樣的值。所以，利用黑線(xiàn)之外的數(shù)據(jù)來(lái)判定是向右還是向左搖。因?yàn)閷?duì)于這兩個(gè)動(dòng)作，黑線(xiàn)之外的數(shù)據(jù)有明顯的差異，數(shù)據(jù)相差很多。對(duì)于圖1這些數(shù)據(jù)大于150，圖2中這些數(shù)據(jù)小于90。因此這些數(shù)據(jù)至少相差60，可以很容易地將向左、向右的兩個(gè)動(dòng)作區(qū)分開(kāi)。

　　本系統(tǒng)就是根據(jù)這樣的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，首先分別設(shè)定向左、向右搖時(shí)的閾值和兩個(gè)計(jì)數(shù)器；然后，將新采樣得到的50個(gè)值存放在y_data[N]中，將每個(gè)值與靜止時(shí)的值y_init比較，如果數(shù)據(jù)超出某個(gè)閾值，則在相應(yīng)的計(jì)數(shù)器上累加，直到所有50個(gè)數(shù)全部比較完畢；最后，根據(jù)計(jì)數(shù)器值的大小來(lái)判定執(zhí)行了某個(gè)動(dòng)作。

　　同理，利用Z軸的采樣值來(lái)判定向上、向下?lián)u，利用X、Y兩個(gè)軸來(lái)判定執(zhí)行圖片向左翻轉(zhuǎn)還是向右翻轉(zhuǎn)，這里略去。

系統(tǒng)描述

　　系統(tǒng)組成及功能

　　系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：CT-298單片機(jī)控制部分、 MM-2860加速度傳感器部分、演示終端，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

　　CT-298單片機(jī)控制部分主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的A/D變換、動(dòng)作檢測(cè)、與演示終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MM-2860加速度傳感器部分負(fù)責(zé)加速度值的測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換為電壓值。演示終端負(fù)責(zé)處理從單片機(jī)傳來(lái)的動(dòng)作類(lèi)型并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)向單片機(jī)返回進(jìn)出二級(jí)菜單的指令。對(duì)于CT-298單片機(jī)系統(tǒng)更詳細(xì)的設(shè)計(jì)將在下面的部分介紹，這里首先介紹一下本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動(dòng)作姿勢(shì)及代碼，以及與演示系統(tǒng)交互的指令。

　　預(yù)定義的動(dòng)作

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)了六種動(dòng)作，他們分別是左搖、右搖、下?lián)u、上搖、圖片左轉(zhuǎn)、圖片右轉(zhuǎn)。圖4中的圖形象地說(shuō)明了其中的兩個(gè)動(dòng)作，其它的動(dòng)作與此類(lèi)似。

 

 　　系統(tǒng)還為每個(gè)動(dòng)作定義了相應(yīng)的動(dòng)作代碼，見(jiàn)表1。

　　當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到某個(gè)動(dòng)作時(shí)會(huì)將相應(yīng)的值賦給變量type_action，之后通過(guò)SCI將type_action的值發(fā)送到演示終端。如果用戶(hù)執(zhí)行的動(dòng)作不在這六個(gè)動(dòng)作之中，則將NO_ACTION賦給type_action，表示演示終端不執(zhí)行任何動(dòng)作。

　　系統(tǒng)還定義了單片機(jī)與演示終端交互的指令，用于系統(tǒng)在主菜單和二級(jí)菜單之間的界面切換，指令從演示系統(tǒng)通過(guò)SCI傳給單片機(jī)，單片機(jī)接收到之后進(jìn)入或退出二級(jí)菜單，見(jiàn)表2。

　　這里僅定義了一個(gè)二級(jí)菜單，即圖片菜單，系統(tǒng)還可以定義更多的二級(jí)菜單和三級(jí)菜單。此外，需要說(shuō)明動(dòng)作MOVE_TURN_LEFT、MOVE_TURN_RIGHT用于圖片翻轉(zhuǎn)，僅在圖片菜單中可用，在主菜單不可用。動(dòng)作下?lián)u執(zhí)行的是換下一幅圖片，動(dòng)作上搖執(zhí)行的是退出圖片菜單。

　　演示終端

　　本系統(tǒng)目標(biāo)定位在便攜式消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品上，因此在軟件應(yīng)用程序上必須選擇具有廣泛基礎(chǔ)的應(yīng)用平臺(tái)。由于近年來(lái)J2ME在便攜式終端中的應(yīng)用非常廣泛，因此本系統(tǒng)也采用了J2ME平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)比較，選擇了J2ME的WTK開(kāi)發(fā)包，它是專(zhuān)門(mén)針對(duì)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)設(shè)備而設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)包，并提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)。在WTK的框架下開(kāi)發(fā)出來(lái)的java程序可以被眾多的移動(dòng)設(shè)備所支持，所以能夠有效解決兼容性的問(wèn)題。

　　在WTK下我們利用默認(rèn)的一個(gè)手機(jī)樣機(jī)的仿真器DefaultColorPhone進(jìn)行開(kāi)發(fā)，DefaultColorPhone的樣子如圖6。

　　仿真器的外觀和操作類(lèi)似一部移動(dòng)電話(huà)，但是并不代表某個(gè)特定的設(shè)備，而是提供對(duì)其所支持的API 的正確實(shí)現(xiàn)，每個(gè)命令按鈕對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的API函數(shù)。從圖6中可以看到手機(jī)的導(dǎo)航鍵，我們更改了導(dǎo)航鍵的API函數(shù)，使其從鼠標(biāo)單擊觸發(fā)的方式轉(zhuǎn)換為串口動(dòng)作代碼控制。首先，我們編寫(xiě)了J2ME的串口接收程序，用于接收從單片機(jī)傳來(lái)的單字節(jié)的type_action值；然后將type_action以參數(shù)的形式傳給API，手機(jī)根據(jù)不同的type_action值執(zhí)行不同的動(dòng)作，包括菜單上下翻、進(jìn)出二級(jí)子菜單、圖片翻轉(zhuǎn)等。手機(jī)動(dòng)作與type_action的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3。

　　根據(jù)type_action的值，在手機(jī)界面上產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，手機(jī)界面發(fā)送不同的變化。演示終端的具體實(shí)現(xiàn)在下面的內(nèi)容詳細(xì)介紹。