第 1 章 緒論

1.1 課題背景

人機(jī)交互 HCI（Human-Computer Interaction）是指用戶與計(jì)算機(jī)之間通過某種特定的交流方式實(shí)現(xiàn)信息交互的過程，人機(jī)交互逐漸由需要用戶適應(yīng)智能設(shè)備到智能設(shè)備適應(yīng)用戶的需求進(jìn)行過度，人們也一直在追求一種可以自由、直接地操控設(shè)備的人機(jī)交互方式[1, 2]。目前，我們所熟知的人機(jī)交互方式主要有計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)和鍵盤輸入、觸摸屏輸入、語音識別、人臉識別及手勢識別等。其中，計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)和鍵盤輸入的交互方式因其操作簡單、準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)具有輸入效率低、使用距離短、操作隨意性差等缺陷，所以更加便捷、準(zhǔn)確的人機(jī)交互方式一直人們在不斷去尋求的目標(biāo)。觸摸屏輸入在智能手機(jī)和平板電腦中應(yīng)用較多，用戶僅需要通過觸摸屏幕的有效觸控范圍就可以實(shí)現(xiàn)簡單的交互輸入，例如文字輸入、選中、拖動等功能，然而，使用者的觸控輸入操作必需要求在觸摸屏上進(jìn)行，這種接觸式的操作方式仍然不能解放用戶的雙手，使觸控輸入交互方式的應(yīng)用范圍受到了局限性。

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1.2 可穿戴設(shè)備研究意義

隨著物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可穿戴技術(shù)發(fā)展迅速，可穿戴設(shè)備也在逐漸從大型化到小型化過度，在醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域最早研制的穿戴式健康交互系統(tǒng)，通過內(nèi)置脈搏血氧儀監(jiān)測使用者脈搏、血壓等生理參數(shù)，和利用傳感器傳回的步態(tài)和手勢數(shù)據(jù)判斷老年人是否跌倒等情況。近幾年，可穿戴設(shè)備在運(yùn)動監(jiān)測、休閑娛樂等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要以輕質(zhì)、小型的智能手環(huán)、服飾等電子設(shè)備為主，通過與智能手機(jī)的信息交互達(dá)到直觀地監(jiān)測用戶的心跳、運(yùn)動步數(shù)、卡路里消耗等健康指標(biāo)的目的[9, 10]。隨著谷歌公司推出“Google Glass”，可穿戴設(shè)備越來越受到全球研發(fā)愛好者更高的關(guān)注，實(shí)物圖如圖 1-1 所示。谷歌眼鏡由小型 GPS 定位系統(tǒng)、攝像儀器和慣性傳感器等裝置組成，在聯(lián)網(wǎng)的情況下通過與手機(jī)相連能夠?qū)崿F(xiàn)地圖搜索、拍攝照片以及發(fā)布消息等功能，且完美結(jié)合了谷歌公司其他軟件的功能，提升了用戶的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)度。

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第 2 章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過對國內(nèi)外手勢識別算法研究現(xiàn)狀的分析可知，動態(tài)時(shí)間規(guī)整方法和隱性馬爾可夫模型方法都需要建立手勢模板，然而對于選擇部分用戶進(jìn)行手勢操作提取手勢模板來說，這些用戶由于個(gè)人操作手勢的力度和速度不同，使可穿戴控制器輸出的手勢數(shù)據(jù)會相差較大，所以基于這些數(shù)據(jù)提取的手勢模板存在個(gè)體差異性的弊端，降低了手勢識別算法的準(zhǔn)確率，而且由于提前測試的用戶數(shù)量有限，造成手勢模板范圍較小，將影響算法的適應(yīng)性，同時(shí)這兩種方法在模板匹配過程中增加了計(jì)算量，無法確保算法的簡單性和實(shí)時(shí)性。對于手勢運(yùn)動軌跡重建方法，需要對手勢數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計(jì)算才能獲取控制器的運(yùn)動軌跡，然而積分過程不僅增加了算法的計(jì)算量還會因?yàn)殡S著時(shí)間增益引起識別誤差。手勢特征量提取相比于上述方法無需建立和匹配模板。雖然在手勢特征量提取之前需要對大部分用戶的手勢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但對于同一手勢加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)之間變化特征幾乎相同，所以只要在分類器中正確應(yīng)用特征量和確定其閾值就能避免個(gè)體差異性，該算法簡單、計(jì)算量小，具有良好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率。

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2.2 定義手勢類別

手勢類別具有動作多樣性的特點(diǎn)，不同手勢動作能夠表達(dá)不同的含義，可穿戴設(shè)備使用者可以通過操作不同種類手勢與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流，計(jì)算機(jī)對手勢的識別是一個(gè)分類過程，首先根據(jù)手勢類別的運(yùn)動情況不同，手勢可被分為靜態(tài)手勢和動態(tài)手勢兩個(gè)類別，，靜態(tài)手勢是指用戶的某種靜止的手部姿勢，對其識別主要是采集手勢的靜態(tài)圖像；而動態(tài)手勢是指用戶在一定時(shí)間內(nèi)手部姿勢發(fā)生的動態(tài)變化，對其識別則是采集對應(yīng)手勢的一條動態(tài)運(yùn)動的軌跡或是運(yùn)動過程中的手勢數(shù)據(jù)。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中手勢識別算法主要是依據(jù)提取手勢運(yùn)動特征量進(jìn)行手勢分類，所以本文針對動態(tài)手勢進(jìn)行識別研究，利用 MEMS 慣性傳感器采集手勢操作控制器的加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，將采集的運(yùn)動手勢數(shù)據(jù)利用手勢識別算法實(shí)現(xiàn)手勢分類。

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第 3 章 可穿戴控制器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)...............17

3.1 可穿戴控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)...............17

3.2 主控模塊................18

第 4 章 手勢識別算法設(shè)計(jì)...............23

4.1 手勢數(shù)據(jù)預(yù)處理................23

4.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換................25

第 5 章 系統(tǒng)檢測及結(jié)果分析...............36

5.1 測試平臺軟件介紹................36

5.2 軟件程序設(shè)計(jì)...............37

第 5 章 系統(tǒng)檢測及結(jié)果分析

5.1 測試平臺軟件介紹

測試平臺由可穿戴控制器的硬件設(shè)備和 Processing 上位機(jī)軟件編程環(huán)境組成，如圖 5-1 所示，在本文第三章中已經(jīng)詳細(xì)介紹了硬件設(shè)備的具體使用模塊，其中，控制器中 ATmega328 主控芯片通過在 Arduino 中編寫程序讀取MPU6050 傳感器采集的三軸加速度及三軸角速度數(shù)據(jù)，然后通過通訊模塊上傳手勢數(shù)據(jù)到 Processing 軟件進(jìn)行算法識別，最后通過三維圖像顯示手勢識別結(jié)果。Processing 上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境由用來寫代碼的簡單文本編輯器、文本控制臺、常用指令按鈕的工具欄和當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)彈出的一個(gè)新的顯示窗口等組成。在文本編輯器里編寫的程序被稱作草圖(sketch)，并保存為擴(kuò)展名 pde 的文件。

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5.2 軟件程序設(shè)計(jì)

當(dāng)手勢動作開始后手勢識別算法檢測到手勢起點(diǎn)，手勢長度隨著采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加而不斷增加，當(dāng)算法檢測到手勢終點(diǎn)時(shí)停止對手勢長度的更新。由于用戶在操作可穿戴控制器時(shí)，不經(jīng)意的瞬間抖動也有可能使加速度差分值、角速度差分值達(dá)到手勢起點(diǎn)、終點(diǎn)的要求，為了去除該類誤動作，測試動作持續(xù)時(shí)間最短、輸出手勢數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)最少的敲擊手勢的手勢長度至少大于60，所以在程序中，只有滿足 LEN>60 時(shí)，才會輸出手勢長度用于接下來的識別算法中。

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結(jié)論

本文針對目前手勢識別技術(shù)中人機(jī)交互設(shè)備體積大、識別算法精度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等方面的問題，設(shè)計(jì)了基于可穿戴控制器的手勢識別系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以集成陀螺儀和加速度計(jì)的慣性傳感器作為手勢數(shù)據(jù)采集傳感器，嵌入式微處理器通過通訊模塊將經(jīng)過濾波處理、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)軟件，從而構(gòu)成了手勢識別系統(tǒng)。本文還給出了系統(tǒng)的上位機(jī)軟件中手勢分類算法的設(shè)計(jì)，并說明了測試系統(tǒng)的搭建過程，并對手勢識別的顯示結(jié)果進(jìn)行了分析和說明。本文取得的主要研究結(jié)果如下：1．本文設(shè)計(jì)了一種可穿戴控制器。通過比較不同芯片的優(yōu)缺點(diǎn)，姿態(tài)模塊選擇了六軸運(yùn)動傳感器，免除了人為組合加速度計(jì)和陀螺儀的麻煩、通訊模塊選擇 WIFI 通信芯片，達(dá)到了提高傳輸效率的目的，此外所有芯片的選擇都基于低功耗、體積小的特點(diǎn)，滿足電源模塊鋰電池的供電條件，設(shè)計(jì)同一接口滿足下載、充電功能，減小硬件電路設(shè)計(jì)體積，實(shí)現(xiàn)了控制器可穿戴于手指的目的。

參考文獻(xiàn)（略）