專利名稱：一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸式人機(jī)交互方法，尤其涉及一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，屬于人機(jī)交互領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠?。人機(jī)交互技術(shù)作為計算機(jī)用戶界面的重要組成部分，一直是研究的熱點。幾十年來，人們一直廣泛地使用鍵盤、鼠標(biāo)來操縱計算機(jī)，這些傳統(tǒng)的交互方式難以滿足用戶隨時隨地、自然高效的交互行為需求。在傳統(tǒng)的交互方式下，人們只能用“計算機(jī)的思維”去和計算機(jī)進(jìn)行交流，“說”計算機(jī)“聽得懂的話”。人機(jī)交互研究的一個重要目標(biāo)，就是把人類思維與計算機(jī)思維的結(jié)合點向人類思維的方向移動，讓計算機(jī)盡可能的理解人類的行為，以人與人 之間的交流方式與用戶進(jìn)行溝通，而不總是讓用戶來適應(yīng)計算機(jī)，讓人機(jī)交互變得自然、和諧?？谡Z、書面語言、肢體語言、表情等是人與人之間交流經(jīng)常使用的自然語言，這些人類自然形成的認(rèn)知習(xí)慣和形式，必然是人機(jī)交互的發(fā)展方向。為了達(dá)到人機(jī)交互自然和諧的高級目標(biāo)，也為了克服當(dāng)前已有的交互技術(shù)的不足，基于自然語言的交互方式受到了很多研究人員的重視?；诳谡Z的交互比如語音輸入、語音合成，基于表情的交互比如眼動輸入，基于肢體語言的比如手勢輸入等先進(jìn)的交互方式，都是當(dāng)前人機(jī)交互研究領(lǐng)域的熱點。與傳統(tǒng)的交互方式如鍵盤、鼠標(biāo)相比，直接用手作為輸入自然、簡潔、直接且表意豐富。直接用手作為輸入，需要對手部位置和運動狀態(tài)進(jìn)行測量，“An adaptiveKalman-based Bayes estimation technique to classify locomotor activities inyoung and elderly adults through accelerometers”R. Muscillo,M. Schmid,S. Confortoand T. D’Alessio，Med.Eng.Phys. 32，849-859(2010)、“Detection of pedestriansin far-infrared automotive night vision using region-growing and clothingdistortion compensationR. Oj Malley, E. Jonesa, and M. Glavin, Infrared. Phys.Techn.53,439-449(2010)、“Human detection using a mobile platform and novelfeatures derived from a visual saliency mechanism” S. Montabone, and A.Soto,Image. Vision. Comput. 28, 391-402 (2010)中分別通過在人體手部安裝傳感器、紅外探測技術(shù)及圖像模式識別技術(shù)實現(xiàn)對人體手部的測速。然而由于室內(nèi)存在加熱、照明等發(fā)射紅外信號的設(shè)備，同時在室外環(huán)境中存在光照等紅外輻射源，使得應(yīng)用于人體手部運動測量的紅外探測技術(shù)的誤差率偏高。穿戴式傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠有效地測量人體手部的運動速度和角度，但由于需要將探測器安裝在人體手部上，存在著使用不方便的缺陷，同時將會對人體手部的運動狀態(tài)造成影響。目前最常用的是基于視覺的手勢交互，利用攝像頭對手勢進(jìn)行非接觸式的捕獲，是一種自然的交互方式。但是基于視覺的方法容易受到背景變化、環(huán)境光照變化等影響，攝像頭獲取的圖像背景復(fù)雜，手勢表觀也會受其嚴(yán)重影響，對手勢圖像的分析非常復(fù)雜，很難保證交互系統(tǒng)的實時性，在攝像頭的視頻死角區(qū)域無法發(fā)揮作用，因此，基于視覺的人機(jī)交互方式具有數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，實時性差且有視角限制的缺點。
而靜電探測技術(shù)是利用運動中物體所帶的靜電實現(xiàn)對目標(biāo)的探測識別?！癟riboelectrification of housefIies(Musea domestic L. )walking onsynthetic dielectric surfaces，，Mcgonigle D F, Jackson C W and Davidson J L 2002J. Electrostat 54167-177中首次提出對爬行中的昆蟲進(jìn)行靜電探測的方法。受此啟發(fā)，“Electrification of human body by walking，，F(xiàn)icker T 2006 J. Electrostat 6410-16通過安裝在人身體上的靜電計對運動中人體電勢的變化進(jìn)行了研究。由于一切運動的物體都會帶上靜電，而靜電場具有唯一的邊界條件，因此通過靜電場的變化，對運動的帶電人體手部可以進(jìn)行定位測量，因此將靜電探測方法應(yīng)用于測量人體及人體四肢運動，并且進(jìn)行人機(jī)交互是可行的，國內(nèi)外尚未有將靜電探測方法應(yīng)用于非接觸式人機(jī)交互的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用非接觸式靜電探測方式實現(xiàn)人機(jī)交互操作，通過非接觸式靜電探測方法測量人體手部運動速度與方向，確定手部實時位置，通過判定手部·運動狀態(tài)，控制計算機(jī)鼠標(biāo)的操作。本發(fā)明公開了一種通過靜電探測方式獲取人體手部實時位置和運動狀態(tài)，從而對計算機(jī)鼠標(biāo)進(jìn)行操作的方法，該方法將非接觸式靜電探測技術(shù)應(yīng)用于對人體手部運動速度和運動方向的測量中，可減小人體手部速度與方向測量技術(shù)的工作死角區(qū)，降低人體手部運動探測系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜程度，實現(xiàn)對手部實時位置與運動狀態(tài)的測量，通過判定手部運動狀態(tài)，實現(xiàn)對計算機(jī)鼠標(biāo)的人機(jī)交互操作。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)本發(fā)明公開的一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法具體實現(xiàn)步驟如下步驟一布設(shè)能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣列包括至少一組多極板探測單元；多極板探測單元由五個極板組成，其中四個極板分成兩對，兩對極板間的連線互相垂直，每對極板間距離為d，d < 200cm,四個極板位置布置呈正方形；第五個極板布置在垂直于四個極板所在平面的方向上，并且距離四個極板距離相同，距離四個極板所在平面距離為山五個極板構(gòu)成一個空間四棱椎體。極板間距離為d相對于人體手部運動距離較小，分析的運動距離d所用的時間相對于人體手部運動時間較小，因此測得的速度即為人體實時運動速度；步驟二 采集監(jiān)測環(huán)境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統(tǒng)獲取的靜電感應(yīng)信號電勢值；步驟三將該采集到的靜電感應(yīng)信號電勢值與預(yù)設(shè)判據(jù)對比，如果該靜電感應(yīng)信號與該預(yù)設(shè)判據(jù)相同，則認(rèn)為檢測到了人體手部運動的存在；步驟四記錄步驟二中檢測到的人體手部運動在每個極板上所產(chǎn)生的靜電感應(yīng)信號的波峰值，讀取每個極板上緊隨波峰值的過零點時刻；定義中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板與其相對的極板組成極板對一，極板對一中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板為極板1，另一個極板為極板2;另一對極板為極板對二，極板對二中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板為極板4，另一個極板為極板3 ;步驟一中所述的第五個極板為極板5 ;分別讀取多極板探測單元中極板1，極板2，極板3，極板4，極板5采集到的緊隨波峰值的過零點時刻t1; t2，t3，t4, t5 ;人體手部在極板I, 2，3，4構(gòu)成的水平面上運動方向α和人體手部運動速度V滿足公式⑴和(2):Γ ,(人一Λ )α = arccos——1——— )
d
f/( f\ ι sJa = arcs in—-——^ (2)
d步驟五聯(lián)立公式(I)和(2)即可獲得人體手部在極板1，2，3，4構(gòu)成的水平面上運動方向α為·a = arctg(^-^-) (3)
tI-tI人體手部在極板1，2，3，4構(gòu)成的水平面上運動速度V為V= I22 (4)
V(K) + (^4 - tI )步驟六人體手部在極板1，2，3，4構(gòu)成的水平面垂直方向運動速度V為
V= ,d ^ (5)步驟七多極板探測單元的數(shù)量及布陣方式根據(jù)實際探測目標(biāo)區(qū)域需要而定，多極板探測陣列中多組多極板探測單元能探測到不同位置處的人體手部的人體手部在極板1，2，3，4平面內(nèi)的實時運動方向α和人體手部實時運動速度V，以及在垂直極板1，2，3，4平面上的速度V'，在得到人體手部實時運動方向α和人體手部實時運動速度V和V'后，即已經(jīng)跟蹤到人體手部實時運動軌跡，確定手部實時位置和運動狀態(tài)。步驟八根據(jù)手部實時位置和運動狀態(tài)，把手部動作分為移動、單次敲擊和連續(xù)敲擊三種，移動定義為對應(yīng)鼠標(biāo)的拖動動作，單次敲擊定義為鼠標(biāo)的選中操作，連續(xù)敲擊定義為鼠標(biāo)的打開操作，按照上述定義對計算機(jī)鼠標(biāo)操作進(jìn)行匹配，從而根據(jù)手部靜電探測信號完成選中、拖動和打開的人機(jī)交互功能。所述的基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)包括探測極板、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、放大器、低通濾波器以及數(shù)據(jù)采集處理電路以及計算機(jī)。探測極板獲取靜電感應(yīng)電荷量，電荷量的變化產(chǎn)生靜電感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電流經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷褐?，然后?jīng)過放大器幅值得到放大，隨后經(jīng)過低通濾波電路去除噪聲。數(shù)據(jù)采集處理電路將濾波后的靜電感應(yīng)電壓信號進(jìn)行采集和運算處理，最后數(shù)據(jù)處理電路把鼠標(biāo)操作信息傳遞給計算機(jī)。步驟三中所述的預(yù)設(shè)判據(jù)為采集到的靜電感應(yīng)信號的幅值先由小變大，隨后又由大變??；采集到的靜電感應(yīng)信號具有周期連續(xù)性，每個周期內(nèi)的靜電感應(yīng)信號均出現(xiàn)兩個波峰，其中后一個波峰的幅值小于前一個波峰的幅值的一半。步驟三中多極板探測陣列包括多個多極板探測單元，多極板探測單元的數(shù)量及布陣方式根據(jù)實際探測目標(biāo)區(qū)域需要而定，多極板探測陣列可以給出不同位置處的人體手部的實時狀態(tài)，提高人機(jī)交互的區(qū)域范圍和精度。由于遮擋物無法徹底阻礙靜電場的傳輸，因此利用非接觸式靜電探測技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互受遮擋物影響小，所以通過非接觸式靜電探測技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互具有工作死角區(qū)小的優(yōu)點。
有益效果I本發(fā)明的基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，可以通過非接觸式靜電探測方法測量人體手部運動速度與方向，確定手部實時位置，通過判定手部運動狀態(tài)，控制計算機(jī)鼠標(biāo)的操作。2、本發(fā)明的基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，由于利用了靜電感應(yīng)信號傳播過程中受遮擋物阻礙小的特點，具有工作死角區(qū)小的特點。3、本發(fā)明的基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，通過簡單的電極布設(shè)和頻譜分析即可進(jìn)行人機(jī)交互，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、邏輯算法設(shè)計簡單的特點。


圖I是運動的人體手部與一組多極板探測單元相對位置關(guān)系示意圖；圖2是本發(fā)明的基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)原理框具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施方式
。本實施例的一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法具體實現(xiàn)步驟如下步驟一布設(shè)能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣列包括至少一組多極板探測單元；多極板探測單元由五個極板組成，其中四個極板分成兩對，兩對極板間的連線互相垂直，每對極板間距離為d，d < 200cm,四個極板位置布置呈正方形；第五個極板布置在垂直于四個極板所在平面的方向上，并且距離四個極板距離相同，距離四個極板所在平面距離為山五個極板構(gòu)成一個空間四棱椎體。極板間距離為d相對于人體手部運動距離較小，分析的運動距離d所用的時間相對于人體手部運動時間較小，因此測得的速度即為人體實時運動速度；步驟二 采集監(jiān)測環(huán)境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統(tǒng)獲取的靜電感應(yīng)信號電勢值；步驟三將該采集到的靜電感應(yīng)信號電勢值與預(yù)設(shè)判據(jù)對比，如果該靜電感應(yīng)信號與該預(yù)設(shè)判據(jù)相同，則認(rèn)為檢測到了人體手部運動的存在；步驟四記錄步驟二中檢測到的人體手部運動在每個極板上所產(chǎn)生的靜電感應(yīng)信號的波峰值，讀取每個極板上緊隨波峰值的過零點時刻；定義中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板與其相對的極板組成極板對一，極板對一中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板為極板1，另一個極板為極板2 ;另一對極板為極板對二，極板對二中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板為極板4，另一個極板為極板3，步驟一中所述的第五個極板為極板5 ;分別讀取多極板探測單元中極板1，極板2，極板3，極板4，極板5采集到的緊隨波峰值的過零點時刻t1; t2，t3，t4, t5 ;人體手部在極板I, 2，3，4構(gòu)成的水平面上運動方向α和人體手部運動速度V滿足公式⑴和(2):
權(quán)利要求
1.一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一布設(shè)能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣列包括至少一組多極板探測單元；多極板探測單元由五個極板組成，其中四個極板分成兩對，兩對極板間的連線互相垂直，每對極板間距離為d，d < 200cm,四個極板位置布置呈正方形；第五個極板布置在垂直于四個極板所在平面的方向上，并且距離四個極板距離相同，距離四個極板所在平面距離為d，五個極板構(gòu)成一個空間四棱椎體。極板間距離為d相對于人體手部運動距離較小，分析的運動距離d所用的時間相對于人體手部運動時間較小，因此測得的速度即為人體實時運動速度； 步驟二 采集監(jiān)測環(huán)境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統(tǒng)獲取的靜電感應(yīng)信號電勢值； 步驟三將該采集到的靜電感應(yīng)信號電勢值與預(yù)設(shè)判據(jù)對比，如果該靜電感應(yīng)信號與該預(yù)設(shè)判據(jù)相同，則認(rèn)為檢測到了人體手部運動的存在； 步驟四記錄步驟二中檢測到的人體手部運動在每個極板上所產(chǎn)生的靜電感應(yīng)信號的波峰值，讀取每個極板上緊隨波峰值的過零點時刻；定義中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板與其相對的極板組成極板對一，極板對一中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板為極板1，另一個極板為極板2 ;另一對極板為極板對二，極板對二中首先探測到靜電感應(yīng)信號的極板為極板4，另一個極板為極板3，步驟一中所述的第五個極板為極板5 ;分別讀取多極板探測單元中極板1，極板2，極板3，極板4，極板5采集到的緊隨波峰值的過零點時刻^ t2，t3，t4, t5 ;人體手部在極板1，2，3，4構(gòu)成的水平面上運動方向a和人體手部運動速度V滿足公式⑴和⑵
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，其特征在于步驟三中所述的預(yù)設(shè)判據(jù)為采集到的靜電感應(yīng)信號的幅值先由小變大，隨后又由大變小；采集到的靜電感應(yīng)信號具有周期連續(xù)性，每個周期內(nèi)的靜電感應(yīng)信號均出現(xiàn)兩個波峰，其中后一個波峰的幅值小于前一個波峰的幅值的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，其特征在于所述的基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)包括探測極板、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、放大器、低通濾波器以及數(shù)據(jù)采集處理電路以及計算機(jī)。探測極板獲取靜電感應(yīng)電荷量，電荷量的變化產(chǎn)生靜電感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電流經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷褐担缓蠼?jīng)過放大器幅值得到放大，隨后經(jīng)過低通濾波電路去除噪聲。數(shù)據(jù)采集處理電路將濾波后的靜電感應(yīng)電壓信號進(jìn)行采集和運算處理，最后數(shù)據(jù)處理電路把鼠標(biāo)操作信息傳遞給計算機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，其特征在于步驟一中所述的每對極板間距離d ( 200cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于靜電探測的非接觸式人機(jī)交互方法，其特征在于步驟三中多極板探測陣列包括多個多極板探測單元，多極板探測單元的數(shù)量及布陣方式根據(jù)實際探測目標(biāo)區(qū)域需要而定；步驟一中所述的每對極板間距離d ( 200cm。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種非接觸式人機(jī)交互方法，屬于人機(jī)交互領(lǐng)域。本發(fā)明的實現(xiàn)方法為布設(shè)能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列；獲得人體手部的運動方向與速度和人體手部水平面垂直方向運動速度；根據(jù)上述參數(shù)確定手部實時位置和運動狀態(tài)。根據(jù)手部實時位置和運動狀態(tài)，對計算機(jī)鼠標(biāo)操作進(jìn)行匹配，從而根據(jù)手部靜電探測信號完成選中、拖動和打開的人機(jī)交互功能。本發(fā)明將非接觸式靜電探測技術(shù)應(yīng)用于人機(jī)交互領(lǐng)域，可減小人體手部速度與方向測量技術(shù)的工作死角區(qū)，降低人體手部運動探測系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜程度，降低交互系統(tǒng)對環(huán)境的要求，實現(xiàn)對手部實時位置與運動狀態(tài)的測量，通過判定手部運動狀態(tài)，實現(xiàn)對計算機(jī)鼠標(biāo)的操作。
文檔編號G06F3/033GK102789326SQ20121022999
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者唐凱, 徐立新, 李鵬斐, 陳曦 申請人:北京理工大學(xué)