一種非接觸式可穿戴智能戒指系統(tǒng)及其手勢(shì)識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于模式識(shí)別的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種非接觸式可穿戴智能戒指系統(tǒng)及 其手勢(shì)識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)快速升溫"互聯(lián)網(wǎng)女皇"瑪麗米克爾（Mary Meeker)將 2013年定義為可穿戴設(shè)備元年，認(rèn)為可穿戴設(shè)備將像20世紀(jì)80年代的個(gè)人電腦和目前的 移動(dòng)智能終端那樣推動(dòng)創(chuàng)新。國(guó)際ITIT巨頭紛紛將可穿戴設(shè)備視為未來(lái)竟?fàn)幍闹聘唿c(diǎn)，紛 紛涉足可穿戴領(lǐng)域，谷歌先是開(kāi)發(fā)出Google Glass這樣的可穿戴硬件，而后推出Android Wear操作系統(tǒng)以健全可穿戴設(shè)備開(kāi)發(fā)體系。三星在智能手表方面密集推出新品，搶占市場(chǎng)。 蘋果智能手雖未面世仍引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，英特爾則加大與終端企業(yè)的合作力度，推廣可 穿戴設(shè)備核心處理器。創(chuàng)新型中小企業(yè)Jawbone, Fitbit, Recon和Pebble等通過(guò)融資快速 成長(zhǎng)，選擇在運(yùn)動(dòng)、健康等產(chǎn)品領(lǐng)域快速切入，還有一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)則通過(guò)特定人群的差異化 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)取得突破，并且獲得較好的市場(chǎng)認(rèn)可度?？纱┐髟O(shè)備產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展孕育期，市場(chǎng) 發(fā)展前景十分廣產(chǎn)品竟?fàn)幦找婕ち?，全球各類廠商加速戰(zhàn)略布局搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)。
[0003] 智能戒指在模擬鼠標(biāo)、鍵盤的操作方面，具有用戶體驗(yàn)好等特點(diǎn)，能應(yīng)用于教師的 課堂教學(xué)；更能促進(jìn)賽車、第一人稱射擊等體感游戲的應(yīng)用開(kāi)發(fā)；同時(shí)，在控制小車、四軸 飛行器等設(shè)備，也能達(dá)到理想效果；特別是在智能家居的應(yīng)用中，該智能戒指的實(shí)用性帶給 用戶很大方便。因此，這種非接觸式可穿戴人機(jī)接口及其空間手勢(shì)識(shí)別方法很適應(yīng)當(dāng)前時(shí) 代的潮流和大眾的需要。目前，智能戒指在手勢(shì)識(shí)別方法方面，存在一點(diǎn)的不足，僅完成上 下左右的手勢(shì)基本操作辨識(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要解決的問(wèn)題是提供一種非接觸式可穿戴智能戒指系統(tǒng)及其手勢(shì)識(shí)別 方法，通過(guò)采用九軸感測(cè)組件獲取手勢(shì)數(shù)據(jù)信號(hào)，采用降維處理和歸一化處理得到手勢(shì)模 態(tài)特征數(shù)列，利用曼哈頓距離進(jìn)行匹配，識(shí)別方法易于實(shí)施，識(shí)別精度高，適應(yīng)新一代人機(jī) 交互的需要，有利于提高人們的生活體驗(yàn)。
[0005] -種基于非接觸式可穿戴智能戒指的手勢(shì)識(shí)別方法，包括以下幾個(gè)步驟：
[0006] 步驟1 :利用非接觸式可穿戴智能戒指上的九軸感測(cè)組件數(shù)據(jù)采集模塊獲取戒指 使用者的手勢(shì)數(shù)據(jù)信號(hào)；
[0007] 所述手勢(shì)數(shù)據(jù)信號(hào)包括3軸加速度值、3軸陀螺儀值以及3軸的磁場(chǎng)值；
[0008] 步驟2 :所述非接觸式可穿戴智能戒指通過(guò)通信模塊將手勢(shì)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)绞謩?shì) 識(shí)別終端；
[0009] 步驟3 :手勢(shì)識(shí)別終端對(duì)手勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；
[0010] 所述預(yù)處理包括降維處理和歸一化處理；
[0011] 所述降維處理是指按照設(shè)定的每組采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，對(duì)連續(xù)采集的手勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)信 號(hào)進(jìn)行分組，每組數(shù)據(jù)Ms按照設(shè)定的篩選范圍[a，b]進(jìn)行篩選，當(dāng)數(shù)據(jù)屬于[a，b]時(shí)對(duì)應(yīng) 的數(shù)據(jù)屬于有效數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)刪除，得到剩余有效數(shù)據(jù)虬；
[0012] 所述歸一化處理是指對(duì)剩余有效數(shù)據(jù)虬按照以下公式進(jìn)行歸一化處理得到歸一 化數(shù)據(jù)列M f:
[0013]
[0014] 其中，Count (Mr)表示數(shù)組Mr的大?。?br>[0015] 步驟4 :對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到模態(tài)特征數(shù)列Mz;
[0016]
[0017] 其中，（2)表示二進(jìn)制運(yùn)算；
[0018] 步驟5 :對(duì)已知手勢(shì)按照步驟1-步驟4所述方法進(jìn)行模態(tài)特征數(shù)列提取，構(gòu)建手 勢(shì)編碼庫(kù)；
[0019] 步驟6 :對(duì)待識(shí)別的手勢(shì)按照步驟1-步驟4所述方法進(jìn)行模態(tài)特征數(shù)列提取，得 到待識(shí)別的手勢(shì)的模態(tài)特征數(shù)列M' z，從手勢(shì)編碼庫(kù)中尋找與待識(shí)別的手勢(shì)的模態(tài)特征數(shù) 列M' z匹配的已知手勢(shì)編碼，將其作為手勢(shì)識(shí)別結(jié)果。
[0020] 所述步驟6中手勢(shì)識(shí)別編碼匹配采用曼哈頓距離進(jìn)行匹配，當(dāng)匹配誤差d小于設(shè) 定誤差閾值時(shí)，選擇最小的匹配誤差對(duì)應(yīng)的已知手勢(shì)作為手勢(shì)識(shí)別結(jié)果：
[0021] d= |M' z-Mz(n) I , η = (I,......, Gesture_Num)
[0022] 其中，Μζ(η)為第η個(gè)已知手勢(shì)的模態(tài)特征數(shù)列，Gesture_Num表示手勢(shì)編碼庫(kù)中 存在的手勢(shì)個(gè)數(shù)。
[0023] 所述手勢(shì)識(shí)別終端對(duì)手勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理前，對(duì)手勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)采用 卡爾曼濾波進(jìn)行去噪處理；
[0024] 其中，步驟3中數(shù)據(jù)篩選范圍為[0· 1，2]。
[0025] 對(duì)去噪處理后的數(shù)據(jù)采用四元數(shù)方法對(duì)九軸感測(cè)組件數(shù)據(jù)采集模塊中加速度計(jì) 采集的重力向量進(jìn)行誤差消除處理。
[0026] 按照以下公式計(jì)算手勢(shì)復(fù)雜度C :
[0027] 當(dāng)待計(jì)算復(fù)雜度的手勢(shì)屬于中國(guó)現(xiàn)代漢語(yǔ)字典的定義的獨(dú)體字時(shí)，采用以下公式 計(jì)算：
[0028]
[0029] 否則，利用手勢(shì)編碼庫(kù)中已有的手勢(shì)復(fù)雜度進(jìn)行計(jì)算：
[0030] C = Cnd* (1+d)，d = min {I Μ' Ζ_ΜΖ (η) I}，η = (1，......, Gesture_Num)
[0031] 其中，hor和ver分別代表的是該手勢(shì)在豎直方向和水平方向上方向改變的次數(shù)， 即通過(guò)將手勢(shì)在正交分解在直角坐標(biāo)系下，獲得在直角坐標(biāo)系下豎直和水平方向上的改變 次數(shù)；
[0032] t"表示手勢(shì)中第m個(gè)筆劃所經(jīng)歷的時(shí)間，依據(jù)用戶書(shū)寫(xiě)速度設(shè)定；Cni表示手勢(shì)中第 m個(gè)筆劃的復(fù)雜度，按照該筆劃對(duì)應(yīng)的（hor+ver*l. 2)計(jì)算獲得，Corner_Point表示手勢(shì)中 存在的所有拐點(diǎn)個(gè)數(shù)；
[0033] Cnd表示手勢(shì)編碼庫(kù)中與當(dāng)前待計(jì)算手勢(shì)之間的模態(tài)特征數(shù)列曼哈頓距離最小的 手勢(shì)的復(fù)雜度；
[0034] 所述手勢(shì)編碼庫(kù)中包含了所有書(shū)寫(xiě)中國(guó)現(xiàn)代漢語(yǔ)字典的定義的獨(dú)體字的手勢(shì)。
[0035] 對(duì)于復(fù)雜度超過(guò)設(shè)定復(fù)雜度閾值的手勢(shì)采集N組數(shù)據(jù)，按照以下公式對(duì)手勢(shì)的模 態(tài)特征數(shù)列進(jìn)行更新，得到優(yōu)化模態(tài)特征數(shù)列：
[0036]
[0037] 其中，Msl和M sj表示對(duì)同一手勢(shì)采集的第i和j個(gè)數(shù)組。
[0038] -種非接觸式可穿戴智能戒指系統(tǒng)，包括九軸感測(cè)組件數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通訊 模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理及特征庫(kù)建立模塊、終端手勢(shì)識(shí)別模塊和電源模塊；
[0039] 其中，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理與手勢(shì)編碼庫(kù)建立模塊以及終端手勢(shì)識(shí)別模塊采用權(quán)利要 求1-6任一項(xiàng)所述的方法實(shí)現(xiàn)。
[0040] 所述九軸感測(cè)組件數(shù)據(jù)采集模塊采用基于Stm32的32位MCU的JY-901。
[0041] 所述無(wú)線通訊模塊為BK32310系列藍(lán)牙通訊模塊。
[0042] 還包括與無(wú)線通訊模塊相連的BPI-Dl開(kāi)源IP攝像頭。
[0043] 所述手勢(shì)識(shí)別終端為智能手機(jī)或PC。
[0044] 有益效果
[0045] 本發(fā)明提供了一種非接觸式可穿戴智能戒指系統(tǒng)及其手勢(shì)識(shí)別方法，該方法中的 主要步驟為：步驟1 :由JY-901九軸感測(cè)組件設(shè)備去完成數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理，并通過(guò)藍(lán)牙 模塊傳輸?shù)浇K端設(shè)備。步驟2 :終端設(shè)備通過(guò)獲取采集的原始數(shù)據(jù)提取模態(tài)特征。步驟3 : 對(duì)用戶所作出的每一個(gè)有效的手勢(shì)指令通過(guò)模式匹配的方式得到最終的交互命令。步驟4: 交互命令可以通過(guò)用戶定義、自學(xué)習(xí)等方式實(shí)現(xiàn)，從而可完成對(duì)各個(gè)終端設(shè)備方便快捷的 操控。對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，能夠很準(zhǔn)確的識(shí)別到用戶所發(fā)出的手勢(shì)指令，識(shí)別率可以達(dá)到95% 以上，并且響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)短。因此，在靈敏性和準(zhǔn)確性方面有較好的保證。
[0046] 該系統(tǒng)依托九軸感測(cè)組件，對(duì)使用者的姿態(tài)，手勢(shì)進(jìn)行捕捉，這種方式最大程度地 降低了環(huán)境的影響，提高了用戶的使用體驗(yàn)。
[0047] 相比其他的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，較多的是采用圖像識(shí)別的方式，這就對(duì)周圍的光線環(huán) 境等有較高的要求。而相對(duì)來(lái)說(shuō)本方案，采用的是九軸感測(cè)組件，因?yàn)槭桥宕髟谑种干厦妫?所以只要產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或姿態(tài)變化就能獲取到不同的手勢(shì)信息。因此，本系統(tǒng)就不會(huì)受光線等 環(huán)境的影響，可以更加方便用戶隨時(shí)隨地的使用，且攜帶方便。
【附圖說(shuō)明】
[0048] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)示意圖；
[0049] 圖2為本發(fā)明智能戒指系統(tǒng)硬件組成圖；
[0050] 圖3為本發(fā)明數(shù)據(jù)預(yù)處理算法流程；
[0051] 圖4為本發(fā)明空間手勢(shì)識(shí)別算法流程圖；
[0052] 圖5安裝與佩戴圖示意圖；
[0053] 圖6為本發(fā)明總體方案框架示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0055] 如圖1所示，一種非接觸式可穿戴智能戒指系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)示意圖，其中智能戒 指的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，該套方案的控制終端為智能手機(jī)或PC等電子設(shè)備。
[0056] -種非接觸式可穿戴智能戒指系統(tǒng)，包括九軸感測(cè)組件數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通訊 模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理及特征庫(kù)建立模塊、終端手勢(shì)識(shí)別模塊和電源模塊；
[0057] 所述九軸感測(cè)組件數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)無(wú)線通訊模塊與數(shù)據(jù)預(yù)處理及特征庫(kù)建立 模塊，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理及特征庫(kù)建立模塊與所述終端手勢(shì)識(shí)別模塊相連，所述九軸感測(cè)組 件數(shù)據(jù)采集模塊與無(wú)線通訊模塊由電源模塊供電。
[0058] 在本實(shí)例中，所述九軸感測(cè)組件數(shù)據(jù)