手勢(shì)識(shí)別器的設(shè)計(jì)

引言

　　手機(jī)、MP3播放器、硬盤播放器、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，這種方案更能滿足消費(fèi)者的好奇心，滿足消費(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]。圖中紅線代表上一次靜止時(shí)的采樣值，藍(lán)線代表運(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。

　　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)行開發(fā)。通過(guò)比較，選擇了J2ME的WTK開發(fā)包，它是專門針對(duì)移動(dòng)無(wú)線設(shè)備而設(shè)計(jì)的開發(fā)包，并提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)。在WTK的框架下開發(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)行開發(fā)，DefaultColorPhone的樣子如圖6。

　　　仿真器的外觀和操作類似一部移動(dòng)電話，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。

　　硬件描述

　　系統(tǒng)硬件分為兩個(gè)部分：CT-298和MM-2860。

　　CT-298是由MC9S08QG單片機(jī)構(gòu)成、由USB總線電源供電的小型評(píng)估板。CT-298上安裝有按鈕開關(guān)、LED燈、蜂鳴器等作為開發(fā)的輸入輸出器件。同時(shí)，USB-COM轉(zhuǎn)換電路采用了FTDI公司制造的FT232R，容許單片機(jī)與電腦之間通過(guò)USB接口進(jìn)行串行通信。BDM用于代碼的燒寫及系統(tǒng)的調(diào)試。

　　MM-2860是含有Freescale公司制造的MMA7260Q型三軸小量程加速度傳感器的模塊，它可以直接安裝在CT-298為其設(shè)計(jì)的插口上。MM-2860的電源是由CT-298上的MC9S08QG8單片機(jī)的PTB5端口來(lái)控制的，當(dāng)PTB5端口為L(zhǎng)時(shí)電源接通。此外，g-SELECT開關(guān)是選擇傳感器靈敏度的開關(guān)，使用時(shí)將MM-2860插入到CT-298的接口中即可。本系統(tǒng)采用加速度傳感器的靈敏度選擇為800 mV/g。

　　軟件描述

單片機(jī)主程序的流程如圖7所示。

　　系統(tǒng)上電后，首先要對(duì)單片機(jī)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化、配置寄存器等操作，之后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將加速度的值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到量化的值。圖片菜單是二級(jí)菜單，如果沒(méi)有接到演示系統(tǒng)傳給單片機(jī)進(jìn)入二級(jí)菜單的指令，則單片機(jī)一直在主程序運(yùn)行，不斷地采集A/D值、進(jìn)行動(dòng)作判定，并向演示系統(tǒng)發(fā)送type_action的指令。演示系統(tǒng)可根據(jù)接收到的type_action的類型采取相應(yīng)的動(dòng)作。如果單片機(jī)接收到進(jìn)入二級(jí)菜單的命令，則進(jìn)入圖片菜單，同時(shí)也執(zhí)行類似于主程序的動(dòng)作判定程序，并不斷更新A/D采樣值，發(fā)送type_action，直到接收到退出二級(jí)菜單指令才退出。下面詳細(xì)介紹一下各個(gè)功能模塊的具體設(shè)置。

　　單片機(jī)硬件初始化

　　單片機(jī)系統(tǒng)主要的工作有：將加速度傳感器的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、向演示系統(tǒng)發(fā)送type_action的動(dòng)作類型、接收演示系統(tǒng)發(fā)來(lái)的進(jìn)出二級(jí)菜單的指令、設(shè)置采樣值，除此之外還需要對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、外部設(shè)備（燈，buzzer）進(jìn)行配置。根據(jù)單片機(jī)的主要工作內(nèi)容選擇單片機(jī)內(nèi)部的功能設(shè)備，包括A/D轉(zhuǎn)換器、模定時(shí)器、串行通信模塊（SCI）、內(nèi)部時(shí)鐘源模塊。

　　數(shù)據(jù)采集

　　系統(tǒng)設(shè)置的采樣頻率為200Hz，每秒鐘分別對(duì)X、Y、Z 三軸采樣200個(gè)數(shù)據(jù)，因此定義了三個(gè)大小為N的數(shù)組對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，他們是：

char x_data[N];

char y_data[N];

char z_data[N];

這里N取50，每0.25s存取一次，1s鐘可以存取4次，保證采樣率為200。函數(shù)void acce_meas(void) 負(fù)責(zé)將采樣的數(shù)據(jù)分別放到這三個(gè)數(shù)組中，下面是程序的具體實(shí)現(xiàn)：

for(j=0;j
{

for(i=0;i<3;i++)

{

if(i==0)

{

adc_go(0); //選擇A/D信道0

x_data[j]= ADC_val_L; //X軸

}

else if(i==1 )

{

adc_go(6); //選擇A/D信道6

y_data[j]= ADC_val_L; //Y軸

}

else

{

adc_go(7); //選擇A/D信道7

z_data[j]= ADC_val_L; //Z軸

}

}

delay(); //延時(shí)函數(shù)，用來(lái)設(shè)定采樣率

}

動(dòng)作檢測(cè)

　　動(dòng)作檢測(cè)主要是用獲得的三組數(shù)據(jù)值x_data[N]、y_data[N]、z_data[N]來(lái)判定當(dāng)前動(dòng)作是系統(tǒng)設(shè)定動(dòng)作中的哪一個(gè)，如果符合，則發(fā)送這個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的預(yù)定義值給演示終端，否則發(fā)送NO_ACTION。type_dectction()用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作檢測(cè)，其中type_move為函數(shù)內(nèi)部變量，用于記錄動(dòng)作代碼。type_dectction()進(jìn)行動(dòng)作檢測(cè)的流程如圖8所示。

　　演示終端

　　J2ME平臺(tái)開發(fā)環(huán)境配置

　　進(jìn)行J2ME的開發(fā)需要從網(wǎng)絡(luò)上下載免費(fèi)的開發(fā)環(huán)境。運(yùn)行Eclipse后進(jìn)行最后的配置：Window->preferences->J2ME->Platform Component然后右鍵選擇 Wireless Toolkil，再選擇彈出菜單中的 Add Wireless Toolkil，選擇剛剛安裝的J2ME Toolkit的安裝路徑: C:WTK22，這樣基本配置就完成了。

　　J2ME的WTK開發(fā)包是專門針對(duì)移動(dòng)無(wú)線設(shè)備而設(shè)計(jì)的開發(fā)包，并提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)。在WTK的框架下開發(fā)出來(lái)的java程序可以被眾多的移動(dòng)設(shè)備所支持，能夠有效解決兼容性的問(wèn)題。

　　軟件應(yīng)用程序

　　程序分為主進(jìn)程、串口監(jiān)視模塊和定制化用戶界面三大部分，分別基于J2ME不同的類庫(kù)派生而成，三部分之間通過(guò)消息機(jī)制相互聯(lián)系，共同構(gòu)成整個(gè)程序的運(yùn)行周期。具體每個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能參考下節(jié)內(nèi)容。

　　軟件應(yīng)用程序的組織結(jié)構(gòu)

　　本軟件應(yīng)用程序在WTK的手機(jī)仿真器下進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為Base和display兩個(gè)package。在Base Package中包含MainRoutine.java和RS232Port.java兩個(gè)java文件；在display Package中的文件較多，主要實(shí)現(xiàn)了UI和基本的key響應(yīng)。下面介紹軟件部分的實(shí)現(xiàn)方法：

　　·MainRoutine類

　　MainRoutine為程序的入口類，它整合了程序中的所有的對(duì)象。MainRoutine派生于MIDlet類，重載實(shí)現(xiàn)了MIDlet中的startApp、pauseApp、destroyApp等方法，并且在constructor中加入了exitCommand命令，從而實(shí)現(xiàn)了手機(jī)的關(guān)機(jī)功能。

　　可以看出MainRoutine實(shí)現(xiàn)了程序的入口和退出，并同時(shí)標(biāo)志了程序的基本框架，給具體的功能應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　·vCanvas類

　　vCanvas繼承了Canvas類，并增加了externalMsg方法。之所以在其中增加externalMsg方法，是因?yàn)槠涑怌anvas不能動(dòng)態(tài)地響應(yīng)key，而我們對(duì)Canvas的要求是能夠通過(guò)對(duì)串口導(dǎo)入的數(shù)據(jù)（或按鍵）得到的keyCode做出相應(yīng)的動(dòng)作，比如圖片的翻轉(zhuǎn)、文本的滾動(dòng)等等。于是，我們可以通過(guò)vCanvas派生出一系列的子類，實(shí)現(xiàn)我們的具體要求，為將來(lái)的開發(fā)提供了方便。

　　·DisplayItem類

　　DisplayItem是基礎(chǔ)類，提供了通用的string數(shù)據(jù)組合。該類的構(gòu)造方法中需要輸入shortText、longText和extra三個(gè)string參數(shù)，這樣就保證了每個(gè)DisplayItem都可以返回三個(gè)不同長(zhǎng)度的文本信息，在不同的場(chǎng)合使用。其中shortText用于UI中的標(biāo)題顯示，longText為Item的主體內(nèi)容，extra為Item的附加信息。 DisplayItem類在本系統(tǒng)中會(huì)被例化來(lái)描述菜單和子功能的內(nèi)容，是應(yīng)用廣泛的一個(gè)基礎(chǔ)類。

　　·ImageCanvas類

　　ImageCanvas同樣繼承于基礎(chǔ)類vCanvas，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖片的瀏覽及旋轉(zhuǎn)、鏡像等基本操作。

　　考慮到目前使用手機(jī)瀏覽圖片、拍攝圖片的多方向性，如果能夠通過(guò)加速度傳感器自動(dòng)校正圖片的方向，使它自動(dòng)滿足我們想要的方向，那么我們就免除了很多不必要的麻煩。于是我們對(duì)圖片的瀏覽功能模塊增加了向左或者向右旋轉(zhuǎn)90°的功能。這樣用戶就會(huì)驚喜地發(fā)現(xiàn)無(wú)論他的手機(jī)怎樣擺放，顯示的圖片將永遠(yuǎn)保持與地面垂直。

　　·ListCanvas類

　　ListCanvas提供了主畫面的顯示能力，并將用戶操作派生到內(nèi)部聚合成員上面去。具體功能的Item將包含在ListCanvas之中，每一個(gè)Item擁有顯示在屏幕上的ShortItem，顯示在detail screen中的LongText，還有不被顯示的ExtraText，當(dāng)然其信息我們也是可以得到的。在ListCanvas中，我們可以用“右鍵”顯示Item的詳細(xì)信息，也可以用SELECT鍵來(lái)標(biāo)記每個(gè)Item。

·　　ItemListCanvas類：

　　ItemListCanvas同樣繼承了vCanvas類，實(shí)現(xiàn)了多條目文本瀏覽的功能，構(gòu)造方法的輸入依次為Display、Displayable、Font、Title和ItemVector。將多條String構(gòu)造為一個(gè)Vector傳遞給ItemListCanvas后，該類能夠提供一個(gè)多條目文本實(shí)現(xiàn)的用戶界面。本系統(tǒng)的“關(guān)于本系統(tǒng)”子功能就是通過(guò)實(shí)例化該類得到的。

　　結(jié)論

　　本系統(tǒng)采用Freescale的單片機(jī)MC9S08QG和加速度傳感器MMA7260Q實(shí)現(xiàn)了便攜式手持設(shè)備的手勢(shì)控制，并采用了開放的J2ME平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了終端應(yīng)用程序。系統(tǒng)完整，實(shí)用性強(qiáng)，成本低廉，在滿足用戶基本操作需要的同時(shí)，增加了移動(dòng)設(shè)備操作的趣味性和靈活性。同時(shí)，加速度傳感器MMA7260Q較小的體積和獨(dú)特的節(jié)電模式更使其在移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用中有著極大的優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)的手持設(shè)備系統(tǒng)中會(huì)大量采用類似的手勢(shì)識(shí)別功能，因此具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。