基于嵌入式的智能手勢識別器的設(shè)計(jì)

宋耀華++王梅霞

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.002

摘 要：在存在聽力障礙以及健康的聽力人之間如果想要進(jìn)行無障礙的溝通，那么就需要通過手勢識別的方式來進(jìn)行，文中通過嵌入式系統(tǒng)對肢體部位所反映出來的各種信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，對生活中患有聽力障礙的人員生活質(zhì)量進(jìn)行最大限度的改善。手勢識別內(nèi)容是當(dāng)前相關(guān)研究領(lǐng)域作為熱點(diǎn)的話題，通過人際交互中的手勢識別凸顯出了該技術(shù)的重要地位。

關(guān)鍵詞：嵌入式 手勢識別 智能化

中圖分類號：TH771.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（c）-0002-02

1 手勢識別

手勢手語顧名思義就是通過非語言的方式來實(shí)現(xiàn)相互之間信息的傳遞和溝通，主要是通過手臂的揮動來進(jìn)行，手勢可以通過自身意義的表達(dá)完成一個系統(tǒng)，也可以是通過相互之間的溝通和交流來實(shí)現(xiàn)，非自主性手勢是特性意義的，一般在聾啞人中較為常用，但是舞蹈和樂器等并不在其中，而非自主性手勢則是為了能夠?qū)崿F(xiàn)溝通而進(jìn)行的，例如在演講的過程中受所發(fā)出來的手勢就是非自主性使用的。

手勢運(yùn)用的過程中主要是通過手勢所表示出來的模型和其參數(shù)來進(jìn)行代表，在進(jìn)行手勢識別的過程中，需要首先對于手勢建立模型，而后期進(jìn)行識別中主要是通過對于手勢所表示出來的內(nèi)容進(jìn)行選擇，查看其與模型中的手勢所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)相符合的環(huán)節(jié)進(jìn)行相互匹配，在日常的生活中因?yàn)榄h(huán)境以及文化的不同在手勢的識別會存在非常大的不同，手勢不同的表達(dá)方式不同人的解讀不同，概念性并不明確，因?yàn)樾畔鬟_(dá)出來的準(zhǔn)確度也會有所降低。

當(dāng)前人工智能技術(shù)獲得了非常大的發(fā)展空間，更多的學(xué)者和工作人員對手勢識別領(lǐng)域提出了更大的關(guān)注度，在如今的視頻圖像的識別過程中以及數(shù)據(jù)手套技術(shù)的識別中，都采用了不同的識別方式，從目前對于這種方式的計(jì)算過程來看主要是分為3種方法，動態(tài)時間規(guī)整、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隱馬爾可夫模型。

2 識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文采用的設(shè)計(jì)方案主要以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，將通信技術(shù)、圖像識別與處理技術(shù)以及控制技術(shù)等多種技術(shù)和專業(yè)進(jìn)行相互的結(jié)合，從而為有一些聽力障礙的人員提供一種更加高效率的溝通工具，文中所采用的手勢識別系統(tǒng)通過左手的運(yùn)動信息以及右手的信息采集動作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)化，然后通過數(shù)據(jù)處理將嵌入式系統(tǒng)所要表達(dá)出的含義進(jìn)行輸出，通過語音的方式向相關(guān)的人員進(jìn)行傳達(dá)。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

文中采用Samsung公司的S3C2440和STM32F103作為核心部件，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算及通信功能，傳感器主要實(shí)現(xiàn)外界事物的感知，主要有彎曲傳感器和陀螺儀，其中手指彎曲傳感器中主要是對模擬量的輸出來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中可以通過對數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，讓這些信息更加快速的實(shí)現(xiàn)識別，然后通過語音芯片將這些信息傳遞出去。

（1）電源電路設(shè)計(jì)。

電源在完成系統(tǒng)工作中發(fā)揮著重要的關(guān)鍵作用，本文使用德州儀器的LM1117芯片，為外圍設(shè)備提供3.3V工作電壓，該芯片提供電流限制和熱保護(hù)。設(shè)計(jì)中增加電源濾波及穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時價格低廉，壽命長。

（2）左手主控外圍電路設(shè)計(jì)。

在設(shè)備運(yùn)行設(shè)計(jì)中主要對左手主控模塊作為核心，在工作中通過傳感器數(shù)據(jù)的傳達(dá)，將右手信息數(shù)據(jù)的接收來保障完成任務(wù)的識別工作，最終得出的結(jié)果通過語音的方式輸出，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力要非常強(qiáng)大，因此本文用s3c2440芯片為中央主控制器實(shí)現(xiàn)左手主控功能，該芯片是三星公司開發(fā)的一款基于arm9內(nèi)核的微處理器。在系統(tǒng)中要具備通信、復(fù)位等功能，設(shè)計(jì)電路中采用外接陀螺 MPU6050傳感器和復(fù)位電路等共同組成的系統(tǒng)。

（3）右手主控外圍電路設(shè)計(jì)。

右手配置手套在文章中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能受限就是對手勢表達(dá)出來的信息進(jìn)行采集，另外一個就是通過藍(lán)牙設(shè)備實(shí)現(xiàn)對左手的信息同步傳遞，因此必須要求其具備非常強(qiáng)的運(yùn)行能力和處理技術(shù)，因此可以選擇將STM32F103ZET6芯片作為其數(shù)據(jù)采集和信息處理的主要處理設(shè)備。

（4）語音輸出電路設(shè)計(jì)。

在手勢和相關(guān)動作的表達(dá)中，由于地區(qū)差異，所以顯示不能僅僅局限于中文，還得支持英語表達(dá)需求，因此在選擇語音芯片的過程中為了能夠更好地為用戶提供服務(wù)，需要將中文以及英文進(jìn)行同時識別，因此將XFS5152CE芯片作為YS-XDSV2的語音處理其應(yīng)用到了程序中，作為輸出設(shè)備，其中芯片能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行識別以及播放，還能夠?qū)φZ音進(jìn)行解碼，另外通過其內(nèi)置的TTS語音合成實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的輸出，并且支持UART、I2C、SPI三種方式進(jìn)行通訊，XFS5152CE芯片是內(nèi)置的音頻處理器，能夠同時實(shí)現(xiàn)編碼和解碼功能，同時在編碼中能夠?qū)ρ訒r情況和失真情況進(jìn)行最大程度的避免，壓縮程度高，同時對各種語音識別過程實(shí)現(xiàn)了最大的提升速度。這些特點(diǎn)都讓其在數(shù)字化的語音通信過程中有更好的應(yīng)用范圍和控制，但是在進(jìn)行信號輸出的過程中，這種數(shù)字化的處理方式讓揚(yáng)聲器的功率無法發(fā)揮到最大，因此在輸出端口中要另外放置一個較大功率的放大器，文章中選擇了TPA2005D1音頻放大電路揚(yáng)聲器，能夠?qū)崿F(xiàn)85%以上的高效率工作，同時能夠?qū)υ胍暨M(jìn)行消除，所輸出的音質(zhì)與非常優(yōu)良，使用時間較長。

（5）彎曲傳感器電路設(shè)計(jì)。

手勢信號的識別過程中通過對于手指發(fā)生的彎曲程度來進(jìn)行判斷就是所謂的彎曲傳感器，通過對其設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更加準(zhǔn)確的表達(dá)。文章中所選擇的彎曲傳感器是FLX03型號，通過對表面所存在的不同電阻變化情況對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，90°彎曲電阻為0～9000?，180°彎曲電阻為0～22000?，然后通過轉(zhuǎn)換電路將電阻信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過AD來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終輸出數(shù)字形式的信號。在本系統(tǒng)中通過TI公司A/D模塊所使用的TLC2543芯片來進(jìn)行，通過12位串行A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)以及處理器之間的通信，F(xiàn)LX03彎曲傳感器主要將那彎曲程度轉(zhuǎn)換成電阻值，在-100～1100之間變化的電阻將會受到移動或者是抖動的影響，為了能夠更加提升識別穩(wěn)定程度，系統(tǒng)輸入端可以加入10k?的電阻值，初始化系統(tǒng)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，然后通過芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，然后在通過SPI通信完成信號內(nèi)容識別后的傳輸，轉(zhuǎn)換器返回準(zhǔn)備讀取新信息。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

在對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集工作是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)識別中處于核心位置，如果一旦有干擾或者數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，那后期的數(shù)據(jù)處理就失去了準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)分析工作將會意義不大。因此在采集程度設(shè)計(jì)過程中，要與硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互結(jié)合，在通過手指彎曲傳感器和陀螺儀中通過數(shù)據(jù)采集工作，進(jìn)行預(yù)先的處理，將數(shù)據(jù)傳送到中央處理器中，然后對各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一定義和分析，在數(shù)據(jù)包中手勢識別和保證具備完整性特點(diǎn)，這樣更加有利于系統(tǒng)進(jìn)行正確識別。

綜上所述，本文方案利用嵌入式系統(tǒng)將人工智能和計(jì)算機(jī)視覺等前沿技術(shù)進(jìn)行整合研究，通過對嵌入式的手勢識別系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的分析和介紹，從總體的架構(gòu)再到程序的設(shè)計(jì)上都有所設(shè)計(jì)，對其中所涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的識別完成了對嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)研究，讓各方面工作都能夠更加有效的運(yùn)行，通過系統(tǒng)的測試，讓此種系統(tǒng)能夠得到更加正確且高效的識別。

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