手寫識別器的設計與制作

余彥超 李紹翔 張開軒 彭聞萍 李翠梅

摘? 要：隨著科技時代的到來，移動信息類的產品愈發追求方便快捷的用戶體驗。手寫識別技術正是在這種時代潮流的推動下得到了發展，并且得到了大規模的應用。文章闡述了一款以STM32F407ZET6為單片機控制芯片、并且采用了TFT-LCD顯示屏的手寫識別器的設計過程，分別從硬件和軟件這兩個方面展開了介紹。

關鍵詞：STM32F407ZET6芯片;手寫識別;TFT-LCD顯示屏

Abstract： With the advent of the age of technology， mobile information products are increasingly pursuing convenient and efficient user experiences. Handwriting recognition technology was developed under the impetus of this trend of the times and has been applied on a large scale. This article describes a handwriting recognizer designed with STM32F407ZET6 as the Single chip microcomputer and using a TFT-LCD display screen. The following are described in terms of hardware and software.

手寫輸入與傳統的輸入法輸入相比，有著明顯且無法替代的優點——方便和快捷，并且避免了體積龐大的鍵盤設備，讓用戶有著更加順暢的體驗。手寫識別可以應用在多種智能移動客戶終端上，其廣泛的應用場景，為其提供了大量的用戶需求。我們團隊研發的手寫識別裝置針對數字和字母方面的識別做到高精度識別，以準確和高效增進用戶體驗。

1 系統設計

選擇一種好的處理器芯片對于手寫識別器的性能而言至關重要，但在考慮性能的同時，成本價格亦不能忽視， STM32F407ZET6這款高性能、低成本的芯片正好符合設計要求。用戶在TFT-LCD屏上進行手寫輸入，處理器捕獲到有序輸入軌跡后，將其進行LDA降維運算，進行八方向特征提取，最終獲得的樣本與模板庫進行對比，可以得到最終的識別結果顯示在TFT-LCD屏上面，并且提供出候選字符以供參考。對于一款識別器而言，識別精確度永遠是第一性能指標，為了提高識別準確度，我們將所要識別的字符分為三類：大寫英文字母、小寫英文字母和阿拉伯數字，產品可以切換識別模式來分別對所對應的類型進行識別，以提高識別準確度。同時產品留有較大的輸入區域，讓使用者有著更為舒適的手寫體驗。

2 系統硬件設計

本系統中，硬件方面主要包含處理器芯片，TFT-LCD屏和SPI FLASH芯片。處理器是各外設的心臟，控制外設工作。TFTLCD屏可以進行觸摸輸入，進行有序軌跡捕獲。

2.1 芯片型號

本產品使用了STM32F407ZET6作為單片機控制芯片，該芯片采用ARM Cortex? -M4內核架構，時鐘高達168MHz，集成大容量閃存和隨機靜態存儲器，可用于儲存程序和數據。同時有著眾多IO口以及AD/DA等豐富的外設資源。

2.2 TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）顯示屏

本產品由于需要進行手寫輸入，所以需要帶觸摸功能的LCD屏。這種TFT-LCD屏幕顯示質量高而且低功耗、具有觸摸功能，符合產品設計需要。隨著其制造技術的成熟，許多用戶也開始習慣使用這種高品質的屏幕。TFT-LCD既能符合產品要求，又深受用戶喜愛，所以本產品采用了較大的4.3寸TFT-LCD屏幕，給用戶帶來更舒適的觸感體驗。

2.3 SPI FLASH芯片

32M字節容量的W25Q256，滿足存放數據的需求， 能夠用來寄存字符數據、啟動文件等核心數據。

3 系統軟件設計

軟件設計部分為兩個部分，第一部分為PC端進行機器學習建立識別庫文件，提供給識別器使用;第二個部分是控制器端編程控制各個外圍設備之間的工作。

3.1 識別庫文件的設計

完成識別工作的第一步就是需要事先建立一個大數據庫，這就需要采集大量樣本數據，此時我們輸入大量阿拉伯數字和英文字母給機器學習，并且使用八方向特征提取的方法對這些樣本提取特征，由于此過程數據量龐大，STM32存儲器容量難以承受，所以還要進行LDA線性判決分析以達到降維使得數據量減小的目的。然后對于分類器的設計，我們采用了對樣本數據求均值的方法，以得到最小誤差。整個識別的計算過程就是在訓練樣本模板的過程中經過運算得到一個512維的數據矩陣，那么我們通過矩陣運算就可以得到需要的 64 維特征值。如下所示：

將得到的數據集建立.lib庫文件作為模板數據集并且導入項目中。

我們將捕獲到的運動軌跡轉化為64維的特征值后，與模板數據庫中的數據進行比對，誤差最小的即為最終識別結果，當然也可以留有候選字符，一并輸出顯示在屏幕上。

3.2 控制器端編程設計

軟件編程設計環境是Keil uvision5 MDK，使用C語言進行編程。本項目分任務進行。

（1）按鍵任務

本任務通過按鍵掃描，獲得按鍵值，執行不同的分任務。每個分任務對應一種類型字符的識別工作，這樣有利于提高識別器對不同種類字符的識別效率。

（2）TFT-LCD任務

初始化硬件層后，建立一個畫線函數，劃出一片手寫區域供用戶手寫輸入。同時進行設計LCD屏上的UI界面，并設置其顏色和字體大小。

（3）FTAFS文件系統管理任務

此任務目的是實現文件調用，實現對SPI FLASH的管理。

（4）識別任務

獲取輸入軌跡的點陣數據，在所建立的識別庫中進行匹配識別，算法求出最小誤差后輸出得到所對應的識別結果，并保留候選字符選項，將整個識別結果送給LCD顯示屏顯示。

（5）LED控制任務

通過每隔一段時間指示燈電平翻轉，實現指示燈閃爍，提示系統正常運行。

4 結束語

本文闡述了基于ARM Cortex? -M4內核實現的手寫識別器的設計方法，該手寫識別器采用電容式觸摸屏，用戶可以在輸入界面進行手寫輸入，通過算法優化識別速度和識別效率，給用戶很好的體驗;本設計以成本的角度采用STM32F407ZET6這款高性能、低功耗的單片機芯片，同時使用了4.3寸大屏幕優化用戶體驗，用戶書寫起來更加流暢順手。

參考文獻：

[1]呂國英，李茹，王文劍，等.算法設計與分析（第三版）[M].清華大學出版社，2015.

[2]沈紅衛，任沙浦，朱敏杰，等.STM32單片機應用與全案例實踐[M].電子工業出版社，2017.

[3]殷志堅，劉玉瑩，詹華群，等.電子技能訓練[M].中南大學出版社，2013.