一种手势识别装置及其识别方法与流程

本发明涉及显示领域，特别是涉及一种手势识别装置及其识别方法。

背景技术：

现有的手势识别的实现原理有基于红外传感器实现的、有基于摄像头检测的、有基于电阻式的、有基于电容式的。

目前，电阻式和电容式的手势操作，是通过用户使用手指或笔在触摸屏上绘画特定的手势来实现的，基于这两种原理实现的手势操作，不能远离触摸屏隔空操作；

使用红外传感器实现的手势操作，可以实现三维空间的手势识别，但由于红外传感器易受环境光的影响，从而影响手势操作识别的准确性；

使用摄像头检测手势操作的方式，是基于性能强大的数字信号处理器，集成模式识别类的算法来实现的，具有易受环境光影响和成本高的缺点。

因此，如何简单有效检测障碍物，提高手势识别的准确性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种手势识别装置及其识别方法，具有传感器数量少、成本低、结构简单等优点，可以有效的检测障碍物、并提高了手势识别的准确性。其具体方案如下：

一种手势识别装置，包括：中控娱乐设备，分别位于所述中控娱乐设备两侧的第一超声波传感器和第二超声波传感器，以及分别与所述中控娱乐设备、所述第一超声传感器和所述第二超声波传感器电性连接的控制芯片；

所述控制芯片，用于控制所述第一超声传感器和所述第二超声波传感器按设定顺序轮流发射超声波并监测障碍物反射回的超声波，实时判断用户手势信息，以控制所述中控娱乐设备实时响应相应的功能。

优选地，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，所述第一超声传感器和第二超声传感器以所述中控娱乐设备的中心线为对称轴对称分布。

优选地，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器均为收发一体式的圆柱形传感器。

优选地，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器的中心频率相同。

优选地，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器发射的球形超声波的角度范围均为-60°至60°。

优选地，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器测得的与所述障碍物之间的有效距离范围均为4cm至40cm。

优选地，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，所述中控娱乐设备包括收音机、光盘或液晶显示屏。

本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述手势识别装置的识别方法，包括：

控制所述第一超声传感器和所述第二超声波传感器按设定顺序轮流发射超声波并监测障碍物反射回的超声波；

计算出所述第一超声传感器和所述第二超声波传感器分别与所述障碍物之间的距离以及所述障碍物的位置；

根据计算出的所述距离和所述位置，实时判断用户手势信息；

根据所述用户手势信息，控制所述中控娱乐设备实时响应相应的功能。

本发明所提供的一种手势识别装置及其识别方法，包括：中控娱乐设备，分别位于中控娱乐设备两侧的第一超声波传感器和第二超声波传感器，以及分别与中控娱乐设备、第一超声传感器和第二超声波传感器电性连接的控制芯片；控制芯片，用于控制第一超声传感器和第二超声波传感器按设定顺序轮流发射超声波并监测障碍物反射回的超声波，实时判断用户手势信息，以控制中控娱乐设备实时响应相应的功能。由于在中控娱乐设备两侧设置有两个超声波传感器，以及通过控制芯片的作用，可以实现三维空间的手势识别，具有传感器数量少、成本低、结构简单等优点，而且采用的超声波传感器具有不受光照影响、检测范围大的优点，从而可以有效的检测障碍物、并提高了手势识别的准确性和人机交互的舒适性、便利性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的手势识别装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的超声波传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的手势识别装置的工作原理示意图；

图4为本发明实施例提供的手势识别装置的识别方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种手势识别装置，如图1所示，包括：中控娱乐设备100，分别位于中控娱乐设备100两侧的第一超声波传感器101和第二超声波传感器102，以及分别与中控娱乐设备100、第一超声传感器101和第二超声波传感器102电性连接的控制芯片103；

控制芯片103，用于控制第一超声传感器101和第二超声波传感器102按设定顺序轮流发射超声波并监测障碍物反射回的超声波，实时判断用户手势信息，以控制中控娱乐设备100实时响应相应的功能。

需要说明的是，这里的“障碍物”可以是用户的手掌、手指、手臂等，也可以是用户手中所拿的物体，等等，只要能实现手势操作即可。这里的“中控娱乐设备”可以是安装在汽车中的车辆中控娱乐设备，也可以是其它场所里的中控娱乐设备，在此不做限定。在具体实施时，中控娱乐设备可以包括收音机、光盘或液晶显示屏，即中控娱乐系统100可以是不带液晶显示的收音机(fm、am)和cd，也可以是带液晶显示的高级中控娱乐装置。

在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，在中控娱乐设备两侧设置有两个超声波传感器，以及增设了控制芯片；控制芯片可以控制两个超声波传感器在设定时间间隔内(例如30ms)按设定顺序轮流发射超声波并监测障碍物反射回的超声波，实时判断用户手势信息，以控制中控娱乐设备实时响应相应的功能，通过控制芯片的作用，可以实现三维空间的手势识别，具有传感器数量少、成本低、结构简单等优点，而且采用的超声波传感器具有不受光照影响、检测范围大的优点，从而可以有效的检测障碍物、并提高了手势识别的准确性和人机交互的舒适性、便利性。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，如图1所示，第一超声传感器101和第二超声传感器102以中控娱乐设备100的中心线为对称轴对称分布。此时第一超声传感器101和第二超声传感器102平行布置于同一平面，这样可以实现多种手势操作。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，如图2所示，第一超声波传感器101和第二超声波传感器102均可以为收发一体式的圆柱形传感器。图2中的2表示第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的有效工作范围；3表示第一超声波传感器101和第二超声波传感器102发射的球形波；±α角表示球形波的有效传播、作用范围。第一超声波传感器101和第二超声波传感器102组成的检测区域范围有重叠作用区域，可以在不增加硬件成本的情况下，检测出更多手势。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，第一超声波传感器和第二超声波传感器的中心频率可以相同；该中心频率可以设置为40khz。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，第一超声波传感器和第二超声波传感器发射的球形超声波的角度α范围均可以为-60°至60°。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述手势识别装置中，第一超声波传感器和第二超声波传感器测得的与障碍物之间的有效距离范围均为4cm至40cm，对于有效距离范围的设定的具体依据如下：

具体地，如图3所示，104为第一超声波传感器101的有效工作范围，即图中标号i；105为第二超声波传感器102的有效工作范围，即图中标号ii；106为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的公共工作区域，即图中标号iii；107为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的工作盲区，即图中标号iv。图中标示，d2为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102之间的距离，在此假设为220cm，即d2＝220cm；d1为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的直径,在此假设均为20cm，即d1＝20cm；另外，图3中标示的尺寸h2为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102能测量的最大距离，尺寸h1为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的公共测距盲区(位于最大测距范围之内，即小于h2)，h为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的最小测距范围，所以第一超声波传感器101和第二超声波传感器102测得的与障碍物之间的有效距离范围为[h，h2]；

图3中标示的区域i为五边形abefg为第一超声波传感器101的有效检测手掌的范围；图中标示的区域iii为三角形δefm为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的公共检测区域范围；图中标示的区域ii为五边形cdkme为第二超声波传感器102的有效检测手掌的范围。图中标示的“左”、“右”标示方位，是为了便于后续说明方便。

一般地，超声波传感器的测距盲区为4cm，假设第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的测距盲区均为4cm，因此第一超声波传感器101和第二超声波传感器102测得的与障碍物之间的有效距离必然大于或等于4cm；由于超声波测距的最大量程是由信号强度和障碍物形状等因素综合决定的，所以难以设定精确的测距最大量程，所以本装置的实际测量量程大于h2＝40cm，但当超声波测量出手掌的距离大于h2＝40cm时，则判定为无效操作。

另外，可以采用下述公式计算公共测距盲区距离第一超声波传感器101和第二超声波传感器102表面的最大距离h1：

h1＝(d2-d1)*tan(90°-α)/2

式中，h1为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的公共测量盲区的最大垂直距离；d2为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102之间的距离，且d2＝220cm；d1为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的直径，且d1＝20cm；α角为第一超声波传感器101和第二超声波传感器102的球形波的最大辐射角，且α＝60°。

将各已知参数代入上述公式，计算可得本装置的公共测距盲区距离第一超声波传感器101和第二超声波传感器102表面的最大距离h1≈14cm。该h1位于最大测距范围之内，即小于h2。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述手势识别装置的识别方法，由于该方法解决问题的原理与前述一种手势识别装置相似，因此该方法的实施可以参见手势识别装置的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的手势识别装置的识别方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

s401、控制第一超声传感器和第二超声波传感器按设定顺序轮流发射超声波并监测障碍物反射回的超声波；

s402、计算出第一超声传感器和第二超声波传感器分别与障碍物之间的距离以及障碍物的位置；

s403、根据计算出的距离和位置，实时判断用户手势信息；

s404、根据用户手势信息，控制中控娱乐设备实时响应相应的功能。

具体地，在执行步骤s402时，采用下述公式计算第一超声传感器和第二超声波传感器分别与障碍物之间的距离：

h＝c*t/2

式中，h为第一超声传感器和第二超声波传感器分别与障碍物之间的距离；c为声波在空气中的传播速度，c＝340m/s；t为第一超声传感器和第二超声波传感器发射波形到接收到回波的时间差。

以图3为例，详细描述本发明实施例提供的手势识别装置的检测原理如下：

控制芯片103按照30ms的时间间隔，控制第一超声波传感器101和第二超声波传感器102按顺序轮流发射超声波，并监测被障碍物反射回的超声波，并按照上述公式实时计算出障碍物距离各传感器的距离，按照一定的规则判断出当前用户的操作手势，以实现对应的人机交互功能。

假设障碍物为用户的手掌，具体的步骤描述如下：

步骤一、通过第一超声波传感器101检测手掌距离；

控制芯片103控制第一超声波传感器101发射球形超声波，记录发射起始时间t1，并监测反射回的超声波，记接收到回波的时间为t2，并计算当前手掌距离，记为s1，且s1＝c*t/2＝34000/2*(t2-t1)cm；若s1＞40cm则判定当前第一超声波传感器101的感应区域104和106内无手掌；若s1≤40cm则判定当前第一超声波传感器101的感应区域104或106内有手掌。若在30ms内控制芯片103都未检测到回波，则判定当前第一超声波传感器101的感应区域104或106内无手掌，记当前检测距离s1＞40cm。

步骤二、通过第二超声波传感器102检测手掌距离；

控制芯片103控制第二超声波传感器102发射球形超声波，记录发射起始时间t3，并监测反射回的超声波，记接收到回波的时间为t4，并按照式(1)计算当前手掌距离，记为s2，且s2＝c*t/2＝34000/2*(t4-t3)cm；若s2＞40cm则判定当前第二超声波传感器102的感应区域105和106内无手掌；若

s2≤40cm则判定当前第二超声波传感器102的感应区域105或106内有手掌。若在30ms内控制芯片103都未检测到回波，则判定当前第二超声波传感器102的感应区域105和106内无手掌，记当前检测距离s2＞40cm。

步骤三、控制芯片103检测手掌的位置和距离信息；

控制芯片103按照步骤一和步骤二以60ms为周期循环、轮流控制超声波传感器101和102发射、接收超声波，并实时计算手掌的距离和位置顺序，并根据顺序检测位置和距离信息。

具体的，关于手掌的定位方法如下：

若控制芯片103检测到4cm≤s1≤40cm且s2＞40cm，则说明当前手掌位于区域104内；

若控制芯片103检测到4cm≤s1≤40cm且同时满足4cm≤s2≤40cm，则说明当前手掌位于公共区域106内，记当前手掌位于公共区域内距离传感器表面的距离为sc；

若控制芯片103检测到s1＞40cm且同时满足4cm≤s2≤40cm，则说明当前手掌位于区域105内。

步骤四、控制芯片103根据以上步骤检测到的手掌距离和位置信息判断并识别出具体的手势动作：

手势一：若控制芯片103连续检测到手掌位于区域104，且距离s1基本保持无变化，则控制芯片103判断该手势为左侧接近手势；

手势二：若控制芯片103连续检测到手掌位于区域104，且距离s1逐渐变大或变小，则判断该手势为左侧接近、远离手势；

手势三：若控制芯片103连续检测到手掌位于区域105，且距离s2基本保持无变化，则控制芯片103判断该手势为右侧接近手势；

手势四：若控制芯片103连续检测到手掌位于区域105，且距离s2逐渐变大或变小，则判断该手势为右侧接近、远离手势；

手势五：若控制芯片103连续检测到手掌位于公共区域106，且距离sc基本保持无变化，则控制芯片103判断该手势为中间接近手势；

手势六：若控制芯片103连续检测到手掌位于公共区域106，且距离sc逐渐变大或变小，则判断该手势为中间区域接近、远离手势；

手势七：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，且s1≤h1，然后检测到手掌位于区域105，且s2≤h1，则控制芯片103判断该手势为由左到右的近距离平移挥动手势；

手势八：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，且s2≤h1，然后检测到手掌位于区域104，且s1≤h1，则控制芯片103判断该手势为由右到左的近距离平移挥动手势；

手势九：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域105；且s1、sc和s2接近相等，则控制芯片103判断该手势为远距离由左到右的平移挥动手势；

手势十：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域105；且满足s1≈sc﹥s2接近相等，则控制芯片103判断该手势为由左到右的平移下降挥动手势；

手势十一：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域105；且满足s1≈sc＜s2接近相等，则控制芯片103判断该手势为由左到右的平移上升挥动手势；

手势十二：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域105；且满足s1＜sc＜s2接近相等，则控制芯片103判断该手势为由左到右的斜上挥动手势；

手势十三：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域105；且满足s1＞sc＞s2接近相等，则控制芯片103判断该手势为由左到右的斜下挥动手势；

手势十四：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域105；且满足s1＜sc且sc＞s2，则控制芯片103判断该手势为由左到右的先斜上再斜下的操作手势；

手势十五：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域104，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域105；且满足s1＞sc且sc＜s2，则控制芯片103判断该手势为由左到右的先斜下再斜上的操作手势；

手势十六：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域104；且s1、sc和s2接近相等，则控制芯片103判断该手势为远距离由右到左的平移挥动手势；

手势十七：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域104；且满足s2≈sc﹥s1接近相等，则控制芯片103判断该手势为由右到左的平移下降挥动手势；

手势十八：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域104；且满足s2≈sc＜s1接近相等，则控制芯片103判断该手势为由右到左的平移上升挥动手势；

手势十九：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域104；且满足s2＜sc＜s1接近相等，则控制芯片103判断该手势为由右到左的斜上挥动手势；

手势二十：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域104；且满足s2＞sc＞s1接近相等，则控制芯片103判断该手势为由右到左的斜下挥动手势；

手势二十一：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域104；且满足s2＜sc且sc＞s1，则控制芯片103判断该手势为由右到左的先斜上再斜下的操作手势；

手势二十二：若控制芯片103首先检测到手掌位于区域105，然后检测到手掌位于公共区域106，最后检测到手掌位于区域104；且满足s2＞sc且sc＜s1，则控制芯片103判断该手势为由右到左的先斜下再斜上的操作手势。

步骤五、控制芯片103实时将上述步骤中检测到的手势信息传递给中控娱乐装置，实时响应对应的手势操作，实现人机交互。

由以上描述可知，本发明实施例提供的手势识别装置能够在4～40cm的空间内通过第一超声波传感器和第二超声波传感器实现对手掌位置的实时检

测，利用两对超声波传感器的组合使用，可以实现二十多种常用的手势操作。

本发明实施例提供的一种手势识别装置及其识别方法，包括：中控娱乐设备，分别位于中控娱乐设备两侧的第一超声波传感器和第二超声波传感器，以及分别与中控娱乐设备、第一超声传感器和第二超声波传感器电性连接的控制芯片；控制芯片，用于控制第一超声传感器和第二超声波传感器按设定顺序轮流发射超声波并监测障碍物反射回的超声波，实时判断用户手势信息，以控制中控娱乐设备实时响应相应的功能。由于在中控娱乐设备两侧设置有两个超声波传感器，以及通过控制芯片的作用，可以实现三维空间的手势识别，具有传感器数量少、成本低、结构简单等优点，而且采用的超声波传感器具有不受光照影响、检测范围大的优点，从而可以有效的检测障碍物、并提高了手势识别的准确性和人机交互的舒适性、便利性。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的手势识别装置及其识别方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。