基于超声波的手势识别系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信号处理及人机交互领域，尤其涉及一种基于超声波的手势识别系 统。
【背景技术】
[0002] 随着智能手机和各类智能可穿戴设备（如智能手表、智能手环等）的普及，人们对 智能设备的输入功能提出了更高的需求。现有的智能设备主要依赖于触摸屏输入，其缺陷 在于:一、触屏只适用于较大体积的设备，在智能手表等小型设备上，触摸屏的面积非常小， 无法满足复杂的输入需求;二、触屏输入时手指会阻挡部分显示，并容易触发误操作;三、触 屏成本较高。
[0003] 为解决触摸屏的这些问题，近年来研究者提出利用非接触式手势识别来辅助触摸 屏的输入。非接触手势识别利用智能设备发射超声波或者无线电信号，通过对人手反射的 信号进行分析来实现手势识别的目的。根据识别出的手势，可以完成翻页，滚屏等基本操 作。非接触手势识别具有传感器体积小，价格低，工作范围大，不受手套等配饰的影响的优 点。
[0004] 现有非接触手势识别的主要实现方式有两种。一种以微软公司的Soundwave系统 为代表，主要通过超声波来实现。具体实现方式是通过手机扬声器发射超声波，利用手机麦 克风采集人手反射超声波信号，检测反射超声波的多普勒频率，利用频率的变化判断手的 运动方向和速度。根据运动方向和速度来进行计算机操作。现有的超声波手势识别的缺陷 在于:多普勒频率测量需要通过时频域分析，粒度较粗，只能实现粗略的移动方向和移动速 度测量。而基于超声波测距的技术一般需要特殊的声波换能器，在智能设备上实现有困难。 第二种实现方式以Google公司的Project Soli系统为代表，主要通过60GHz无线电波来实 现。具体实现方式是通过小型化的60GHz收发器发送毫米波，检测人手反射的毫米波信号， 通过波形分析来实现对手势的识别。Google采用的60GHz毫米波方案的优势在于毫米波波 长非常短，一般在5毫米以下。这样微波发射和接收设备可以做得比较小，同时短波长的无 线电波可以进一步提高手势测量的精度。但是，基于毫米波的系统需要在智能设备上添加 专用的手势识别芯片和天线，带来附加成本。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的缺陷，提出利用商用智能电子设备的扬声器和麦克风实现 高精度的基于超声波的手势测量，改善了超声波测量的精度，同时又利用了现有设备的硬 件，没有附加硬件成本。本发明的基本原理是测量人手反射信号的干涉波形，根据干涉波形 来测量人手的运动距离。这种方式可以实现对距离的直接测量，所以可以达到5毫米以内的 距离测量精度，实现高精度的手势识别。
[0006] 本发明提出了一种基于超声波的手势识别系统。本发明的技术方案针对现有手势 识别系统的弱点，解决了通过超声波实现高精度手势测量问题。
[0007] 本发明采用以下技术方案：
[0008] 基于超声波的手势识别方法，电子设备发射声波，同时录制声波信号。将接收到的 声波信号进行数字下变频，获取基带信号。对基带信号的相位进行测量，根据相位的变化计 算目标的移动距离，根据移动特征进行手势识别并执行对应操作。
[0009] 进一步地，所述声波信号为超声波信号。
[0010] 进一步地，所述数字下变频操作是将接收信号与发射信号进行混频，获取正交的 基带矢量信号。
[0011] 进一步地，所述声波信号为单频率声波信号或者多个单频率声波信号叠加。
[0012] 进一步地，所述相位测量是指将基带信号减去直达信号矢量后，测量残余反射信 号矢量的相位变化。
[0013] 进一步地，所述手势识别是指通过抽取移动相关特征，对比手势库模板，识别手势 并进行对应操作。
[0014] 进一步地，所述移动距离测量通过相位增加或减小的变化来判断移动方向。
[0015] 进一步地，所述手势识别是根据移动方向，按移动距离成比例增加或减小对应数 值参数。
[0016] 进一步地，所述电子设备包括电脑，笔记本，智能手机，智能穿戴设备等。
[0017] 进一步地，所述移动距离测量通过信号波长乘以相位变化而获取。
[0018] 进一步地，所述相位测量在多个频率的声波上同时进行，根据反射信号质量对测 量结果进行融合。
[0019] 进一步地，所述电子设备可以通过多个麦克风获取反射信号，根据反射路径长度 确定目标的位置。
[0020] 有益效果
[0021] 本发明针对现有的基于多普勒效应的手势识别系统的缺陷，提出直接测量反射信 号的干涉波形来获取人手的移动距离的方法。现有的多普勒测量技术通过快速傅里叶变换 获取短时间内的反射波频率变化，其缺陷在于，傅里叶变换需要大量的数据点以达到较高 的频谱精度，这样其时间精度和频谱精度存在制约关系，无法在较短的时间内测出准确的 频率。测出频率后积分获取距离变化，带来的误差更大。而直接测量反射信号的干涉波形方 法，可以直接测量干涉波形的相位，避免了傅里叶变换过程，直接测量移动距离。利用本发 明提出的测量方法，可以用普通扬声器和麦克风达到5毫米以内的距离测量精度。同时，本 发明的计算复杂度较低，可以在现有的智能设备上直接实现。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的系统结构框图。
[0023]图2是本发明的测量与识别模块的实施流程图。
[0024]图3是本发明数字下变频模块的一种实施流程图。
[0025] 图4是基带矢量信号的实部与虚部曲线。
[0026] 图5是基带矢量信号的二维复平面曲线。
[0027] 图6是本发明对应的一种手势识别示意图。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0029] 本发明利用人手对超声波的反射，测量人手的移动距离，进而对手势进行识别。本 发明主要技术特征是一、利用声波来测量;二、数字下变频;三、对基带信号的相位进行测量 获取移动距离。
[0030]图1是本发明的系统结构。其中101电子设备可以是电脑，笔记本，智能手机，智能 可穿戴设备等设备。现有的大多数电子设备均配备了 102声波发射器和103声波接收器。具 体地，102声波发射器是指扬声器。可包括电子设备自带的扬声器，通过有线扬声器接口接 入的扬声器/耳机或者通过蓝牙、WiFi等无线接口接入的扬声器等等。103声波接收器是指 麦克风。可包括电子设备自带的麦克风，通过有线麦克风接口接入的麦克风或者通过蓝牙、 WiFi等无线接口接入的麦克风等等。扬声器和麦克风均可以是一个或多个，具体硬件形式 可以是通用的播放/录音设备（即也可以用于播放、录音语音及音乐的硬件），也可以是专用 的超声波换能器。
[0031 ] 101电子设备控制102声波发射器发送声波，发射的声波照射到105目标后会产生 反射波。101电子设备控制103声波接收器接收声波，获取目标反射的声波信号。这里的105 目标主要是指人手，包括单个/多个手指或整个手掌。103声波接收器接收到的声波信号一 般是一个混合信号，同时包括从声源直达的信号，经过附近物体反射的信号，以及经过105 目标反射的信号。103声波接收器接收到声波信号后，发送给104测量与识别模块，对声波进 行测量，获取手势参数后对手势进行识别。104测量与