一种基于射频识别技术的手势隔空交互系统及其工作方法与流程

技术领域

本发明涉及手势隔空交互技术领域，具体是一种基于射频识别技术的手势隔空交互系统及其工作方法。

背景技术：

手势识别技术是指通过数学以及模式识别等算法来识别人类手势的技术。

随着射频识别、无线通信技术的发展，基于射频识别（RFID）技术的新型应用模式备受关注。借助于非接触式的自动识别能力和无线信号传输技术，RFID系统能够获取标签的信号强度信息，借助于信号分析与模式识别算法，可以实现动作的模式匹配，识别人的手势动作，最终达到手势隔空交互的效果，让用户能够利用附有RFID标签的廉价穿戴物进行隔空人机交互。

目前的手势隔空交互技术主要有基于图像的手势识别、基于传感器的手势识别。基于图像的手势识别对光照条件要求很高，任何阻挡物都可能造成障碍，并且要求大量的信号值才能做出判断，识别较慢，并需要进行大量计算。基于传感器的手势识别，成本很高，并且需要实时对传感器供电。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于射频识别（RFID）技术的手势隔空交互系统及其工作方法，该系统和方法对光照环境要求低，识别速度快，计算简单，且成本低廉。

该系统和方法根据RFID标签获取穿戴设备上标签的信号强度（RSSI）变化和相位变化、自适应的阈值分析调整环境参数，通过模式匹配算法对射频识别的输入信息进行匹配处理，感知识别人的手势，最终由交互终端实时地显示相应手势事件，完成所见即所得的手势隔空交互。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

本发明的一种基于射频识别技术（RFID）的手势隔空交互系统包括：

RFID阅读器：用于接收阅读器天线读取的RFID标签的ID、信号强度信息（RSSI）、相位信息，并能将获得的信息经通信设备传输到处理终端；

阅读器天线：用于发射RFID阅读器的信号，并实时接收RFID标签返回的信号强度信息和相位信息；

贴有RFID标签的穿戴设备：穿戴设备上贴有一个RFID标签，RFID标签可以贴在表面，也可以贴在内部，标签中包含ID信息；

通信设备：用于智能处理终端与RFID阅读器之间以及智能处理终端与交互终端之间的信息传输；

智能处理终端：用于控制RFID阅读器，根据通信设备获取RFID阅读器实时采集的RFID标签信号数据和相位信息，运行模式识别算法，识别用户的手势动作并将相应的手势事件通过通信设备反馈给交互终端；

交互终端：通过通信设备与智能处理终端进行交互，接收智能处理终端的手势事件并通过应用程序向用户展示相应的交互效果。

所述RFID阅读器为超高频RFID标签读取模块，所述RFID标签为超高频RFID标签，超高频RFID标签读取模块通过EPC Global C1 G2 协议标准读写超高频RFID标签。

所述智能处理终端识别的用户手势静态手势和动态手势，并将识别的手势事件发送给应用程序处理和展示。

所述静态手势是指在手势识别期间手指相对空间位置不发生变化的手势，所述动态手势是指在手势识别期间手指相对空间位置发生变化的手势。

一种基于射频识别技术的高精度隔空交互系统工作方法，包括以下步骤：

1)用户单手或双手穿戴附有RFID标签的穿戴物；

2)智能终端加载手势特征数据库；

3)智能终端启动RFID阅读器；

4)RFID阅读器通过阅读器天线发送860-960MHz频率的信号，扫描穿戴物上的RFID标签，读取RFID标签的ID信息，同时获得返回的RFID标签的信号强度信息（RSSI）和相位信息；

5)RFID阅读器利用通信设备将RFID标签的ID信息、信号强度信息（RSSI）和相位信息传输给智能处理终端；

6)智能处理终端根据接收到的初始RFID标签信号强度信息和相位信息，进行环境参数调整；

7)智能处理终端根据接收到的实时RFID标签信号强度信息和相位信息以及调整的环境参数，进行手势感知识别，并将感知的手势事件通过通信设备发送到交互终端；

8)交互终端根据接收到的手势事件，实时地在应用程序上显示相应手势动作触发的交互效果。

所述步骤7）中的手势感知识别是根据实时的RFID标签信号强度信息变化和相位信息变化，抽取信号特征，查找手势特征数据库并匹配手势动作特征模板，识别相应的手势动作。

本发明提供了一种基于射频识别技术的手势隔空交互系统及其工作方法，该系统和方法与现基于图像的手势隔空交互系统区别在于，该系统使用RFID系统来进行手势的感知识别，相比于基于图像的手势识别，该系统对于光照条件没有任何要求，允许阻挡物体存在，只需要少量的信号值即可快速识别手势，计算复杂度低，识别速读快。相比于基于传感器的手势识别，该系统的输入设备成本廉价，只需要几个廉价的RFID标签与一个日常用的穿戴物，而且识别精度高，人机交互自然，无需电池供应，具体有益效果表现为：

1、 方法简单：射频模块直接可以获取数据，并不需要复杂的方法去处理数据，所获取的额数据通过简单地处理就可以直接使用。

2、 准确度高：由于RFID天线极化方向和人体干扰的特性，手指动作变化对RSSI影响很大，根据这个特性进行的模式匹配准确率高达95%以上。

3、 交互体验自然：由于交互设备是一个贴有RFID标签的穿戴设备（如手套），我们的交互方式与现实中的动作基本一致，无需学习过程即可轻易使用。

4、 成本低廉：只需要普通的日常穿戴设备（如手套）再加上几个廉价的RFID无源标签即可组成一个输入设备，成本很低。

附图说明

图1为基于射频识别技术的手势隔空交互系统场景结构图；

图2为图1的系统数据流图；

图3为穿戴设备标签部署图；

图4为手势动作示例图；

图5为射频识别模块部署图；

图6为手势识别模块原理图。

具体实施方式

一、系统场景

图1是系统场景结构图，主要由射频识别模块和手势识别模块两部分组成。射频识别模块主要由以下部分组成：RFID阅读器、阅读器天线、贴有RFID标签的穿戴设备、手势识别模块主要由以下部分组成：智能处理终端、通信设备、交互终端。手势识别模块通过通信设备与射频识别模块进行交互。系统（除阅读器天线外）可按需求放在任意位置。为了减小无线传输过程中的多径效应的影响并保证信号的稳定，阅读器天线放置在距离地面大约1m到1.5m之间。贴有RFID标签的穿戴设备需要正对天线，距离天线1m到2m之间，以保证识别过程中信号特征的稳定性。系统各组成部分功能如下：

RFID阅读器：接收阅读器天线读取的RFID标签的ID、信号强度信息（RSSI）、相位信息，并能将获得的信息经通信设备传输到处理终端；

阅读器天线：发射RFID阅读器的信号，并实时接收手套上RFID标签返回的信号强度信息和相位信息；

贴有RFID标签的穿戴设备：穿戴设备上贴有RFID标签，RFID标签可以贴在表面，也可以贴在内部，标签中包含ID信息；

通信设备：进行智能处理终端与RFID阅读器之间以及智能处理终端与交互终端之间的信息传输；

智能处理终端：控制RFID阅读器，根据通信设备获取RFID阅读器实时采集的RFID标签信号数据和相位信息，运行模式识别算法，识别用户的手势动作并将相应的手势事件通过通信设备反馈给交互终端；

交互终端：通过通信设备与智能处理终端进行交互，接收智能处理终端的手势事件并通过应用程序向用户展示相应的交互效果。

图2是系统数据流图。具体工作流程如下：

1.用户单手或双手穿戴贴有RFID标签的穿戴设备。

2.智能处理终端加载手势特征数据库。

3.智能处理终端通过通信设备发送控制命令启动RFID阅读器。

4.RFID阅读器通过阅读器天线发送激活信号，读取RFID标签信号强度、相位信息和ID。

5.阅读器将读取的标签ID、信号强度值（RSSI）和相位信息通过通信设备传输给智能处理终端。

6.智能处理终端根据实时的标签信号和相位值调整环境参数。

7.智能处理终端根据环境参数以及实时的标签RSSI信号强度和相位信息抽取手势特征。

8.智能处理终端根据实时抽取的手势特征匹配与识别手势特征数据库中的手势。

9.智能处理终端将识别的手势事件通过通信设备传输给交互界面。

10. 应用程序根据收到的手势事件在应用程序上显示相应的交互效果。

二、穿戴设备的标签部署

图3是穿戴设备标签部署图，穿戴设备上贴有RFID标签，RFID标签可以贴在表面，也可以贴在内部，标签中包含ID信息。

三、手势动作示例

图4是静态手势和动态手势的示例图，静态手势是指在手势识别期间手指相对空间位置不发生变化的手势，动态手势是指在手势识别期间手指相对空间位置发生变化的手势。

四、射频识别模块部署图

图5是射频识别模块部署图，阅读器天线竖直放置在一个高1m到1.5m左右的支撑平台上，RFID阅读器与阅读器天线用连接线相连。使用时，贴着RFID标签的穿戴设备正对阅读器天线辐射方向，距离阅读器天线1m到2m之间。

五、手势识别模块的工作原理

图6是手势识别模块的工作原理图。由于RFID天线的线性极化特征，电离体吸收，电感耦合等影响，当RFID标签与天线辐射方向的角度发生变化，人体阻挡面积发送变化以及标签间距变化时，均会造成标签信号强度和相位的剧烈变化，智能处理终端会根据这一原理进行手势的分析与识别。具体原理如下：

当用户戴着附有RFID标签的穿戴设备站在RFID阅读器天线旁边时，智能处理终端启动RFID阅读器并通过阅读器天线发射信号，穿戴设备上的无源RFID标签反射信号给阅读器天线，阅读器接收到标签的信号后获取标签ID、信号强度和相位，并发送给智能处理终端。

智能处理终端加载手势特征数据库，收集一段初始标签信号强度和相位信息，进行环境参数的调整以适应当前的环境。

当用户进行手势动作时，穿戴物上的RFID标签与天线辐射方向的角度发生变化，标签天线与天线辐射方向越接近90度，标签反射的信号强度越强，反之越弱；人体对标签的阻挡面积发生变化，人体对标签的阻挡面积越小，标签反射的信号强度越强，反之越弱；标签之间的间距发生变化，标签之间的间距约大，标签之间的信号干扰越小，反之干扰越大；标签与天线距离变化时，标签的相位值在0到2π（rad）角度内与其呈周期性相关变化。此时智能处理终端收集实时的标签ID、信号强度和相位信息并根据环境参数进行手势特征抽取。

智能处理终端根据实时抽取的手势特征以及数据库中的手势特征匹配相应的手势动作，从而识别手势。

智能处理终端将识别的手势动作通过通信设备发送给交互终端并在应用程序上显示相应的交互效果。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。