一种非接触式的手势识别方法和系统与流程

本发明涉及手势识别方法领域，特别涉及一种非接触式的手势识别方法和系统。

背景技术：

相比接触式的手势识别方法，非接触式的识别方法可以让人可以有更多的自由空间去做手势，而且这也是最好的人机交互方式。在非接触式的手势识别方法中，基于重传无线通信信号和多普勒雷达技术手势识别方法，比以前的方法具有更多的优势。它采用微波技术，具有较好的穿透性；不需要额外主动产生信号源，具有较低的功耗；采用室内的无线通信信号，可以避免很多内部干扰；添加重传机制和耦合器件来分开接收到的回波信号和接受到的无线通信信号；引入注频锁相正交接收器（ILQR）来保证较高的灵敏度，避免较繁琐的编解码等步骤。因此，在未来具有较大的应用空间，具体如下：

(1)在移动设备领域：未来的世界是物联网的世界，移动终端的市场是很大的，特别是智能手机的市场。如果能远距离的利用手势无线操控设备，这会让人们有更好的体验感，而且会使得人们操作更加便利。

(2)游戏领域：随着人们对游戏体验要求越来越高，未来的游戏不仅仅是靠鼠标屏幕就能满足人的需要的，更多的是人机交互。因此，如果在硬件平台上运用此技术，可以远距离的检测识别人的手势动作，人们就可以自由的进行人机交互，会有更好的游戏体验感。

(3)智能家居：较为智能的控制系统，如果能远距离的自由的控制系统的运作，会给人们平时的生活带来无比的舒适感。如果能够远距离的用手势控制智能设备，也就不用太多的移动，只要动一动手势，就能控制设备，这会给人们的正常生活带来非常大的便利。

现有的非接触式手势识别技术主要采用：使用多个摄像头组成双目或多目计算机视觉系统。具有代表性的是Xbox Kinect系统，基本原理就是这种系统通过在各个不同方向架设一组摄像头，在同时采集图像的同时，使用复杂的合成算法产生三维的坐标数据，此种做法首次实现了空间手势识别。使用多个摄像头组成组成双目或多目计算机视觉系统，因为系统要正常工作，系统需要持续不断地的拍摄视频，这也就增加了功耗；其次，这样的系统很容易受到背光的干扰，影响测试精度；最后，因为算法本身复杂度较高，并完全交由CPU处理，在普通PC上无法做到实时手势识别。

因而现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种非接触式的手势识别方法和系统，无需摄像头和复杂的算法，降低了成本。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种非接触式的手势识别系统，所述系统包括：

信号发射接收模块，用于向被检测物发射无线信号并接收回波信号，还将所述无线信号和接收的回波信号输出给注入锁相正交接收模块；

注入锁相正交接收模块，用于对所述无线信号的相位进行锁定，对所述回波信号和锁相后的无线信号进行正交解调，输出同相支路解调得到的第一基带信号以及正交支路解调得到的第二基带信号给手势识别模块；

手势识别模块，用于根据所述第一基带信号以及第二基带信号的信号幅度变化来判断所述被检测物的移动方向。

所述的非接触式的手势识别系统中，所述信号发射接收模块包括：

接收天线，用于捕捉外部的无线通信信号，将捕捉的无线通信信号输出给分支线耦合器；

发射天线，用于向被检测物发射所述无线通信信号并接收带有被检测物的多普勒信息的回波信号，将所述回波信号输出给分支线耦合器；

分支线耦合器，用于将所述无线通信信号输出给发射天线和注入锁相正交接收模块；将发射天线接收到的带有被检测物的多普勒信息的回波信号输出给注入锁相正交接收模块。

所述的非接触式的手势识别系统中，所述注入锁相正交接收模块包括：

注入锁相振荡器，用于锁定所述无线信号的频率和相位，并输出给正交混频器；

两级级联的低噪放，用于将对所述回波信号进行放大，并输出给功分器；

功分器，用于将所述低噪放输出的回波放大信号分为等幅等相的两路信号，并分别输出给正交混频器；

正交混频器，用于对注入锁相振荡器锁定的无线信号进行移相，产生相互正交的第一锁定信号和第二锁定信号；将第一锁定信号与功分器输出的一路信号进行混频，将第二锁定信号与功分器输出的另一路信号进行混频；得到频率为无线信号的频率与回波信号的频率之和的高频信号、频率为无线信号的频率与回波信号的频率之差的低频信号；将所述高频信号和低频信号输出给低通滤波单元；

低通滤波单元，用于将所述高频信号滤除，得到第一基带信号和第二基带信号。

所述的非接触式的手势识别系统中，所述接收天线与发射天线正交。

所述的非接触式的手势识别系统中，所述注入锁相正交接收模块还包括延时单元，用于对所述回波信号进行延时，使延时后的回波信号与经过了注入锁相振荡器的无线信号在时间上保持一致，将延时后的回波信号输出给所述低噪放。

一种非接触式的手势识别方法，所述方法包括如下步骤：

A、信号发射接收模块向被检测物发射无线信号并接收回波信号；

B、注入锁相正交接收模块对所述无线信号的相位进行锁定，对所述回波信号和锁相后的无线信号进行正交解调，输出同相支路解调得到的第一基带信号以及正交支路解调得到的第二基带信号；

C、手势识别模块根据所述第一基带信号以及第二基带信号的信号幅度变化来判断所述被检测物的移动方向。

所述的非接触式的手势识别方法中，所述步骤A具体包括如下步骤：

A1、接收天线捕捉外部的无线通信信号，将捕捉的无线通信信号输出给分支线耦合器；

A2、分支线耦合器将所述无线通信信号输出给发射天线和注入锁相正交接收模块；

A3、发射天线向被检测物发射所述无线通信信号并接收带有被检测物的多普勒信息的回波信号，将所述回波信号输出给分支线耦合器；

A4、所述分支线耦合器将所述回波信号输出给注入锁相正交接收模块。

所述的非接触式的手势识别方法中，所述步骤B具体包括如下步骤：

B1、注入锁相振荡器锁定所述无线信号的频率和相位，并输出给正交混频器；两级级联的低噪放将对所述回波信号进行放大，并输出给功分器；

B2、功分器将所述低噪放输出的回波放大信号分为等幅等相的两路信号，并分别输出给正交混频器；

B3、正交混频器对注入锁相振荡器锁定的无线信号进行移相，产生相互正交的第一锁定信号和第二锁定信号；将第一锁定信号与功分器输出的一路信号进行混频，将第二锁定信号与功分器输出的另一路信号进行混频；得到频率为无线信号的频率与回波信号的频率之和的高频信号、频率为无线信号的频率与回波信号的频率之差的低频信号；将所述高频信号和低频信号输出给低通滤波单元；

B4、低通滤波单元将所述高频信号滤除，得到第一基带信号和第二基带信号。

所述的非接触式的手势识别方法中，所述接收天线与发射天线正交。

所述的非接触式的手势识别方法中，所述步骤B1还包括：延时单元对所述回波信号进行延时，使延时后的回波信号与经过了注入锁相振荡器的无线信号在时间上保持一致，将延时后的回波信号输出给所述低噪放。

相较于现有技术，本发明提供一种非接触式的手势识别方法和系统。其中，所述系统包括信号发射接收模块、注入锁相正交接收模块和手势识别模块。本发明通过信号发射接收模块向被检测物发射无线信号并接收回波信号；由注入锁相正交接收模块对所述无线信号的相位进行锁定，对所述回波信号和锁相后的无线信号进行正交解调，输出同相支路解调得到的第一基带信号以及正交支路解调得到的第二基带信号；进而由手势识别模块根据所述第一基带信号以及第二基带信号的信号幅度变化来判断所述被检测物的移动方向。由此实现非接触式的手势识别，本发明无需摄像头和复杂的算法，降低了成本，适用范围广。

附图说明

图1为本发明提供的非接触式的手势识别系统的结构框图。

图2为本发明提供的非接触式的手势识别系统的具体结构框图。

图3为本发明提供的非接触式的手势识别系统的原理图。

图4为本发明提供的非接触式的手势识别系统中，手掌向发射天线移动时，第一基带信号和第二基带信号的波形图。

图5为本发明提供的非接触式的手势识别系统中，手掌向发射天线移动时，相位和幅度的波形图。

图6为本发明提供的非接触式的手势识别系统中，手掌远离发射天线时，第一基带信号和第二基带信号的波形图。

图7为本发明提供的非接触式的手势识别系统中，手掌远离发射天线时，相位和幅度的波形图。

图8为本发明提供的非接触式的手势识别系统中，手掌靠近后再远离发射天线时，第一基带信号和第二基带信号的波形图。

图9为本发明提供的非接触式的手势识别系统中，手掌靠近后再远离发射天线时，相位和幅度的波形图。

图10为本发明提供的非接触式的手势识别方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种非接触式的手势识别方法和系统。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种非接触式的手势识别系统，如图1所示，所述系统包括：信号发射接收模块10、注入锁相正交接收模块20和手势识别模块30。

所述信号发射接收模块10，用于向被检测物发射无线信号并接收回波信号，还将所述无线信号和接收的回波信号输出给注入锁相正交接收模块20。本实施例中，所述无线信号为无线通信信号。

所述注入锁相正交接收模块20，用于对所述无线信号的相位进行锁定，对所述回波信号和锁相后的无线信号进行正交解调，输出同相支路解调得到的第一基带信号以及正交支路解调得到的第二基带信号给手势识别模块30。

所述手势识别模块30，用于根据所述第一基带信号以及第二基带信号的信号幅度变化来判断所述被检测物的移动方向；利用带有手势调制信号的相位来检测被检测物移动的距离，即根据第一基带信号以及第二基带信号的相位来检测被检测物移动的距离。

由此，本发明通过信号发射接收模块10、注入锁相正交接收模块20和手势识别模块30，实现了非接触式的手势识别，无需摄像头和复杂的算法，降低了成本，适用范围广。

进一步的，请参阅图2和图3，所述信号发射接收模块10包括：接收天线110、发射天线120、第一带通滤波器130、第二带通滤波器140和分支线耦合器150。所述接收天线110通过第一带通滤波器130连接分支线耦合器150的第一输入端，所述发射天线120通过第二带通滤波器140连接分支线耦合器150的第二输入端；所述分支线耦合器150的输出端连接注入锁相正交接收模块20。

所述接收天线110，用于捕捉（即接收）外部的无线通信信号，将捕捉的无线通信信号输出给分支线耦合器150；具体是通过第一带通滤波器130输出给分支线耦合器150。即，所述接收天线110为捕捉外在无线通信信号天线。外部的无线通信信号由外部发射源（Mod.signal source）提供，本实施例中，所述外部发射源为WIFI路由器。

所述发射天线120，用于接收分支线耦合器150转发的无线通信信号，向被检测物（如手）发射所述无线通信信号并接收带有被检测物的多普勒信息的回波信号，将所述回波信号输出给分支线耦合器150。即本实施例中，接收天线110只能捕捉（接收）信号，而发射天线120既能发射又能接收信号。本实施例中，所述无线通信信号为WIFI信号，本发明利用外部的WIFI信号进行转发，并获得多普勒回波信号，从而探测手势运动。由于WIFI信号的普遍性，本发明的适用范围极广。WIFI信号的频段通常在2.4GHz左右，所以接收天线110和发射天线120的工作频段设置为2.3~2.5GHz。此外，所述接收天线与发射天线正交，即两个天线的极化方向正交，以避免收发天线之间的干扰，其精度较传统无源多普勒雷达高。所述发射天线120为发送测量手势运动的信号天线。

由于所用的信号是窄带信号，所以需要带通滤波器来滤除其他频率的信号，通带频率段为2.3~2.5GHz。换而言之，所述第一带通滤波器（BPF）130和第二带通滤波器（BPF）140均用于对2.3~2.5GHz频率段以外的信号进行滤波；从而提高手势识别的精度。

所述分支线耦合器（Branch-line coupler）150，用于将接收天线110接收的无线通信信号输出给发射天线120和注入锁相正交接收模块20；将发射天线120接收到的带有被检测物的多普勒信息的回波信号输出给注入锁相正交接收模块20。

进一步的，所述注入锁相正交接收模块20为注入锁相正交接收器(ILQR)，其包括：注入锁相振荡器210、两级级联的低噪放（220和230）、功分器（功率分配器）240、正交混频器250和低通滤波单元。所述分支线耦合器150的第一输出端将所述回波信号输出给两级级联的低噪放；所述分支线耦合器150的第二输出端将所述无线信号（无线通信信号）输出给注入锁相振荡器210。所述功分器240的第一输出端连接正交混频器250的第一输入端，所述功分器240的第二输出端连接正交混频器250的第二输入端，所述注入锁相振荡器210的输出端连接正交混频器250的第三输入端；所述正交混频器250的输出端连接低通滤波单元的输入端；所述低通滤波单元的输出端连接手势识别模块30。

所述注入锁相振荡器（ILO）210，用于锁定所述无线信号的频率和相位，并将锁定后的无线信号输出给正交混频器250。

所述两级级联的低噪放，用于将对所述回波信号进行放大，并输出给功分器240。换而言之，所述注入锁相正交接收模块20包括第一低噪放（LNA）220和第二低噪放（LNA）230。所述第一低噪放220和第二低噪放230均用于对输入的信号进行放大。

所述功分器240，用于将所述低噪放230输出的回波放大信号分为等幅等相的两路信号，并分别输出给正交混频器250。

所述正交混频器250，用于对注入锁相振荡器210锁定的无线信号进行移相，产生相互正交的第一锁定信号和第二锁定信号；将第一锁定信号与功分器输出的一路信号进行混频，将第二锁定信号与功分器240输出的另一路信号进行混频；得到频率为无线信号的频率与回波信号的频率之和的高频信号、频率为无线信号的频率与回波信号的频率之差的低频信号；将所述高频信号和低频信号输出给低通滤波单元。移相是为了产生本振信号的同相和正交两路信号，以便为了后面的同相支路（I路）和正交支路（Q路）进行解调。进一步的，所述正交混频器250包括移相器251、第一混频器252和第二混频器253。所述移相器251用于对所述无线信号进行移相，产生相互正交的第一锁定信号和第二锁定信号；将第一锁定信号输出给第一混频器252，将第二锁定信号输出给第二混频器253。所述第一混频器252将第一锁定信号与功分器240输出的一路信号进行混频，得到频率为无线信号的频率与回波信号的频率之和的高频信号、频率为无线信号的频率与回波信号的频率之差的低频信号。所述第二混频器253将第二锁定信号与功分器240输出的另一路信号进行混频，得到频率为无线信号的频率与回波信号的频率之和的高频信号、频率为无线信号的频率与回波信号的频率之差的低频信号。

所述低通滤波单元，用于将所述高频信号滤除，得到解调之后的第一基带信号（基带低频信号）和解调之后的第二基带信号（基带低频信号）。本实施例中，所述低通滤波单元包括第一低通滤波器（LPF）260和第二低通滤波器（LPF）270。第一低通滤波器（LPF）260用于对正交混频器250输出的一路信号进行低通滤波，得到同相支路解调之后的第一基带信号。第二低通滤波器（LPF）270用于对正交混频器250输出的另一路信号进行低通滤波，得到正交支路解调之后的第二基带信号。所述的第一基带信号和第二基带信号对应的解调支路分别为同相支路（I路）和正交支路（Q路），其中，同相和正交是相对于无线信号是同相还是正交的。

进一步的，为了获得较好的多普勒信息，需要将其它干扰减小到可以忽略不计。在信号通过注入锁相振荡器时，信号有一段延时，因此可以在射频部分主动加一部分延时；具体的，所述注入锁相正交接收模块20还包括延时单元（图中未示出），所述延时单元可以设置在分支线耦合器150与第一低噪放220之间。所述延时单元，用于对所述回波信号进行延时，使延时后的回波信号与经过了注入锁相振荡器的无线信号在时间上保持一致，将延时后的回波信号输出给所述低噪放。

所述手势识别模块30包括数字存储示波器（DSO）310和运算处理单元320。

所述数字存储示波器310用于存储和显示所述第一基带信号和第二基带信号。

所述运算处理单元320，用于根据所述第一基带信号和第二基带信号，通过计算反正切，计算出相对应的相位和幅度值。相位计算公式如下：

（公式1）；

其中，为多普勒信息，所述多普勒信息是指发射信号由于手势(被检测物)的移动而产生的多普勒频移。中，MOD代表为对进行取模；，以及可以认为是直流和调制噪声，是带有多普勒信息的相位。

计算幅度的公式如下：

（公式2）。

本发明提供的手势识别系统主要是为了测出手势移动的方向和距离，所以手在测量过程中是处于运动状态中的。当一个电磁波信号经过移动物体反射，将会产生多普勒频移，而频率变化主要反映在相位变化中，因此本系统主要运用相位进行判断手势的移动。利用所述第一基带信号和第二基带信号可以求出此时的相位信息。通过相位的变化值，可以计算得出手势的移动距离。当手的运动是向发射天线120靠近或者远离时，I路信号或者Q路信号对应的波形会有超前或者滞后，可以利用此信息进行放方向的判别；或者，当信号靠近天线或者远离天线时，对应的发射能量也会有变化，通过求对应的幅度变化也可以判断出手的移动方向。换而言之，运算处理单元320还用于在第二基带信号超前于第一基带信号时，认为被检测物体向发射天线120靠近；在第二基带信号滞后于第一基带信号时，认为被检测物体远离发射天线120；由于相位和距离成线性变化，所以根据计算出的相位变化值和预设的折算公式，将相位变化值折算成被检测物体的移动距离，由此检测得到手势的移动方向和距离。

图4是手掌向发射天线移动时，第二基带信号（Q Signal）和第一基带信号（I Signal）的波形图；图5是手掌向发射天线移动时，相位（IQ Phase）和幅度（IQ Magnitude）的波形图。图4和图5中，曲线a代表I路信号（第一基带信号），曲线b代表Q路信号（第二基带信号）。为了方便说明，每一个波形都有一个箭头指示说明，a曲线上的箭头指向左边的坐标信息，b曲线上的箭头代表右边的坐标信息。由图像观察可见，当手靠近天线时，I路信号领先Q路信号，因此可以通过I路和Q路信号波形的领先情况，判别出手势的移动方向。而且，由于相位和距离成线性变化，所以对应的相位变化可以折算成距离，而此计算出来的距离和实际移动的距离相差不大。

图6是手掌远离发射天线时，第二基带信号（Q Signal）和第一基带信号（I Signal）的波形图；图7是手掌远离发射天线时，相位（IQ Phase）和幅度（IQ Magnitude）的波形图。图6和图7中，曲线a代表I路信号（第一基带信号），曲线b代表Q路信号（第二基带信号）。整体的判别方法如上分析一致，所以，由图像观察可见，当手掌远离发射天线时，Q路信号领先I路信号，对应的相位变化折算成距离，和实际移动的距离相差不大。

图8是手掌靠近后再远离发射天线时，第二基带信号（Q Signal）和第一基带信号（I Signal）的波形图；图9是手掌靠近后再远离发射天线时，相位（IQ Phase）和幅度（IQ Magnitude）的波形图。图8和图9中，曲线a代表I路信号（第一基带信号），曲线b代表Q路信号（第二基带信号）。由图像观察可见，当手掌靠近时，I路信号领先Q路信号，对应的相位变化折算成距离，和实际移动的距离相差不大。当手掌远离时，Q路信号领先I路信号，对应的相位变化折算成距离，和实际移动的距离相差不大。

综上所述，本发明提供的手势识别系统，利用微波雷达技术来探测手势移动，即采用的是非接触式的手势识别技术；传统的无源雷达由于自身产生信号源，内部干扰比较大，因此，本发明采用外部的无线通信信号；最后，与其他引用外部信号检测系统不同，本设计引入注入锁相正交接收器，从而避免了对外部信号的分析，不用引入太多复杂的算法。

基于上述实施例提供的非接触式的手势识别系统，本发明还提供一种非接触式的手势识别方法，请参阅图10，所述方法包括如下步骤：

S10、信号发射接收模块向被检测物发射无线信号并接收回波信号；

S20、注入锁相正交接收模块对所述无线信号的相位进行锁定，对所述回波信号和锁相后的无线信号进行正交解调，输出同相支路解调得到的第一基带信号以及正交支路解调得到的第二基带信号；

S30、手势识别模块根据所述第一基带信号以及第二基带信号的信号幅度变化来判断所述被检测物的移动方向。

具体的，所述步骤S10具体包括如下步骤：

S110、接收天线捕捉外部的无线通信信号，将捕捉的无线通信信号输出给分支线耦合器；

S120、分支线耦合器将所述无线通信信号输出给发射天线和注入锁相正交接收模块；

S130、发射天线向被检测物发射所述无线通信信号并接收带有被检测物的多普勒信息的回波信号，将所述回波信号输出给分支线耦合器；所述接收天线与发射天线正交；

S140、所述分支线耦合器将所述回波信号输出给注入锁相正交接收模块。

进一步的，所述步骤S20具体包括如下步骤：

S210、注入锁相振荡器锁定所述无线信号的频率和相位，并输出给正交混频器；两级级联的低噪放将对所述回波信号进行放大，并输出给功分器；

S220、功分器将所述低噪放输出的回波放大信号分为等幅等相的两路信号，并分别输出给正交混频器；

S230、正交混频器对注入锁相振荡器锁定的无线信号进行移相，产生相互正交的第一锁定信号和第二锁定信号；将第一锁定信号与功分器输出的一路信号进行混频，将第二锁定信号与功分器输出的另一路信号进行混频；得到频率为无线信号的频率与回波信号的频率之和的高频信号、频率为无线信号的频率与回波信号的频率之差的低频信号；将所述高频信号和低频信号输出给低通滤波单元；

S240、低通滤波单元将所述高频信号滤除，得到第一基带信号和第二基带信号。

所述的非接触式的手势识别方法中，所述步骤S210还包括：延时单元对所述回波信号进行延时，使延时后的回波信号与经过了注入锁相振荡器的无线信号在时间上保持一致，将延时后的回波信号输出给所述低噪放。

由于所述非接触式的手势识别方法的原理、特点在上述系统实施例中已详细阐述，在此不再赘述。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。