手勢識別器的設計

引言

　　手機、MP3播放器、硬盤播放器、數碼相機、PDA等設備都是通過導航鍵對其進行控制的。目前比較流行的導航鍵控制方式有四維鍵、搖桿，這是最常見的兩種導航鍵，此外還有一些手機上有很新穎的導航鍵設計，例如：LG-KG70的滾軸鍵、LG-KE608的轉盤設計、索愛W830的觸摸式、多普達D802的飛梭滾輪等等。這里，我們用加速度傳感器設計一種看不見的導航鍵來代替四維鍵的功能，這種方案更能滿足消費者的好奇心，滿足消費者追逐時尚的需求。

手勢識別的控制原理

　　本系統利用三軸加速度的值來判定對物體運動預定義的六種姿勢。首先，分別對三個軸采樣，每個軸各獲得50個數據；然后，分別對每個軸上的數據進行處理來判定是否發生了預定義的動作。動作定義在下面的部分說明，這里僅用Y軸來說明判定的原理。

　　獲得Y軸上的50個數據存放到數組y_data[N]中，將這50個數求和取平均值。若y_data[N]中數據最大值與最小值之差在一個設定的閾值之內，則認為物體在Y軸向上是沒有動作的、靜止的，此時更新y_init值為y_data[N]求得的平均值；否則，y_data[N]中數據最大值與最小值之差超出一個設定的閾值，則認為物體是運動的，y_init值不變，仍然為上一次靜止狀態時的值。

　　圖1和圖2是Y軸分別向左、向右搖動時采樣得到的加速度抽樣值y_data[N]。圖中紅線代表上一次靜止時的采樣值，藍線代表運動時的采樣值。圖1為向左搖動時的值，可以明顯看出加速度的值較靜止時有明顯的變化，向著增大的方向變。

 
　　從圖1和圖2中可以看出，兩條黑線之間的數據很難斷定是哪個動作產生的，因為兩個動作都可能產生這樣的值。所以，利用黑線之外的數據來判定是向右還是向左搖。因為對于這兩個動作，黑線之外的數據有明顯的差異，數據相差很多。對于圖1這些數據大于150，圖2中這些數據小于90。因此這些數據至少相差60，可以很容易地將向左、向右的兩個動作區分開。

　　本系統就是根據這樣的原理來實現的，首先分別設定向左、向右搖時的閾值和兩個計數器；然后，將新采樣得到的50個值存放在y_data[N]中，將每個值與靜止時的值y_init比較，如果數據超出某個閾值，則在相應的計數器上累加，直到所有50個數全部比較完畢；最后，根據計數器值的大小來判定執行了某個動作。

　　同理，利用Z軸的采樣值來判定向上、向下搖，利用X、Y兩個軸來判定執行圖片向左翻轉還是向右翻轉，這里略去。

系統描述

　　系統組成及功能

　　系統由三個部分組成：CT-298單片機控制部分、 MM-2860加速度傳感器部分、演示終端，系統框圖如圖3所示。

　　CT-298單片機控制部分主要負責傳感器數據的A/D變換、動作檢測、與演示終端進行數據通信。MM-2860加速度傳感器部分負責加速度值的測量并將其轉換為電壓值。演示終端負責處理從單片機傳來的動作類型并執行相應的動作，同時向單片機返回進出二級菜單的指令。對于CT-298單片機系統更詳細的設計將在下面的部分介紹，這里首先介紹一下本系統設計的動作姿勢及代碼，以及與演示系統交互的指令。

　　預定義的動作

　　系統設計了六種動作，他們分別是左搖、右搖、下搖、上搖、圖片左轉、圖片右轉。圖4中的圖形象地說明了其中的兩個動作，其它的動作與此類似。

 

 　　系統還為每個動作定義了相應的動作代碼，見表1。

　　當單片機檢測到某個動作時會將相應的值賦給變量type_action，之后通過SCI將type_action的值發送到演示終端。如果用戶執行的動作不在這六個動作之中，則將NO_ACTION賦給type_action，表示演示終端不執行任何動作。

　　系統還定義了單片機與演示終端交互的指令，用于系統在主菜單和二級菜單之間的界面切換，指令從演示系統通過SCI傳給單片機，單片機接收到之后進入或退出二級菜單，見表2。

　　這里僅定義了一個二級菜單，即圖片菜單，系統還可以定義更多的二級菜單和三級菜單。此外，需要說明動作MOVE_TURN_LEFT、MOVE_TURN_RIGHT用于圖片翻轉，僅在圖片菜單中可用，在主菜單不可用。動作下搖執行的是換下一幅圖片，動作上搖執行的是退出圖片菜單。

　　演示終端

　　本系統目標定位在便攜式消費類電子產品上，因此在軟件應用程序上必須選擇具有廣泛基礎的應用平臺。由于近年來J2ME在便攜式終端中的應用非常廣泛，因此本系統也采用了J2ME平臺進行開發。通過比較，選擇了J2ME的WTK開發包，它是專門針對移動無線設備而設計的開發包，并提供了一個統一的平臺。在WTK的框架下開發出來的java程序可以被眾多的移動設備所支持，所以能夠有效解決兼容性的問題。

　　在WTK下我們利用默認的一個手機樣機的仿真器DefaultColorPhone進行開發，DefaultColorPhone的樣子如圖6。

　　仿真器的外觀和操作類似一部移動電話，但是并不代表某個特定的設備，而是提供對其所支持的API 的正確實現，每個命令按鈕對應著相應的API函數。從圖6中可以看到手機的導航鍵，我們更改了導航鍵的API函數，使其從鼠標單擊觸發的方式轉換為串口動作代碼控制。首先，我們編寫了J2ME的串口接收程序，用于接收從單片機傳來的單字節的type_action值；然后將type_action以參數的形式傳給API，手機根據不同的type_action值執行不同的動作，包括菜單上下翻、進出二級子菜單、圖片翻轉等。手機動作與type_action的對應關系如表3。

　　根據type_action的值，在手機界面上產生相應的動作，手機界面發送不同的變化。演示終端的具體實現在下面的內容詳細介紹。