基于超声波的手势识别系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超声波的手势识别系统，它包括发射声波同时录制声波信号的电子设备，所述电子设备具有声波发射器、声波接收器、测量与识别模块，所述电子设备控制所述声波发射器发送声波，发射的声波照射到目标后会产生反射波，所述声波接收器接收到声波信号后，发送给所述测量与识别模块，对声波进行测量，获取手势参数后对手势进行识别；所述电子设备控制所述声波接收器接收声波，获取目标反射的声波信号，所述声波接收器接收到的声波信号是一个混合信号，同时包括从声源直达的信号，经过附近物体反射的信号，以及经过目标反射的信号。本发明专利技术同时还公开了一种基于超声波的手势识别方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。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。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ProjectSoli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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术提出了一种基于超声波的手势识别系统。本专利技术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。本专利技术采用以下技术方案：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。进一步地，所述声波信号为超声波信号。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。有益效果本专利技术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。利用本专利技术提出的测量方法，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，本专利技术的计算复杂度较低，可以在现有的智能设备上直接实现。附图说明图1是本专利技术的系统结构框图。图2是本专利技术的测量与识别模块的实施流程图。图3是本专利技术数字下变频模块的一种实施流程图。图4是基带矢量信号的实部与虚部曲线。图5是基带矢量信号的二维复平面曲线。图6是本专利技术对应的一种手势识别示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术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。本专利技术主要技术特征是一、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。图1是本专利技术的系统结构。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。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声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声波的手势识别系统，其特征在于：它包括发射声波同时录制声波信号的电子设备，所述电子设备具有声波发射器、声波接收器、测量与识别模块，所述电子设备控制所述声波发射器发送声波，发射的声波照射到目标后会产生反射波，所述声波接收器接收到声波信号后，发送给所述测量与识别模块，对声波进行测量，获取手势定量参数后对手势进行识别；所述电子设备控制所述声波接收器接收声波，获取目标反射的声波信号，所述声波接收器接收到的声波信号是一个混合信号，同时包括从声源直达的信号，经过附近物体反射的信号，以及经过目标反射的信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波的手势识别系统，其特征在于：它包括发射声波同时
录制声波信号的电子设备，所述电子设备具有声波发射器、声波接收器、测
量与识别模块，所述电子设备控制所述声波发射器发送声波，发射的声波照
射到目标后会产生反射波，所述声波接收器接收到声波信号后，发送给所述
测量与识别模块，对声波进行测量，获取手势定量参数后对手势进行识别；
所述电子设备控制所述声波接收器接收声波，获取目标反射的声波信号，所
述声波接收器接收到的声波信号是一个混合信号，同时包括从声源直达的信
号，经过附近物体反射的信号，以及经过目标反射的信号。
2.根据权利要求1所述的手势识别系统，其特征在于：
所述测量与识别模块包括声波数据采集模块、数字下变频模块、相位测
量模块、手势参数提取模块、手势识别模块，所述声波接收器采集到声波后,
通过所述声波数据采集模块进行采样和量化变为数字信号，采样频率需要和
发射声波时采用的采样频率一致，数字采样后，通过所述数字下变频模块与
发射声波的同频率信号进行混频，获取基带矢量信号，在所述相位测量模块
中对基带矢量信号进行相位测量，通过相位测量获取目标的移动距离，提取
基于移动距离和移动速度的手势参数，在所述手势识别模块中识别出具体的
手势并根据手势执行相应的操作。
3.根据权利要求2所述的手势识别系统，其特征在于，所述数字下变频
模块实现方式为：将采集到的声波分成两路，一路为与发射声波同频率的余
弦cos实数信号相乘；另一路为与发射声波同频率的正弦sin实数信号相乘，
两路分别通过两个低通滤波器进行滤波操作，两路低频基带信号通过下抽样
降低采样率，获得基带同相分量(Inphase)和基带正交分量(Quadrature)，最终
得到基带...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘向阳，王炜，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32