專利名稱：基于手勢識別的pc智能輸入系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在使用大尺寸顯示器的PC應(yīng)用領(lǐng)域，基于手勢識別的PC智能輸入系統(tǒng)可作為計 算機的標準外設(shè)實現(xiàn)PC控制。
背景技術(shù)：
在PC誕生之后的很長一段時間內(nèi)，人們使用鍵盤作為其主要輸入方式。對于使用 PC的專業(yè)人士而言，鍵盤無疑是一種方便快捷的輸入設(shè)備，它能夠很準確地將使用者需要 表達的信息傳遞給PC。但從另一方面來講，數(shù)目繁多的按鍵卻給那些非專業(yè)用戶帶來了很 大的使用障礙。1964年，全世界第一個鼠標誕生于美國加州斯坦福大學，發(fā)明者是Douglas Englebart博士。Englebart博士設(shè)計鼠標的初衷就是為了使計算機的操作更加簡便，以此 來代替鍵盤那些繁瑣的指令。這項技術(shù)的發(fā)明給計算機的輸入方式帶來了巨大變革，為PC 的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。后來觸摸屏的使用又給人們帶來了更大的便捷，只需輕輕一點，即可完成大部分 操作。蘋果公司推出的便攜式媒體播放器iPod touch，采用一種稱作多點觸控的技術(shù)，使 用戶能夠像翻閱普通相冊一樣瀏覽圖片文件，并可通過兩根手指同時作用來完成照片的旋 轉(zhuǎn)、縮放等功能，帶給用戶以人性化的操作方式，但這種多點觸控技術(shù)是應(yīng)用于特定軟硬件 設(shè)備上的專用技術(shù)，對PC而主并沒有通用性。無論是鍵盤、鼠標，還是觸摸屏技術(shù)都不可避免地將使用者局限在計算機之前，而 在大尺寸顯示器PC應(yīng)用領(lǐng)域就突出顯示了這些技術(shù)的不足。解決使用者的空間局限性同 時使輸入方式更加人性化是解決這一問題的最佳途徑。

發(fā)明內(nèi)容
為克服以上缺點，本發(fā)明提供一種基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，包含手持端 和主機端兩部分，手持端與主機端之間使用無線方式進行通信，其特征在于手持端通過加 速度傳感器采集手部動作過程中加速度的變化量，判斷上下左右四種手勢動作，并可利用 重力加速度測量手臂傾角。主機端使用USB composite device技術(shù)，可被PC識別為鼠標 和鍵盤結(jié)合而成的組合設(shè)備，通過一個USB接口向PC傳送鼠標指令和鍵盤指令。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。所述的手持端是包含一個加速度傳感器，一個微控制器，一組按鍵和一套無線發(fā) 射電路的裝置。所述的主機端是包含一個無線接收電路，一個微控制器和一塊USB接口芯片的裝 置或包含一個無線接收電路，一個帶USB接口的微控制器的裝置之一。所述的主機端可被PC識別為一個USB組合設(shè)備，只使用一個USB接口，通過不同 的USB端點來分別實現(xiàn)HID類的鼠標與鍵盤，即插即用，不需要任何額外驅(qū)動程序。所述的手持端中的一組按鍵由三個微動按鍵組成，如圖2所示，按鍵A用于完成鼠 標模式與非鼠標模式之間的切換，在鼠標模式下，按鍵B用于鼠標左鍵，按鍵C用于鼠標右鍵，在非鼠標模式下，按鍵B用于動作識別，按鍵C用于滾輪。該系統(tǒng)使用加速度傳感器測量手部運動過程中加速度的變化量，通過分析變化量 的特征提取上下左右四種手勢，以完成對PC多媒體瀏覽操作的控制。該系統(tǒng)使用加速度傳感器測量手臂與重力方向的夾角，根據(jù)夾角的方向與大小確 定鼠標指針移動的方向與速度。該系統(tǒng)可識別的上下左右四種手勢，在進行不同的PC多媒體瀏覽操作時，控制PC 完成不同的動作，在使用PC進行幻燈片瀏覽時，上下左右四種手勢分別代表沒有動作，關(guān) 閉幻燈片，前一張幻燈片，后一張幻燈片，在使用PC進行圖片瀏覽時，上下左右四種手勢分 別代表放大圖片，縮小圖片，前一張圖片，后一張圖片，在使用PC播放音樂時，上下左右四 種手勢分別代表增大音量，減小音量，前一首音樂，后一首音樂，在使用PC播放電影時，上 下左右四種手勢分別代表增大音量，減小音量，電影快退，電影快進。與傳統(tǒng)PC輸入方式相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點1.全新的輸入理念。使用者不必再被局限于PC的鼠標鍵盤前，可在十幾米的范圍 之內(nèi)隨意走動，通過手部動作輕松控制PC。2.人性化操作。使用簡單，功能強大。僅需要上、下、左、右四個動作即可控制PC 完成絕大部分常用操作，并可通過手臂的傾斜控制鼠標指針的移動。3.即插即用。使用USB接口與PC連接，無需額外安裝驅(qū)動程序，通用性好。4.使用時間長。主機端使用USB供電，手持端使用超低功耗芯片并配以完整的節(jié) 能方案，實現(xiàn)長待機、長使用時間。5.成本低。系統(tǒng)設(shè)計緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡單。


圖1是基于手勢識別的PC智能輸入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。圖2是基于手勢識別的PC智能輸入系統(tǒng)的手持端示意圖。
具體實施例方式對于該發(fā)明的主機端，當其接入到電腦的USB接口之后，立刻進行USB的枚舉操 作，隨后就被自動識別為USB HID類的標準設(shè)備。幾乎所有操作系統(tǒng)都提供了對HID類鼠 標與鍵盤設(shè)備的支持，主機端的USB固件程序就是基于HID類鼠標和鍵盤來實現(xiàn)，因而在安 裝和使用的過程中無需再向操作系統(tǒng)提供額外的驅(qū)動程序。在實現(xiàn)的過程中，為了只通過 一個USB接口來完成鼠標和鍵盤全部操作，主機端使用了 USB composite device的技術(shù)， 即通過不同的USB端點來分別實現(xiàn)HID類的鼠標與鍵盤。這樣不僅僅減小了主機端的體 積，更是讓主機端無需任何額外的驅(qū)動程序即可直接與PC相連，真正實現(xiàn)了通用性和即插 即用。對于該發(fā)明的手持端，使用MEMSIC公司的加速度傳感器MXC6202，通過讀取兩個 坐標軸方向的加速度值，通過分析加速度變化量的特征提取上下左右四種手勢，以完成對 PC多媒體瀏覽操作的控制。為完整地實現(xiàn)鼠標功能以便于用戶更好地操作PC，該發(fā)明可實現(xiàn)鼠標的所有功 能，包括指針的移動、左鍵、右鍵以及滾輪。傳統(tǒng)的指針移動控制是利用兩次積分記錄傳感器運動的軌跡，并將其轉(zhuǎn)換為鼠標移動的數(shù)據(jù)。如果手持端直接采用這種實現(xiàn)方法則會存 在以下兩個問題首先，傳感器本身的加速度值就存在誤差，即使沒有任何動作，讀出的加速度值仍 然在一個范圍內(nèi)波動。雖然其固有的誤差可通過濾波解決，但手臂運動的不均勻性，采樣速 率的限制，以及超量程的非線性數(shù)據(jù)，最終都導致了兩次積分的不可實現(xiàn)。其次，傳感器在手臂運動過程中不可避免地會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，重力加速度就無法持續(xù) 作用于同一坐標軸，在識別過程中去除重力加速度影響無疑是一個非常棘手的問題。本發(fā)明并非想方設(shè)法去消除重力影響，而是在識別的過程中巧妙地將重力加速度 也作為識別的對象，直接將重力加速度對傳感器四個方向上的影響映射為該方向上鼠標移 動的速度。這樣只需要將手臂前、后、左、右傾斜，即可非常容易地實現(xiàn)對鼠標指針移動的控 制。傾斜的角度決定移動的速度，即手臂朝某個方向傾斜的角度越大，則該方向重力加速度 的分量也越大，鼠標移動的速度也越快。這樣的設(shè)計非常簡單，同時很符合人們的使用習 慣。使用者可以輕而易舉地將鼠標移動到任何位置，滿足精確定位的要求。主機端與手持端之間使用2.4GHz頻率進行數(shù)據(jù)交互。主機端作為Access Point (無線接入點)，手持端則作為End Device (終端設(shè)備)。主機端上電后，立即進入等 待終端設(shè)備接入狀態(tài)。當手持端上電后，會為自身建立隨機地址，并使用該地址與主機端建 立連接，從而防止了受到其它設(shè)備的干擾。一旦地址確定后，即可與主機端進行正常的數(shù)據(jù) 通信。主機端在實現(xiàn)上還引入了網(wǎng)關(guān)的地址過濾機制，即手持端在與主機端建立連接后，其 地址會被主機端添加至合法地址池中，只有存在于該地址池中的數(shù)據(jù)才會被接收。該地址 過濾機制的使用可以很大程度地克服其它設(shè)備的干擾。為了便于用戶使用，本發(fā)明僅使用3個微動按鍵來配合加速度傳感器實現(xiàn)所有功 能。按鍵A用于完成鼠標與非鼠標兩種模式的切換，在鼠標模式下，按鍵B用于鼠標左鍵， 按鍵C用于鼠標右鍵，在非鼠標模式下，按鍵B用于動作識別，按鍵C用于滾輪。使用時，應(yīng)先將主機端接入PC的USB接口。第一次接入時，PC需要一定的時間自 動添加相應(yīng)驅(qū)動程序。當出現(xiàn)安裝成功的提示之后，表示主機端已經(jīng)可以正常工作了。在 PC正常安裝過相應(yīng)驅(qū)動之后，再次接入時即可立即使用。手持端開啟電源后，默認進入非鼠標模式。在該模式下，按鍵B為動作識別鍵。當 此鍵按下時，進入動作識別狀態(tài)，即可識別使用者上、下、左、右的手部動作。以向左的手勢 為例說明，操作方法為將手持端水平放置，按住按鍵B，將手向左移動一段水平位移，然后 松開按鍵，此時即可識別出向左的手勢。上、下、右方向的識別過程與此類似，不再贅述。上、下、左、右四個手勢雖然看似簡單，但對于Windows操作系統(tǒng)而言，已經(jīng)能夠完 成很多操作。在此以四個最常用的多媒體應(yīng)用程序加以說明1.幻燈片瀏覽是大屏幕PC操作時最常用的功能之一，使用本發(fā)明可以方便地對 其進行控制。如向右揮手，幻燈片就會翻到下一頁；而向左揮手，幻燈片就會回到上一頁。 這樣通過手勢可以方便地控制幻燈片的切換。在使用該功能時，向上的手勢沒有任何意義， 不會造成任何操作，而向下的手勢則會退出幻燈片瀏覽。2.使用本發(fā)明瀏覽圖片時，上、下、左、右四種手勢分別對應(yīng)放大圖片、縮小圖片、 上一張圖片、下一張圖片四種操作。3.使用本發(fā)明控制PC播放音樂時，上、下、左、右四種手勢分別對應(yīng)增大音量、減
5小音量、上一首曲目、下一首曲目四種操作。
4.使用本發(fā)明控制PC播放電影時，上、下、左、右四種手勢分別對應(yīng)增大音量、減 小音量、快退、快進四種操作。在非鼠標模式下，按鍵C為鼠標滾輪。這樣的設(shè)計是為了便于瀏覽網(wǎng)頁、PDF及 WORD文檔等需要滾屏操作的應(yīng)用程序。操作時先將手持端豎起，按下按鍵C，向前傾斜就會 使屏幕向下滾動，向后傾斜會使屏幕向上滾動。滾動的速度由傾斜角度決定，以此就可以容 易地精確定位到需要查找的內(nèi)容。打開手持端電源后，將手持端豎起，按下按鍵A，即可進入鼠標模式。鼠標模式中， 手持端上的傳感器會不斷連續(xù)采樣四個方向的加速度。當該方向的加速度滿足一定要求 后，相應(yīng)的控制命令就會被發(fā)送至主機端，用以控制鼠標的移動。在該模式下，按鍵B為鼠 標左鍵，按鍵C為鼠標右鍵，可以像普通鼠標一樣執(zhí)行單擊或雙擊操作。鼠標模式中再次按 下按鍵A，即可退出該模式。盡管本發(fā)明已作了詳細的說明并引證了實施例，但對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員， 顯然可以按照上述說明而做出各種替代方案、修改和改動，因此，所有這些替代方案、修正 和改動，都應(yīng)該包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，包含手持端(1)和主機端(2)兩部分，手持端(1)與主機端(2)之間使用無線方式進行通信，其特征在于a.手持端(1)通過加速度傳感器(3)采集手部動作過程中加速度的變化量，判斷上下左右四種手勢動作，并可利用重力加速度測量手臂傾角。b.主機端(2)使用USB composite device技術(shù)，可被PC識別為鼠標和鍵盤結(jié)合而成的組合設(shè)備，通過一個USB接口向PC傳送鼠標指令和鍵盤指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，其特征在于所述的手持 端(1)是包含一個加速度傳感器(3)，一個微控制器(4)，一組按鍵(5)和一套無線發(fā)射電 路(6)的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，其特征在于所述的主機 端(2)是包含一個無線接收電路(7)，一個微控制器(8)和一塊USB接口芯片(9)的裝置或 包含一個無線接收電路(7)，一個帶USB接口的微控制器(10)的裝置之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，其特征在于所述的主機 端(2)可被PC識別為一個USB組合設(shè)備，只使用一個USB接口，通過不同的USB端點來分 別實現(xiàn)HID類的鼠標與鍵盤，即插即用，不需要任何額外驅(qū)動程序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，其特征在于所述的手持 端⑴中的一組按鍵(5)由三個微動按鍵組成，按鍵A(ll)用于完成鼠標模式(12)與非鼠 標模式(13)之間的切換，在鼠標模式(12)下，按鍵B(14)用于鼠標左鍵，按鍵C(15)用于 鼠標右鍵，在非鼠標模式(13)下，按鍵B(14)用于動作識別，按鍵C(15)用于滾輪。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)使用 加速度傳感器(3)測量手部運動過程中加速度的變化量，通過分析變化量的特征提取上下 左右四種手勢(16)，以完成對PC多媒體瀏覽操作的控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)使用 加速度傳感器(3)測量手臂與重力方向的夾角，根據(jù)夾角的方向與大小確定鼠標指針移動 的方向與速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手勢識別的智能PC輸入系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)可識 別的上下左右四種手勢(16)，在進行不同的PC多媒體瀏覽操作時，控制PC完成不同的動 作，在使用PC進行幻燈片瀏覽時，上下左右四種手勢(16)分別代表沒有動作，關(guān)閉幻燈片， 前一張幻燈片，后一張幻燈片，在使用PC進行圖片瀏覽時，上下左右四種手勢(16)分別代 表放大圖片，縮小圖片，前一張圖片，后一張圖片，在使用PC播放音樂時，上下左右四種手 勢(16)分別代表增大音量，減小音量，前一首音樂，后一首音樂，在使用PC播放電影時，上 下左右四種手勢(16)分別代表增大音量，減小音量，電影快退，電影快進。
全文摘要
在使用大尺寸顯示的PC應(yīng)用領(lǐng)域，針對傳統(tǒng)PC輸入設(shè)備的不足，設(shè)計了一種基于手勢識別的PC智能輸入系統(tǒng)。系統(tǒng)由主機端與手持端組成，手持端通過使用加速度傳感器對使用者手部動作進行識別，將識別結(jié)果預(yù)處理后以無線方式傳送給主機端，主機端接收識別信息后，再經(jīng)進一步處理，將其轉(zhuǎn)換為控制命令通過USB接口發(fā)送給電腦，完成對PC的操作。手持端功耗低，體積小巧，主機端可即插即用，整個系統(tǒng)易使用，成本低。用戶通過手部上下左右揮動等簡單的動作，即可以一種更符合肢體語言的方式對PC方便地進行控制。
文檔編號G06F3/01GK101807112SQ20091006786
公開日2010年8月18日 申請日期2009年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月16日
發(fā)明者張勇, 董海坤, 邵巍 申請人:董海坤;邵巍;張勇