本發(fā)明屬于人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維空間立體手繪裝置及方法，尤其涉及一種基于手勢(shì)輸入、識(shí)別與控制的可穿戴式人機(jī)交互的快速三維空間立體手繪裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著人機(jī)交互技術(shù)的不斷發(fā)展，人機(jī)交互的方式已經(jīng)從傳統(tǒng)的繁瑣而復(fù)雜的鍵盤輸入、鼠標(biāo)控制，逐步發(fā)展到觸控、語音、手勢(shì)、眼控，每一種交互方式的出現(xiàn)都給市場(chǎng)帶來了無限可能性。毫無疑問，人與機(jī)器設(shè)備之間的交互越來越趨向于簡(jiǎn)單、直觀，人機(jī)交互的體驗(yàn)越來越立體、自然。同時(shí)，隨著智能家電、大屏智能設(shè)備、游戲娛樂等領(lǐng)域的快速發(fā)展，繁瑣的人機(jī)交互方式已經(jīng)逐漸被淘汰，而手勢(shì)控制作為一種便捷且自然的交互方式，逐漸贏得人們的青睞。但是傳統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別方法易受光照、背景、噪聲等外部因素影響，手勢(shì)控制的精度及實(shí)時(shí)性亟待提高。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速進(jìn)步，一系列以便利工作生活、提升娛樂體驗(yàn)為目的的智能設(shè)備快速興起并蓬勃發(fā)展。用戶交互體驗(yàn)更趨向于自然，智能交互設(shè)備的形態(tài)也產(chǎn)生了巨大的變化，交互方式還遠(yuǎn)未令人滿意。圖形作為一種更直觀的溝通工具與思考方法，已泛在應(yīng)用各種場(chǎng)合。三維圖形交互效果表現(xiàn)的更佳，然而三維圖形的繪制對(duì)于非專業(yè)人員來說難度大、門檻高，即便是繪制簡(jiǎn)單立體圖也耗時(shí)耗力，難以表達(dá)出來。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題，提供了一種用于三維空間立體繪圖的交互輸入方法，只需要在手上固定配套設(shè)備，就可以直接通過手部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行“凌空繪圖”。

本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是：一種基于手勢(shì)控制的三維空間手繪裝置，其特征在于：包括手勢(shì)傳感單元、imu慣性測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元、數(shù)據(jù)解算和控制單元、WIFI通信單元、上位機(jī)；

所述手勢(shì)傳感單元、imu慣性測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元、數(shù)據(jù)解算和控制單元、WIFI通信單元集成到運(yùn)動(dòng)手飾上，運(yùn)動(dòng)手飾固定在手上；

所述手勢(shì)傳感單元、imu慣性測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元分別與所述數(shù)據(jù)解算和控制單元連接通信，所述運(yùn)動(dòng)手飾能通過所述WIFI通信單元與上位機(jī)連接通信。

本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種基于手勢(shì)控制的三維空間手繪方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：采集各手指彎曲度、采集手部與超聲波發(fā)射源距離、采集手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置；

步驟2：通過各手指彎曲度數(shù)據(jù)得到手部的姿態(tài)，通過手部與超聲波發(fā)射源距離、手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置的數(shù)據(jù)計(jì)算得到手部的三維空間坐標(biāo)；

步驟3：對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)有效組織和精確調(diào)度各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)的識(shí)別、對(duì)手部運(yùn)動(dòng)的追蹤。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用先進(jìn)的傳感器檢測(cè)手指各關(guān)節(jié)的屈伸角度。此類傳感器采用了先進(jìn)的特殊材料，這類材料彎曲形變極其敏感，能夠?qū)澢巫冝D(zhuǎn)換為電阻阻值的變化，電阻阻值經(jīng)過信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路能夠處理的數(shù)字信號(hào)。通過這種方式避免了使用微電子慣性測(cè)量元件造成的運(yùn)算量大、誤差較大的弊端；

2.采用基于MEMS技術(shù)的高精度微電子慣性測(cè)量芯片實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)控。片上同時(shí)集成加速度計(jì)和陀螺儀，避免傳感器分置帶來的測(cè)量誤差；通過精密的校準(zhǔn)和精心設(shè)計(jì)的融合算法最大程度克服了MEMS設(shè)備的固有缺點(diǎn)，得到媲美機(jī)械慣導(dǎo)設(shè)備的精確度，為后級(jí)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、追蹤、定位算法的準(zhǔn)確性提供保障，實(shí)現(xiàn)三維空間立體手繪功能；

3.采用紅外同步與超聲波測(cè)距結(jié)合的測(cè)距方案用于在慣性測(cè)量條件未達(dá)到或需要相對(duì)于世界坐標(biāo)系的絕對(duì)定位參數(shù)時(shí)提供絕對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)，使得三維空間立體手繪功能易實(shí)現(xiàn)且成本低，在本設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景下具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)；

4.采用自行改進(jìn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使各項(xiàng)任務(wù)得到有效組織和精確調(diào)度，一方面提高了處理器利用效率，另一方面又能做到及時(shí)響應(yīng)各種內(nèi)外部任務(wù)，保證三維空間立體手繪的實(shí)時(shí)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)功能模塊圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)手飾的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的超聲波發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)見圖1、圖2和圖3，本發(fā)明提供的一種基于手勢(shì)控制的三維空間手繪裝置，包括手勢(shì)傳感單元1、imu慣性測(cè)量單元2、輔助測(cè)量單元3、數(shù)據(jù)解算和控制單元4、WIFI通信單元、上位機(jī)；手勢(shì)傳感單元1、imu慣性測(cè)量單元2、輔助測(cè)量單元3、數(shù)據(jù)解算和控制單元4、WIFI通信單元集成到運(yùn)動(dòng)手飾上，運(yùn)動(dòng)手飾固定在手上；手勢(shì)傳感單元1、imu慣性測(cè)量單元2、輔助測(cè)量單元3分別與數(shù)據(jù)解算和控制單元4連接通信，運(yùn)動(dòng)手飾能通過WIFI通信單元與上位機(jī)連接通信。

手勢(shì)傳感單元1由彎曲—電阻傳感器陣列7和與彎曲—電阻傳感器陣列7相連的運(yùn)放跟隨裝置8組成，是裝置的核心模塊，這一功能模塊通過傳感器得到手指關(guān)節(jié)的屈伸程度，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理、整形和濾波后交由后級(jí)模塊處理。

imu慣性測(cè)量單元2采用用imu慣性測(cè)量單元監(jiān)測(cè)并獲取用戶手部的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶手部運(yùn)動(dòng)的定位和追蹤。imu慣性測(cè)量單元2以mems慣性測(cè)量傳感器為核心，運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)mems六軸慣性測(cè)量傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，修正傳感數(shù)據(jù)、抑制噪聲，得到可信的數(shù)據(jù)；最大程度克服了mems設(shè)備的固有弱點(diǎn)，保證了慣性測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可信和穩(wěn)定。為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的可信性，排除因偶然因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成干擾，融合后的測(cè)量結(jié)果經(jīng)過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，從而達(dá)到更佳的噪聲抑制效果。

輔助測(cè)量單元3用于幫助裝置克服imu測(cè)量結(jié)果的相對(duì)性和對(duì)被測(cè)目標(biāo)加速度限制嚴(yán)格的局限性；輔助測(cè)量單元從世界坐標(biāo)系的視角，為某些主要功能的實(shí)現(xiàn)提供絕對(duì)定位數(shù)據(jù)，并融合imu的測(cè)量結(jié)果，做到對(duì)用戶手部運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)穩(wěn)定的感知和追蹤。輔助測(cè)量單元3包括超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊11，采用紅外同步&超聲波測(cè)距結(jié)合的測(cè)距方案，測(cè)距開始時(shí)，超聲波發(fā)射模塊發(fā)送經(jīng)調(diào)制的同步紅外信號(hào)，同時(shí)超聲波發(fā)射模塊發(fā)出經(jīng)調(diào)制的超聲波信號(hào)。超聲波接收模塊11在接收到同步紅外信號(hào)的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到超聲波接收模塊11收到發(fā)方超聲波信號(hào)為止。此時(shí)的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)t乘以聲速v即為距離s。不僅保證了較強(qiáng)的抗干擾性能，同時(shí)能夠得到精確的測(cè)量結(jié)果。

數(shù)據(jù)解算和控制單元4運(yùn)用軟件算法對(duì)前級(jí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)有效組織和精確調(diào)度各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)的實(shí)時(shí)識(shí)別、對(duì)手部運(yùn)動(dòng)的追蹤等核心功能。

數(shù)據(jù)解算和控制單元4主要由有效判定模塊、模式匹配模塊、命令收發(fā)模塊三部分組成：有效判定模塊接收手部數(shù)據(jù)采集單元提供的測(cè)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合有效條件判定數(shù)據(jù)是否有效可用；模式匹配模塊利用測(cè)量數(shù)據(jù)與用戶在設(shè)定手勢(shì)時(shí)的初始化數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，若命中則通知命令收發(fā)模塊發(fā)送相應(yīng)指令；命令收發(fā)模塊根據(jù)模式匹配的結(jié)果發(fā)送相應(yīng)命令。若有上位機(jī)命令到來，則接收并處理。

為了保證實(shí)時(shí)正常讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)，快速及時(shí)地完成數(shù)據(jù)解算工作；此外在有通信任務(wù)之時(shí)，必須快速響應(yīng)，及時(shí)完成通信，本發(fā)明采用了基于運(yùn)放跟隨的差分卡爾曼濾波算法、紅外同步+超聲波測(cè)距的測(cè)距算法、RT-Thread增加內(nèi)核包和擴(kuò)充互斥核心的操作算法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解算和控制。這一方面提高了處理器利用效率，另一方面又能做到及時(shí)響應(yīng)各種內(nèi)外部任務(wù)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明RT-Thread增加內(nèi)核包和擴(kuò)充互斥核心的操作算法在實(shí)時(shí)性、易用性、健壯性、功能完整性方面均達(dá)到較高水準(zhǔn)，完全滿足了功能設(shè)計(jì)要求。

WIFI通信單元用于建立運(yùn)動(dòng)手飾與上位機(jī)(上位機(jī)包括服務(wù)器、PC或其他智能設(shè)備)的數(shù)據(jù)通聯(lián)。WIFI模塊將運(yùn)動(dòng)手飾接入網(wǎng)絡(luò)，從而建立同多個(gè)設(shè)備間的控制通道。

上位機(jī)包括通信模塊、透?jìng)髂K、命令執(zhí)行模塊；通信模塊用于獲取運(yùn)動(dòng)手飾解算得到的數(shù)據(jù)或操作指令，并根據(jù)所收到的數(shù)據(jù)或指令的性質(zhì)分發(fā)；透?jìng)髂K用于傳輸數(shù)據(jù)或指令，并轉(zhuǎn)換成上位機(jī)能接收的數(shù)據(jù)格式；命令執(zhí)行模塊用于根據(jù)收到的指令在上位機(jī)中執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制繪圖功能。

本發(fā)明提供的一種基于手勢(shì)控制的三維空間手繪方法，包括以下步驟：

步驟1：采集各手指彎曲度、采集手部與超聲波發(fā)射源距離、采集手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置；

步驟2：通過各手指彎曲度數(shù)據(jù)得到手部的姿態(tài)，通過手部與超聲波發(fā)射源距離、手部在垂直于手部與超聲波發(fā)射源連線的二維平面位置的數(shù)據(jù)計(jì)算得到手部的三維空間坐標(biāo)；

其具體實(shí)現(xiàn)過程是：

運(yùn)動(dòng)手飾通過手勢(shì)傳感單元1能實(shí)時(shí)采集手指運(yùn)動(dòng)的彎曲度對(duì)應(yīng)的電阻阻值變化率，采用基于運(yùn)放跟隨的差分卡爾曼濾波算法，采用五階中值濾波器進(jìn)一步進(jìn)行噪聲抑制處理，再根據(jù)收發(fā)分離的開放式超聲波換能器和大功率寬視角的紅外發(fā)射接收電路實(shí)現(xiàn)的紅外同步+超聲波測(cè)距的測(cè)距算法，實(shí)時(shí)計(jì)算得到手指的三維坐標(biāo)值與彎曲度數(shù)，從而快速實(shí)現(xiàn)手部的三維空間高精度定位功能。

步驟3：對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)有效組織和精確調(diào)度各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)的識(shí)別、對(duì)手部運(yùn)動(dòng)的追蹤。

本實(shí)施例中對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其具體實(shí)現(xiàn)過程是：

運(yùn)動(dòng)手飾通過數(shù)據(jù)解算和控制單元4通過RT-Thread增加內(nèi)核包和擴(kuò)充互斥核心的操作算法，達(dá)到能快速實(shí)時(shí)響應(yīng)處理采集得到數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)識(shí)別與追蹤，并將處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)通過wifi通信單元傳輸給上位機(jī)。

本發(fā)明基于獨(dú)特的手指彎曲傳感與三維空間高精度定位法，能夠極大地提高手勢(shì)識(shí)別和三維空間定位的準(zhǔn)確率與實(shí)時(shí)性，并且可穿戴式的設(shè)計(jì)能夠給用戶帶來更加方便、立體和自然的人機(jī)交互體驗(yàn)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。