技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及手勢(shì)隔空交互技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的手勢(shì)隔空交互系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術(shù)：

手勢(shì)識(shí)別技術(shù)是指通過(guò)數(shù)學(xué)以及模式識(shí)別等算法來(lái)識(shí)別人類手勢(shì)的技術(shù)。

隨著射頻識(shí)別、無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的新型應(yīng)用模式備受關(guān)注。借助于非接觸式的自動(dòng)識(shí)別能力和無(wú)線信號(hào)傳輸技術(shù)，RFID系統(tǒng)能夠獲取標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度信息，借助于信號(hào)分析與模式識(shí)別算法，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的模式匹配，識(shí)別人的手勢(shì)動(dòng)作，最終達(dá)到手勢(shì)隔空交互的效果，讓用戶能夠利用附有RFID標(biāo)簽的廉價(jià)穿戴物進(jìn)行隔空人機(jī)交互。

目前的手勢(shì)隔空交互技術(shù)主要有基于圖像的手勢(shì)識(shí)別、基于傳感器的手勢(shì)識(shí)別?；趫D像的手勢(shì)識(shí)別對(duì)光照條件要求很高，任何阻擋物都可能造成障礙，并且要求大量的信號(hào)值才能做出判斷，識(shí)別較慢，并需要進(jìn)行大量計(jì)算?；趥鞲衅鞯氖謩?shì)識(shí)別，成本很高，并且需要實(shí)時(shí)對(duì)傳感器供電。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的手勢(shì)隔空交互系統(tǒng)及其工作方法，該系統(tǒng)和方法對(duì)光照環(huán)境要求低，識(shí)別速度快，計(jì)算簡(jiǎn)單，且成本低廉。

該系統(tǒng)和方法根據(jù)RFID標(biāo)簽獲取穿戴設(shè)備上標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）變化和相位變化、自適應(yīng)的閾值分析調(diào)整環(huán)境參數(shù)，通過(guò)模式匹配算法對(duì)射頻識(shí)別的輸入信息進(jìn)行匹配處理，感知識(shí)別人的手勢(shì)，最終由交互終端實(shí)時(shí)地顯示相應(yīng)手勢(shì)事件，完成所見(jiàn)即所得的手勢(shì)隔空交互。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的一種基于射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的手勢(shì)隔空交互系統(tǒng)包括：

RFID閱讀器：用于接收閱讀器天線讀取的RFID標(biāo)簽的ID、信號(hào)強(qiáng)度信息（RSSI）、相位信息，并能將獲得的信息經(jīng)通信設(shè)備傳輸?shù)教幚斫K端；

閱讀器天線：用于發(fā)射RFID閱讀器的信號(hào)，并實(shí)時(shí)接收RFID標(biāo)簽返回的信號(hào)強(qiáng)度信息和相位信息；

貼有RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備：穿戴設(shè)備上貼有一個(gè)RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽可以貼在表面，也可以貼在內(nèi)部，標(biāo)簽中包含ID信息；

通信設(shè)備：用于智能處理終端與RFID閱讀器之間以及智能處理終端與交互終端之間的信息傳輸；

智能處理終端：用于控制RFID閱讀器，根據(jù)通信設(shè)備獲取RFID閱讀器實(shí)時(shí)采集的RFID標(biāo)簽信號(hào)數(shù)據(jù)和相位信息，運(yùn)行模式識(shí)別算法，識(shí)別用戶的手勢(shì)動(dòng)作并將相應(yīng)的手勢(shì)事件通過(guò)通信設(shè)備反饋給交互終端；

交互終端：通過(guò)通信設(shè)備與智能處理終端進(jìn)行交互，接收智能處理終端的手勢(shì)事件并通過(guò)應(yīng)用程序向用戶展示相應(yīng)的交互效果。

所述RFID閱讀器為超高頻RFID標(biāo)簽讀取模塊，所述RFID標(biāo)簽為超高頻RFID標(biāo)簽，超高頻RFID標(biāo)簽讀取模塊通過(guò)EPC Global C1 G2 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)讀寫超高頻RFID標(biāo)簽。

所述智能處理終端識(shí)別的用戶手勢(shì)靜態(tài)手勢(shì)和動(dòng)態(tài)手勢(shì)，并將識(shí)別的手勢(shì)事件發(fā)送給應(yīng)用程序處理和展示。

所述靜態(tài)手勢(shì)是指在手勢(shì)識(shí)別期間手指相對(duì)空間位置不發(fā)生變化的手勢(shì)，所述動(dòng)態(tài)手勢(shì)是指在手勢(shì)識(shí)別期間手指相對(duì)空間位置發(fā)生變化的手勢(shì)。

一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的高精度隔空交互系統(tǒng)工作方法，包括以下步驟：

1)用戶單手或雙手穿戴附有RFID標(biāo)簽的穿戴物；

2)智能終端加載手勢(shì)特征數(shù)據(jù)庫(kù)；

3)智能終端啟動(dòng)RFID閱讀器；

4)RFID閱讀器通過(guò)閱讀器天線發(fā)送860-960MHz頻率的信號(hào)，掃描穿戴物上的RFID標(biāo)簽，讀取RFID標(biāo)簽的ID信息，同時(shí)獲得返回的RFID標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度信息（RSSI）和相位信息；

5)RFID閱讀器利用通信設(shè)備將RFID標(biāo)簽的ID信息、信號(hào)強(qiáng)度信息（RSSI）和相位信息傳輸給智能處理終端；

6)智能處理終端根據(jù)接收到的初始RFID標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度信息和相位信息，進(jìn)行環(huán)境參數(shù)調(diào)整；

7)智能處理終端根據(jù)接收到的實(shí)時(shí)RFID標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度信息和相位信息以及調(diào)整的環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行手勢(shì)感知識(shí)別，并將感知的手勢(shì)事件通過(guò)通信設(shè)備發(fā)送到交互終端；

8)交互終端根據(jù)接收到的手勢(shì)事件，實(shí)時(shí)地在應(yīng)用程序上顯示相應(yīng)手勢(shì)動(dòng)作觸發(fā)的交互效果。

所述步驟7）中的手勢(shì)感知識(shí)別是根據(jù)實(shí)時(shí)的RFID標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度信息變化和相位信息變化，抽取信號(hào)特征，查找手勢(shì)特征數(shù)據(jù)庫(kù)并匹配手勢(shì)動(dòng)作特征模板，識(shí)別相應(yīng)的手勢(shì)動(dòng)作。

本發(fā)明提供了一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的手勢(shì)隔空交互系統(tǒng)及其工作方法，該系統(tǒng)和方法與現(xiàn)基于圖像的手勢(shì)隔空交互系統(tǒng)區(qū)別在于，該系統(tǒng)使用RFID系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行手勢(shì)的感知識(shí)別，相比于基于圖像的手勢(shì)識(shí)別，該系統(tǒng)對(duì)于光照條件沒(méi)有任何要求，允許阻擋物體存在，只需要少量的信號(hào)值即可快速識(shí)別手勢(shì)，計(jì)算復(fù)雜度低，識(shí)別速讀快。相比于基于傳感器的手勢(shì)識(shí)別，該系統(tǒng)的輸入設(shè)備成本廉價(jià)，只需要幾個(gè)廉價(jià)的RFID標(biāo)簽與一個(gè)日常用的穿戴物，而且識(shí)別精度高，人機(jī)交互自然，無(wú)需電池供應(yīng)，具體有益效果表現(xiàn)為：

1、 方法簡(jiǎn)單：射頻模塊直接可以獲取數(shù)據(jù)，并不需要復(fù)雜的方法去處理數(shù)據(jù)，所獲取的額數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單地處理就可以直接使用。

2、 準(zhǔn)確度高：由于RFID天線極化方向和人體干擾的特性，手指動(dòng)作變化對(duì)RSSI影響很大，根據(jù)這個(gè)特性進(jìn)行的模式匹配準(zhǔn)確率高達(dá)95%以上。

3、 交互體驗(yàn)自然：由于交互設(shè)備是一個(gè)貼有RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備（如手套），我們的交互方式與現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)作基本一致，無(wú)需學(xué)習(xí)過(guò)程即可輕易使用。

4、 成本低廉：只需要普通的日常穿戴設(shè)備（如手套）再加上幾個(gè)廉價(jià)的RFID無(wú)源標(biāo)簽即可組成一個(gè)輸入設(shè)備，成本很低。

附圖說(shuō)明

圖1為基于射頻識(shí)別技術(shù)的手勢(shì)隔空交互系統(tǒng)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖；

圖3為穿戴設(shè)備標(biāo)簽部署圖；

圖4為手勢(shì)動(dòng)作示例圖；

圖5為射頻識(shí)別模塊部署圖；

圖6為手勢(shì)識(shí)別模塊原理圖。

具體實(shí)施方式

一、系統(tǒng)場(chǎng)景

圖1是系統(tǒng)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)圖，主要由射頻識(shí)別模塊和手勢(shì)識(shí)別模塊兩部分組成。射頻識(shí)別模塊主要由以下部分組成：RFID閱讀器、閱讀器天線、貼有RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備、手勢(shì)識(shí)別模塊主要由以下部分組成：智能處理終端、通信設(shè)備、交互終端。手勢(shì)識(shí)別模塊通過(guò)通信設(shè)備與射頻識(shí)別模塊進(jìn)行交互。系統(tǒng)（除閱讀器天線外）可按需求放在任意位置。為了減小無(wú)線傳輸過(guò)程中的多徑效應(yīng)的影響并保證信號(hào)的穩(wěn)定，閱讀器天線放置在距離地面大約1m到1.5m之間。貼有RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備需要正對(duì)天線，距離天線1m到2m之間，以保證識(shí)別過(guò)程中信號(hào)特征的穩(wěn)定性。系統(tǒng)各組成部分功能如下：

RFID閱讀器：接收閱讀器天線讀取的RFID標(biāo)簽的ID、信號(hào)強(qiáng)度信息（RSSI）、相位信息，并能將獲得的信息經(jīng)通信設(shè)備傳輸?shù)教幚斫K端；

閱讀器天線：發(fā)射RFID閱讀器的信號(hào)，并實(shí)時(shí)接收手套上RFID標(biāo)簽返回的信號(hào)強(qiáng)度信息和相位信息；

貼有RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備：穿戴設(shè)備上貼有RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽可以貼在表面，也可以貼在內(nèi)部，標(biāo)簽中包含ID信息；

通信設(shè)備：進(jìn)行智能處理終端與RFID閱讀器之間以及智能處理終端與交互終端之間的信息傳輸；

智能處理終端：控制RFID閱讀器，根據(jù)通信設(shè)備獲取RFID閱讀器實(shí)時(shí)采集的RFID標(biāo)簽信號(hào)數(shù)據(jù)和相位信息，運(yùn)行模式識(shí)別算法，識(shí)別用戶的手勢(shì)動(dòng)作并將相應(yīng)的手勢(shì)事件通過(guò)通信設(shè)備反饋給交互終端；

交互終端：通過(guò)通信設(shè)備與智能處理終端進(jìn)行交互，接收智能處理終端的手勢(shì)事件并通過(guò)應(yīng)用程序向用戶展示相應(yīng)的交互效果。

圖2是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖。具體工作流程如下：

1.用戶單手或雙手穿戴貼有RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備。

2.智能處理終端加載手勢(shì)特征數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.智能處理終端通過(guò)通信設(shè)備發(fā)送控制命令啟動(dòng)RFID閱讀器。

4.RFID閱讀器通過(guò)閱讀器天線發(fā)送激活信號(hào)，讀取RFID標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度、相位信息和ID。

5.閱讀器將讀取的標(biāo)簽ID、信號(hào)強(qiáng)度值（RSSI）和相位信息通過(guò)通信設(shè)備傳輸給智能處理終端。

6.智能處理終端根據(jù)實(shí)時(shí)的標(biāo)簽信號(hào)和相位值調(diào)整環(huán)境參數(shù)。

7.智能處理終端根據(jù)環(huán)境參數(shù)以及實(shí)時(shí)的標(biāo)簽RSSI信號(hào)強(qiáng)度和相位信息抽取手勢(shì)特征。

8.智能處理終端根據(jù)實(shí)時(shí)抽取的手勢(shì)特征匹配與識(shí)別手勢(shì)特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的手勢(shì)。

9.智能處理終端將識(shí)別的手勢(shì)事件通過(guò)通信設(shè)備傳輸給交互界面。

10. 應(yīng)用程序根據(jù)收到的手勢(shì)事件在應(yīng)用程序上顯示相應(yīng)的交互效果。

二、穿戴設(shè)備的標(biāo)簽部署

圖3是穿戴設(shè)備標(biāo)簽部署圖，穿戴設(shè)備上貼有RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽可以貼在表面，也可以貼在內(nèi)部，標(biāo)簽中包含ID信息。

三、手勢(shì)動(dòng)作示例

圖4是靜態(tài)手勢(shì)和動(dòng)態(tài)手勢(shì)的示例圖，靜態(tài)手勢(shì)是指在手勢(shì)識(shí)別期間手指相對(duì)空間位置不發(fā)生變化的手勢(shì)，動(dòng)態(tài)手勢(shì)是指在手勢(shì)識(shí)別期間手指相對(duì)空間位置發(fā)生變化的手勢(shì)。

四、射頻識(shí)別模塊部署圖

圖5是射頻識(shí)別模塊部署圖，閱讀器天線豎直放置在一個(gè)高1m到1.5m左右的支撐平臺(tái)上，RFID閱讀器與閱讀器天線用連接線相連。使用時(shí)，貼著RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備正對(duì)閱讀器天線輻射方向，距離閱讀器天線1m到2m之間。

五、手勢(shì)識(shí)別模塊的工作原理

圖6是手勢(shì)識(shí)別模塊的工作原理圖。由于RFID天線的線性極化特征，電離體吸收，電感耦合等影響，當(dāng)RFID標(biāo)簽與天線輻射方向的角度發(fā)生變化，人體阻擋面積發(fā)送變化以及標(biāo)簽間距變化時(shí)，均會(huì)造成標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度和相位的劇烈變化，智能處理終端會(huì)根據(jù)這一原理進(jìn)行手勢(shì)的分析與識(shí)別。具體原理如下：

當(dāng)用戶戴著附有RFID標(biāo)簽的穿戴設(shè)備站在RFID閱讀器天線旁邊時(shí)，智能處理終端啟動(dòng)RFID閱讀器并通過(guò)閱讀器天線發(fā)射信號(hào)，穿戴設(shè)備上的無(wú)源RFID標(biāo)簽反射信號(hào)給閱讀器天線，閱讀器接收到標(biāo)簽的信號(hào)后獲取標(biāo)簽ID、信號(hào)強(qiáng)度和相位，并發(fā)送給智能處理終端。

智能處理終端加載手勢(shì)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，收集一段初始標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度和相位信息，進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的調(diào)整以適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境。

當(dāng)用戶進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作時(shí)，穿戴物上的RFID標(biāo)簽與天線輻射方向的角度發(fā)生變化，標(biāo)簽天線與天線輻射方向越接近90度，標(biāo)簽反射的信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，反之越弱；人體對(duì)標(biāo)簽的阻擋面積發(fā)生變化，人體對(duì)標(biāo)簽的阻擋面積越小，標(biāo)簽反射的信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，反之越弱；標(biāo)簽之間的間距發(fā)生變化，標(biāo)簽之間的間距約大，標(biāo)簽之間的信號(hào)干擾越小，反之干擾越大；標(biāo)簽與天線距離變化時(shí)，標(biāo)簽的相位值在0到2π（rad）角度內(nèi)與其呈周期性相關(guān)變化。此時(shí)智能處理終端收集實(shí)時(shí)的標(biāo)簽ID、信號(hào)強(qiáng)度和相位信息并根據(jù)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行手勢(shì)特征抽取。

智能處理終端根據(jù)實(shí)時(shí)抽取的手勢(shì)特征以及數(shù)據(jù)庫(kù)中的手勢(shì)特征匹配相應(yīng)的手勢(shì)動(dòng)作，從而識(shí)別手勢(shì)。

智能處理終端將識(shí)別的手勢(shì)動(dòng)作通過(guò)通信設(shè)備發(fā)送給交互終端并在應(yīng)用程序上顯示相應(yīng)的交互效果。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。