本發(fā)明涉及虛擬電子掛鐘，具體涉及基于聲波手勢(shì)控制的虛擬電子掛鐘。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的數(shù)字掛鐘和機(jī)械掛鐘內(nèi)容固定、款式單一，并且無(wú)法輕易更換位置，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。目前，基于微型投影的多媒體應(yīng)用技術(shù)逐步走向成熟，在軍事領(lǐng)域、制造業(yè)領(lǐng)域、教育科研領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，基于聲波識(shí)別的人機(jī)交互技術(shù)通過(guò)接收器來(lái)接收超聲波信號(hào)，綜合多個(gè)位置的信號(hào)變化特征創(chuàng)造出3D環(huán)境來(lái)判斷用戶手勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)消息傳遞，是人機(jī)交互領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

目前，我國(guó)現(xiàn)有的多媒體數(shù)字掛鐘常用LED顯示屏作為主要顯示途徑，根據(jù)時(shí)間的變化將廠商預(yù)先設(shè)定好的內(nèi)容顯示到LED顯示屏上，該方法顯示的內(nèi)容固定，用戶不能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制；其次，缺乏智能的用戶交互手段，用戶需要通過(guò)觸摸屏或者按鍵實(shí)現(xiàn)內(nèi)容切換；最后，市場(chǎng)上現(xiàn)有的多媒體數(shù)字掛鐘通常使用螺絲固定在墻上，無(wú)法輕易更換位置。

微型投影也是虛擬電子掛鐘常用的一種技術(shù)手段，然而仍然存在不足：(1)現(xiàn)有虛擬掛鐘的顯示內(nèi)容通常固定、單一，缺乏使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等通信手段更新顯示內(nèi)容的功能；(2)缺乏智能用戶交互手段，需要用戶對(duì)投影影像進(jìn)行觸碰進(jìn)行控制。

本發(fā)明技術(shù)方案的有效效果是：(1)通過(guò)內(nèi)嵌單片機(jī)，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊，獲取外部發(fā)送的圖像信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可變的內(nèi)容顯示；(2)使用麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)基于聲波的手勢(shì)識(shí)別控制手段，無(wú)需用戶對(duì)投影進(jìn)行觸碰即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，豐富了虛擬掛鐘的控制手段。

通過(guò)相關(guān)專利查詢，發(fā)現(xiàn)有以下的公開(kāi)文獻(xiàn)：

專利“一種新型智能時(shí)鐘投影器”[申請(qǐng)?zhí)?01520314966.2]包括一側(cè)開(kāi)口的殼體，殼體開(kāi)口的一側(cè)蓋設(shè)有蓋板，蓋板內(nèi)設(shè)有微處理器，蓋板上設(shè)有圓孔，圓孔上設(shè)有環(huán)形發(fā)光圈、若干紅外熱源感應(yīng)器和時(shí)間投影裝置，且當(dāng)紅外熱源感應(yīng)器感應(yīng)到物體時(shí)，微處理器控制時(shí)間投影裝置朝發(fā)光圈圓心位置發(fā)出帶表盤的時(shí)間投影。當(dāng)需要看時(shí)間時(shí)，將手伸入圓孔內(nèi)，此時(shí)紅外熱源感應(yīng)器感應(yīng)到物體，同時(shí)微處理器控制時(shí)間投影裝置朝發(fā)光圈圓心位置發(fā)出帶表盤的時(shí)間投影，因此用戶手上則會(huì)形成一個(gè)時(shí)間投影，方便用戶進(jìn)行查看。該方案需要用戶將手伸入殼體內(nèi)方可看到時(shí)間，不利于遠(yuǎn)程操作；此外，該方案只能將時(shí)間投影于用戶手上，而不是投影于墻面等可見(jiàn)、平坦的平面，顯示效果不佳。

專利“一種投射式便攜時(shí)鐘”[申請(qǐng)?zhí)朇N201520395780.4]公開(kāi)了一種投射式便攜時(shí)鐘，包括投射筒、后筒蓋、指針機(jī)構(gòu)、投射光源、時(shí)鐘投影膜片裝置和電池；所述投射筒的內(nèi)部為中空狀，內(nèi)部的后端為電池倉(cāng)，所述后筒蓋安裝在投射筒后端，所述電池設(shè)置在電池倉(cāng)內(nèi)，所述投射光源設(shè)置在電池倉(cāng)前端，并于電池電連接，所述指針機(jī)構(gòu)設(shè)置在投射光源前側(cè)，并電池電連接，所述時(shí)鐘投影膜片裝置設(shè)置在投射光源前側(cè)；時(shí)鐘可放于桌面上投射，也可安裝在墻上投射。該方案為一種投射式的時(shí)鐘，而非本發(fā)明方案的投影式掛鐘；此外，該方案缺乏用戶交互手段和網(wǎng)絡(luò)連接方式。

專利“全息投影時(shí)鐘”[申請(qǐng)?zhí)朇N201520799138.2]包括帶有內(nèi)腔的安裝底座，安裝底座開(kāi)口端設(shè)有安裝蓋，其特征在于：安裝底座的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)有全息投影電路板、控制電路板、電源電路，安裝蓋上設(shè)有與安裝蓋外側(cè)上的環(huán)形鐘架體相連的安裝通孔，環(huán)形鐘架體的底部開(kāi)設(shè)有用于放置全息投影鏡頭的投影口、內(nèi)側(cè)周向設(shè)有影像反射組件，全息投影鏡頭與全息投影電路板連接，全息投影電路板與控制電路板連接，控制電路板與電源電路連接。該專利方案同樣缺乏用戶交互手段和網(wǎng)絡(luò)連接方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，尤其解決現(xiàn)有的基于微型投影的虛擬電子掛鐘缺乏智能用戶交互手段、投影內(nèi)容固定等問(wèn)題。提供一種基于聲波手勢(shì)識(shí)別的虛擬電子掛鐘，該裝置通過(guò)內(nèi)嵌單片機(jī)，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊，獲取外部發(fā)送的圖像信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可變的內(nèi)容顯示；此外，通過(guò)使用麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)基于聲波的手勢(shì)識(shí)別控制手段，無(wú)需用戶對(duì)投影進(jìn)行觸碰即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，豐富了虛擬掛鐘的控制手段。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于聲波手勢(shì)識(shí)別的虛擬電子掛鐘，其特征在于，其中：

該裝置包括安裝底座、弧形板、掛件、單片機(jī)、微型投影設(shè)備、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器以及焦距調(diào)節(jié)鏡組成；所述掛件兩側(cè)有固定螺絲，用于固定在墻上；所述安裝底座通過(guò)卡槽與掛件相連；所述弧形板與安裝底座相連；所述安裝底座的內(nèi)腔內(nèi)放置有單片機(jī)；所述弧形板放置有微型投影設(shè)備、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器以及焦距調(diào)節(jié)鏡，弧形板的底部開(kāi)設(shè)有用于投影播放的投影口；所述焦距調(diào)節(jié)鏡位于微型投影設(shè)備前側(cè)；所述微型投影設(shè)備、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器依次連接于單片機(jī)。

進(jìn)一步地，所述弧形板的弧形端平行于地面，另一端連接于主面板；所述弧形板與安裝底座通過(guò)螺絲相連實(shí)現(xiàn)固定；

進(jìn)一步地，所述安裝底座的內(nèi)腔設(shè)置有托盤，用于承托單片機(jī)部件并有固定螺絲接口以便固定單片機(jī)。

所述的虛擬電子掛鐘實(shí)現(xiàn)的一種聲波手勢(shì)識(shí)別控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)聲波采集：

通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)送固定頻率的聲波，由麥克風(fēng)采集用戶手勢(shì)變化時(shí)導(dǎo)致的聲波頻率變化；

(2)特征提?。簩?duì)采集到聲波信號(hào)進(jìn)行前期處理，以提取聲波信號(hào)中的特征信息，作為手勢(shì)識(shí)別的輸入；

(3)手勢(shì)識(shí)別：根據(jù)聲波信號(hào)的特征信息，對(duì)用戶手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別；

(4)時(shí)鐘控制：根據(jù)用戶的具體手勢(shì)發(fā)送不同的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)鐘變化。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的虛擬電子掛鐘的一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式中聲波手勢(shì)識(shí)別方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)與完整的說(shuō)明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的一種基于聲波手勢(shì)識(shí)別的虛擬電子掛鐘，該裝置包括安裝底座1、弧形板2、掛件3組成，其中：

所述掛件3兩側(cè)有固定螺絲，用于固定在墻上；所述安裝底座1通過(guò)卡槽與掛件3相連；所述弧形板2與安裝底座1相連；所述安裝底座1的內(nèi)腔內(nèi)放置有單片機(jī)4；所述弧形板放置有微型投影設(shè)備5、麥克風(fēng)6、揚(yáng)聲器7以及焦距調(diào)節(jié)鏡8，弧形板的底部開(kāi)設(shè)有用于投影播放的投影口9；所述微型投影設(shè)備5的鏡頭與墻壁呈45°角進(jìn)行投影；所述焦距調(diào)節(jié)鏡8位于微型投影設(shè)備5前側(cè)；所述微型投影設(shè)備5、麥克風(fēng)6、揚(yáng)聲器7依次連接于單片機(jī)4。

參見(jiàn)圖1，所述安裝底座1的內(nèi)腔設(shè)置有托盤10，用于承托單片機(jī)4部件并有固定螺絲接口以便固定單片機(jī)4。

參見(jiàn)圖1，所述弧形板2與安裝底座1通過(guò)五顆固定螺絲相連。

參見(jiàn)圖2，本發(fā)明的虛擬電子掛鐘實(shí)現(xiàn)的一種聲波手勢(shì)識(shí)別控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)聲波采集：使用外接的揚(yáng)聲器發(fā)送頻率為f＝20kHz的聲波信號(hào)，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，由麥克風(fēng)以采樣頻率為44.1kHz對(duì)聲波頻率變化進(jìn)行信號(hào)采集；由于人的手勢(shì)動(dòng)作移動(dòng)速度約為v₀＝4m/s，聲波在空氣中傳播速度為v＝340m/s，則提取聲波的頻率變化范圍f′如下所示：

經(jīng)計(jì)算，提取的聲波頻率變化范圍是以f＝20kHz為中心，r＝300Hz為半徑的鄰域內(nèi)的頻率。

(2)特征提取：對(duì)采集到聲波信號(hào)進(jìn)行前期處理，以提取聲波信號(hào)中的特征信息，作為手勢(shì)識(shí)別的輸入。采用Goertzel算法進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，將采集到的時(shí)域聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)。Goertzel算法識(shí)別的頻率分辨率是f_s/N，其中，f是采樣頻率，N是一次處理的采樣點(diǎn)數(shù)，Goertzel算法可以直接求取頻率為k·(f_s/N)，k＝1，2，...，N-1的頻譜值，頻譜值越大，表示該頻率聲波的能量越大。由用戶手勢(shì)的移動(dòng)會(huì)引起聲波信號(hào)高頻區(qū)域的能量變化，因此可以提取譜峰邊界的變化作為聲波的特征，具體的提取辦法如下：

用戶的手部在設(shè)備的揚(yáng)聲器前方運(yùn)動(dòng)時(shí)，手部動(dòng)作會(huì)反射揚(yáng)聲器發(fā)出的頻率為f＝20kHz的聲波至麥克風(fēng)，故頻率為f＝20kHz處的頻譜值是整個(gè)高頻區(qū)域的峰值，可通過(guò)計(jì)算周圍頻段的頻譜值與峰值的比例大小關(guān)系來(lái)確定頻域信號(hào)中譜峰的邊界，如公式(2)-(4)所示：

energy＝Goertzel(f) (2)

$before\[k\]=Goertzel(f-k\·\frac{f_s}{N})---\left(3\right)$

$after\[k\]=Goertzel(f+k\·\frac{f_s}{N})---\left(4\right)$

其中，energy表示頻率為f＝20kHz處的頻譜值，Goertzel(f)表示利用Goertzel算法進(jìn)行頻譜值的計(jì)算，before和after分別表示兩側(cè)各頻道的頻譜值。從頻譜峰值頻段向兩邊掃描，找到譜峰的前邊界firstEdge和后邊界secondEdge，前邊界和后邊界的定義如公式(5)、(6)所示：

before[firstEdge]＜＝a*energy (5)

after[sec ondEdge]＜＝a*energy (6)

其中，a＝0.1表示邊界值與峰值的比例系數(shù)。

(3)手勢(shì)識(shí)別：根據(jù)聲波信號(hào)的特征信息，對(duì)用戶手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別。具體的識(shí)別過(guò)程如下所示：

①訓(xùn)練分類器：識(shí)別首先需要訓(xùn)練分類器，對(duì)每種手勢(shì)動(dòng)作訓(xùn)練一個(gè)隱馬爾科夫(HMM)模型，通過(guò)聲波特征提取和分析得到的觀察值序列作為訓(xùn)練樣本，初始化每個(gè)手勢(shì)HMM模型的參數(shù)λ_i＝(A，B，π)，其中A表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B表示混淆矩陣，π表示初始化概率。每個(gè)手勢(shì)執(zhí)行過(guò)程中將通過(guò)聲波特征提取和分析得到的觀察值序列作為訓(xùn)練樣本，利用Baum-Welch算法進(jìn)行重新計(jì)算，調(diào)整參數(shù)直至模型收斂，得到最優(yōu)的模型參數(shù)，確定手勢(shì)的HMM模型。

②動(dòng)作識(shí)別：計(jì)算某測(cè)試樣本與各個(gè)手勢(shì)的HMM模型集的似然度，判斷最大值以確定測(cè)試樣本的類別，即識(shí)別出手勢(shì)的類別，如公式(7)所示：

${\mathrm{\λ}}^{*}=\underset{i}{\mathrm{argmax}}\left(O\right|{\mathrm{\λ}}_i)---\left(7\right)$

其中，O表示測(cè)試樣本的聲波特征，λ^*表示該測(cè)試樣本所屬的手勢(shì)類別的HMM模型參數(shù)。

(4)時(shí)鐘控制：根據(jù)用戶的具體手勢(shì)發(fā)送不同的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)鐘變化。通過(guò)定義多種動(dòng)作組合來(lái)定義不同的控制信號(hào)，如手勢(shì)向前表示放大、手勢(shì)后退表示縮小、手勢(shì)向前-后退組合表示單擊鼠標(biāo)、手勢(shì)向前-后退-向前-后退組合表示雙擊鼠標(biāo)等。再根據(jù)不同的定義由單片機(jī)發(fā)送不同的控制信號(hào)至設(shè)備。

上述為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。