本發(fā)明涉及目標(biāo)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)是指利用一段時(shí)間內(nèi)的細(xì)微動(dòng)態(tài)手勢(shì)進(jìn)行分類和識(shí)別以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互目的的電子系統(tǒng)。與目前常見(jiàn)的手勢(shì)識(shí)別方法所使用的大幅度揮手等涉及整個(gè)手部運(yùn)動(dòng)的手勢(shì)動(dòng)作，微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)旨在利用人的雙手和手指的捏轉(zhuǎn)、搓動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等符合人們天然操控習(xí)慣的細(xì)微動(dòng)態(tài)手勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人和智能設(shè)備的交互。

微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)有著重要的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。隨著可穿戴裝備的發(fā)展，傳統(tǒng)的觸控交互方法，在智能手表等顯示屏幕尺寸較小的設(shè)備上，已經(jīng)難以提供優(yōu)良的用戶體驗(yàn)。其次，在車輛駕駛等情景下，使用屏幕觸控，將造成人們精力嚴(yán)重分散，可能引發(fā)危險(xiǎn)的后果。更進(jìn)一步，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)、三維投影極有可能取代當(dāng)今使用的二維平面媒體，新型的三維交互技術(shù)將成為在上述設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)的前提。在這些情景下，基于微手勢(shì)識(shí)別技術(shù)的非接觸式的三維交互方法，極有可能替代目前的觸控操作方法，發(fā)展成為未來(lái)智能生活所必須的基礎(chǔ)人機(jī)交互技術(shù)。

基于RGB攝像頭和紅外攝像頭的技術(shù)方法較為成熟，被廣泛應(yīng)用于人體大幅度運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的識(shí)別，然而，上述傳感器及技術(shù)在微手勢(shì)識(shí)別方面的應(yīng)用遇到困難：第一，在分辨率、環(huán)境因素(光照、背景材質(zhì))等方面受到限制；第二，這些傳感器獲取的視覺(jué)圖像中包含了較多的冗余信息，需要做的預(yù)處理和特征提取工作量大，可能導(dǎo)致實(shí)時(shí)應(yīng)用不流暢，功耗大；另外，這些傳感器只能通過(guò)連續(xù)幾幀圖像推測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而不能直接獲取運(yùn)動(dòng)信息。因此，基于RGB攝像頭和紅外攝像頭的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)上述高精度、高魯棒、符合用戶體驗(yàn)的微手勢(shì)識(shí)別與交互應(yīng)用圖景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問(wèn)題之一。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法，該方法能夠精確識(shí)別微手勢(shì)動(dòng)作，具有分辨率高、魯棒性高、功耗低及算法復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面的實(shí)施例提出了一種基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法，包括以下步驟：發(fā)射超聲波信號(hào)，并接收所述超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)；對(duì)比所述超聲波信號(hào)與所述超聲回波信號(hào)，以得到所述超聲波信號(hào)與所述超聲回波信號(hào)的接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量；根據(jù)所述接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量，得到所述超聲回波信號(hào)中時(shí)序的距離和速度信息；根據(jù)所述距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)所述待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在一些示例中，所述根據(jù)所述距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)所述待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定，進(jìn)一步包括：根據(jù)所述速度信息，判斷是否存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；并在存在目標(biāo)或不存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)將所述模式識(shí)別算法切換至識(shí)別工作模式或睡眠工作模式，其中，在所述識(shí)別工作模式下，所述模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別；在所述睡眠工作模式下，所述模式識(shí)別算法按照預(yù)設(shè)時(shí)間間隔進(jìn)行信號(hào)處理。

在一些示例中，所述在所述識(shí)別工作模式下，所述模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別，進(jìn)一步包括：對(duì)所述距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，檢測(cè)所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，獲取所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度信息，并進(jìn)行時(shí)間維度上的目標(biāo)追蹤和關(guān)聯(lián)，壓縮信息量，提取反映所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和趨勢(shì)的特征，以構(gòu)成時(shí)序的特征序列，根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)所述時(shí)序的特征序列進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別；或者對(duì)所述距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)所述二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，設(shè)置完成動(dòng)作所需的圖像幀數(shù)的上限值，并截取所述幀數(shù)的距離-速度圖像，訓(xùn)練并部署卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別；或者對(duì)所述距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)所述二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，獲取時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)，并根據(jù)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所述時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別。

在一些示例中，所述待識(shí)別的手勢(shì)動(dòng)作為幅度小于預(yù)設(shè)幅度且持續(xù)預(yù)定時(shí)間的手勢(shì)動(dòng)作，包括：手掌和手指的靜態(tài)手勢(shì)、手掌的平移、一個(gè)或多個(gè)手指的搓動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平移、點(diǎn)擊的動(dòng)態(tài)手勢(shì)中一個(gè)或多個(gè)的組合。

在一些示例中，所述超聲波信號(hào)為調(diào)頻脈沖波形或調(diào)頻連續(xù)波，且所述超聲波信號(hào)具有預(yù)設(shè)波形、預(yù)設(shè)周期、預(yù)設(shè)帶寬和預(yù)設(shè)頻率分布。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法，信息獲取的維度上，獲取的目標(biāo)距離、瞬時(shí)速度等信息是連續(xù)、微小的動(dòng)態(tài)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的核心特征，從而可減少信息冗余，解決目前識(shí)別技術(shù)只能識(shí)別大幅度運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)、分辨力低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了毫米精度的距離分辨力，即具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn)；該方法環(huán)境魯棒性強(qiáng)，受光照、背景材質(zhì)、天氣的環(huán)境條件的限制??；該方法功耗低，直接獲取瞬時(shí)速度，在運(yùn)動(dòng)分隔、追蹤方面大大降低了算法復(fù)雜度，并為系統(tǒng)在不同工作模式間切換提供便利，從而降低了能耗；另外，該方法使用超聲主動(dòng)探測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的距離、速度同時(shí)精確測(cè)量，從而降低了硬件復(fù)雜度和成本，并且在手勢(shì)識(shí)別算法中提出的壓縮特征的方法進(jìn)一步降低了運(yùn)算量和功耗。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第二方面的實(shí)施例提出了一種基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，包括：信號(hào)收發(fā)模塊，所述信號(hào)收發(fā)模塊用于發(fā)射超聲波信號(hào)，并接收所述超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)；對(duì)比模塊，所述對(duì)比模塊用于對(duì)比所述超聲波信號(hào)與所述超聲回波信號(hào)，以得到所述超聲波信號(hào)與所述超聲回波信號(hào)的接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量；處理模塊，所述處理模塊用于根據(jù)所述接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量，得到所述超聲回波信號(hào)中時(shí)序的距離和速度信息；識(shí)別模塊，所述識(shí)別模塊用于根據(jù)所述距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)所述待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在一些示例中，所述識(shí)別模塊根據(jù)所述距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)所述待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定，包括：根據(jù)所述速度信息，判斷是否存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；并在存在目標(biāo)或不存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)將所述模式識(shí)別算法切換至識(shí)別工作模式或睡眠工作模式，其中，在所述識(shí)別工作模式下，所述模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別；在所述睡眠工作模式下，所述模式識(shí)別算法按照預(yù)設(shè)時(shí)間間隔進(jìn)行信號(hào)處理。

在一些示例中，所述在所述識(shí)別工作模式下，所述模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別，包括：對(duì)所述距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，檢測(cè)所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，獲取所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度信息，并進(jìn)行時(shí)間維度上的目標(biāo)追蹤和關(guān)聯(lián)，壓縮信息量，提取反映所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和趨勢(shì)的特征，以構(gòu)成時(shí)序的特征序列，根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)所述時(shí)序的特征序列進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別；或者對(duì)所述距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)所述二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，設(shè)置完成動(dòng)作所需的圖像幀數(shù)的上限值，并截取所述幀數(shù)的距離-速度圖像，訓(xùn)練并部署卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別；或者對(duì)所述距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)所述二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，獲取時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)，并根據(jù)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所述時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別。

在一些示例中，所述待識(shí)別的手勢(shì)動(dòng)作為幅度小于預(yù)設(shè)幅度且持續(xù)預(yù)定時(shí)間的手勢(shì)動(dòng)作，包括：手掌和手指的靜態(tài)手勢(shì)、手掌的平移、一個(gè)或多個(gè)手指的搓動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平移、點(diǎn)擊的動(dòng)態(tài)手勢(shì)中一個(gè)或多個(gè)的組合。

在一些示例中，所述超聲波信號(hào)為調(diào)頻脈沖波形或調(diào)頻連續(xù)波，且所述超聲波信號(hào)具有預(yù)設(shè)波形、預(yù)設(shè)周期、預(yù)設(shè)帶寬和預(yù)設(shè)頻率分布。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，信息獲取的維度上，獲取的目標(biāo)距離、瞬時(shí)速度等信息是連續(xù)、微小的動(dòng)態(tài)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的核心特征，從而可減少信息冗余，解決目前識(shí)別技術(shù)只能識(shí)別大幅度運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)、分辨力低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了毫米精度的距離分辨力，即具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn)；該系統(tǒng)環(huán)境魯棒性強(qiáng)，受光照、背景材質(zhì)、天氣的環(huán)境條件的限制?。辉撓到y(tǒng)功耗低，直接獲取瞬時(shí)速度，在運(yùn)動(dòng)分隔、追蹤方面大大降低了算法復(fù)雜度，并為系統(tǒng)在不同工作模式間切換提供便利，從而降低了能耗；另外，該系統(tǒng)使用超聲主動(dòng)探測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的距離、速度同時(shí)精確測(cè)量，從而降低了硬件復(fù)雜度和成本，并且在手勢(shì)識(shí)別算法中提出的壓縮特征的方法進(jìn)一步降低了運(yùn)算量和功耗。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法的流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法的具體實(shí)現(xiàn)原理框圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微手勢(shì)動(dòng)作示例示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的超聲傳感器發(fā)射超聲波并接收手勢(shì)動(dòng)作反射回波的示例情景示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的超聲波信號(hào)示例示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例的超聲波信號(hào)示例示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)檢測(cè)算法流程示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的模式識(shí)別算法示例流程示意圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的模式識(shí)別算法示例流程示意圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的模式識(shí)別算法示例流程示意圖；

圖11是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法的原理框圖；

圖12是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法與設(shè)備或應(yīng)用進(jìn)行交互的示例示意圖；

圖13是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法與設(shè)備或應(yīng)用進(jìn)行交互的示例示意圖；以及

圖14是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的整體原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法及系統(tǒng)。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法的流程圖。如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟S1：發(fā)射超聲波信號(hào)，并接收超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)。

在具體示例中，結(jié)合圖2所示，例如通過(guò)超聲波收發(fā)傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)，并接收超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)。具體地，超聲波收發(fā)傳感器有多種實(shí)現(xiàn)方式?？梢詥蝹€(gè)使用或者多個(gè)使用并配置成陣列，從而使得超聲波信號(hào)形成的有效聲場(chǎng)能夠覆蓋手勢(shì)動(dòng)作軌跡所在三維空間范圍。具體地說(shuō)，單個(gè)使用為一個(gè)超聲波發(fā)射傳感器將電能轉(zhuǎn)換為聲能、以及一個(gè)超聲波接收傳感器將聲能轉(zhuǎn)換為電能，或者使用一個(gè)超聲波收發(fā)一體的傳感器，實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收過(guò)程中電能和聲能的雙向轉(zhuǎn)換；多個(gè)使用配置成陣列，包括使用多個(gè)超聲波接收傳感器配置成陣列，以及/或者使用多個(gè)超聲波發(fā)射傳感器配置成陣列，以及/或者使用多個(gè)超聲波收發(fā)一體傳感器配置成陣列。其中，超聲波傳感器，包括超聲波發(fā)射傳感器、接收傳感器、收發(fā)一體傳感器，可以是獨(dú)立模塊的非小型集成化的壓電陶瓷超聲傳感器或者由微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)集成的超聲傳感器等，也可以利用內(nèi)置于電子產(chǎn)品(PC、手機(jī)、平板電腦、電子書(shū)閱讀器、游戲機(jī)、便攜式多媒體播放器、電視機(jī)、車載多媒體設(shè)備、智能家居控制器、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、智能手表、智能眼鏡等等)中的揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)在人耳所不能分辨的超聲頻率范圍(>20kHz)中進(jìn)行的功能擴(kuò)展。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，待識(shí)別的手勢(shì)動(dòng)作例如為預(yù)先設(shè)定的幅度小于預(yù)設(shè)幅度且持續(xù)預(yù)定時(shí)間的手勢(shì)動(dòng)作，換言之，即待識(shí)別的手勢(shì)動(dòng)作為小幅度、有一定持續(xù)時(shí)間的微手勢(shì)，例如包括：手掌和手指的靜態(tài)手勢(shì)、手掌的平移、一個(gè)或多個(gè)手指的搓動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平移、點(diǎn)擊的動(dòng)態(tài)手勢(shì)中一個(gè)或多個(gè)的組合。微手勢(shì)識(shí)別的重要特點(diǎn)是能夠區(qū)別不同手指的運(yùn)動(dòng)。結(jié)合圖3所示，展示了一些待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作的示例，圖中所示動(dòng)作標(biāo)注及其解釋依次為：1)finger：?jiǎn)沃更c(diǎn)擊；2)button off：雙指按鈕，抬起；3)button on：雙指按鈕，閉合；4)motion up：雙指搓動(dòng)，向上；5)motion down：雙指搓動(dòng)，向下；6)screw：雙指旋轉(zhuǎn)。需要說(shuō)明的是，但本發(fā)明的待識(shí)別的手勢(shì)動(dòng)作并不限制在圖3示例的特定的手勢(shì)，圖3的示例旨在幫助理解微手勢(shì)的概念，在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)做些許替換和改動(dòng)，用于識(shí)別其他的手勢(shì)、體態(tài)動(dòng)作及其組合，也應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，此處僅是示例性的描述。

步驟S2：對(duì)比超聲波信號(hào)與超聲回波信號(hào)，以得到超聲波信號(hào)與超聲回波信號(hào)的接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量。

步驟S3：根據(jù)接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量，得到超聲回波信號(hào)中時(shí)序的距離和速度信息。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，超聲波信號(hào)為調(diào)頻脈沖波形或調(diào)頻連續(xù)波，且超聲波信號(hào)具有預(yù)設(shè)波形、預(yù)設(shè)周期、預(yù)設(shè)帶寬和預(yù)設(shè)頻率分布。

在具體實(shí)施例中，結(jié)合圖2所示，步驟S2至步驟S4例如可通過(guò)系統(tǒng)電路完成。具體地說(shuō)，系統(tǒng)電路產(chǎn)生具有一定的波形、周期、帶寬和頻率分布的電信號(hào)激勵(lì)超聲波發(fā)射，并采集手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)，對(duì)比該信號(hào)與發(fā)射信號(hào)接收時(shí)間延遲、頻率分辨的改變，使得系統(tǒng)具備同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)的距離、速度的能力。其中，系統(tǒng)電路例如包括電源模塊、發(fā)射激勵(lì)電路和接收采集電路。電源模為系統(tǒng)供電；發(fā)射激勵(lì)電路用于提供超聲激勵(lì)超聲波發(fā)射傳感器的電信號(hào)，進(jìn)行所需的增益控制、調(diào)制/解調(diào)，編碼/解碼等操作；接收采集電路采集手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)，進(jìn)行所需的增益控制、調(diào)制/解調(diào)，編碼/解碼等操作，將采集信號(hào)送入后續(xù)的處理器；各單元的連接組件用于不同單元內(nèi)部，以及不同單元之間的電路連接。

作為具體的實(shí)施例，圖4為超聲傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)并接收手勢(shì)動(dòng)作反射回波的示例情景。超聲波接收、發(fā)射傳感器與圖2所示例的示意圖的部件一致，實(shí)現(xiàn)方式如圖2介紹所述。為實(shí)現(xiàn)對(duì)微手勢(shì)的探測(cè)，綜合考慮超聲傳感器接收、發(fā)射系統(tǒng)的方向性以及超聲波在傳播和反射過(guò)程中的衰減、損耗，超聲波形成的有效聲場(chǎng)能夠覆蓋手勢(shì)動(dòng)作軌跡所在三維空間范圍，例如圖4中的三角形區(qū)域，所述三維空間范圍應(yīng)當(dāng)包含空氣、水下等環(huán)境。此外，超聲波接收、發(fā)射傳感器應(yīng)當(dāng)具有一定的帶寬，使得其經(jīng)過(guò)系統(tǒng)電路的發(fā)射激勵(lì)電路的電信號(hào)激勵(lì)后，能夠轉(zhuǎn)換成與處理器中信號(hào)處理部分所需求的具有一定的波形、周期、帶寬和頻率分布，并接收微手勢(shì)對(duì)該超聲信號(hào)的回波。超聲波接收、發(fā)射傳感器通過(guò)系統(tǒng)電路中的單元連接組件，與系統(tǒng)電路中的接收采集電路相連接，并且后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行所需的增益控制、調(diào)制/解調(diào)，編碼/解碼等操作。

在上述示例中，超聲波信號(hào)的具有一定的波形、周期、帶寬和頻率分布(即預(yù)設(shè)波形、預(yù)設(shè)周期、預(yù)設(shè)帶寬和預(yù)設(shè)頻率分布)，采集手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)，根據(jù)超聲波傳播和多普勒效應(yīng)的物理原理，對(duì)比該超聲回波信號(hào)與發(fā)射的超聲波信號(hào)接收時(shí)間延遲、頻率分辨的改變，使得系統(tǒng)具備同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)的距離、速度的能力。可采用的實(shí)現(xiàn)方法例如調(diào)頻脈沖信號(hào)處理與檢測(cè)、調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)處理與檢測(cè)。

作為具體的示例，圖5為超聲波信號(hào)的一種示例。采用調(diào)頻脈沖信號(hào)，圖示內(nèi)容分別為一個(gè)脈沖內(nèi)的示例性線性調(diào)頻脈沖的時(shí)頻分布，一個(gè)脈沖內(nèi)的示例性線性調(diào)頻脈沖的時(shí)域波形，以及多個(gè)脈沖重復(fù)間隔內(nèi)的示例性線性調(diào)頻脈沖波形。

圖6為超聲波信號(hào)的另一種示例。采用調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，圖示內(nèi)容分別為一個(gè)周期內(nèi)的示例性三角調(diào)頻連續(xù)波的時(shí)頻分布，一個(gè)周期內(nèi)的示例性三角調(diào)頻連續(xù)波的時(shí)域波形，以及多個(gè)周期的示例性三角調(diào)頻連續(xù)波的時(shí)域波形。

圖7為一種信號(hào)檢測(cè)算法流程示例。采用上述圖5的調(diào)頻脈沖信號(hào)處理與檢測(cè)，同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)的距離、速度。脈沖雷達(dá)信號(hào)處理的兩個(gè)核心過(guò)程是快時(shí)間維度采樣和慢時(shí)間維度多普勒分析，在信號(hào)處理中使用匹配濾波和脈沖壓縮技術(shù)，可以增強(qiáng)回波信號(hào)信噪比。

上述的信號(hào)處理與檢測(cè)算法，應(yīng)當(dāng)實(shí)施按照混響補(bǔ)償、正交相位檢波、基帶信號(hào)采樣、匹配濾波、復(fù)頻率合成、慢時(shí)間維度采樣、多普勒-距離特征提取的流程進(jìn)行。最終提取的多普勒-距離特征即為處理器中手勢(shì)識(shí)別所需的距離、速度信息輸入。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所面向微手勢(shì)識(shí)別情景，判斷系統(tǒng)需求的速度、距離的分辨力、精度等需求，并基于此情景和需求，設(shè)置出超聲脈沖主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的載波中心頻率、脈沖重復(fù)間隔、超聲脈沖信號(hào)帶寬、快時(shí)間維度采樣頻率、慢時(shí)間維度分析用作濾波器組的FFT點(diǎn)數(shù)、脈沖數(shù)目。為實(shí)現(xiàn)不同手指的距離分辨，在優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)應(yīng)該具有小于1cm的距離分辨力，所述距離分辨力基于系統(tǒng)電路激勵(lì)的超聲信號(hào)帶寬被配置為10k至100kHz。并且，超聲信號(hào)由超聲傳感器受到發(fā)射激勵(lì)電路的激勵(lì)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波形成，超聲傳感器帶寬應(yīng)當(dāng)具備匹配的頻率響應(yīng)，即超聲傳感器的帶寬應(yīng)為10k至100kHz。

步驟S4：根據(jù)距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在步驟S4中，根據(jù)距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定，進(jìn)一步包括：根據(jù)速度信息，判斷是否存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；并在存在目標(biāo)或不存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)將模式識(shí)別算法切換至識(shí)別工作模式或睡眠工作模式，其中，在識(shí)別工作模式下，模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別；在睡眠工作模式下，模式識(shí)別算法按照預(yù)設(shè)時(shí)間間隔進(jìn)行信號(hào)處理。

在具體實(shí)施例中，結(jié)合圖2所示，步驟S4例如可通過(guò)處理器完成。具體地說(shuō)，處理器由存儲(chǔ)單元和計(jì)算單元構(gòu)成，以進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別，其中，信號(hào)處理的內(nèi)容為提取微手勢(shì)動(dòng)作的超聲回波信號(hào)中時(shí)序的距離、速度信息，手勢(shì)識(shí)別的內(nèi)容為利用時(shí)序的距離、速度信息，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法進(jìn)行手勢(shì)的判定和識(shí)別。具體地，處理器進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，將根據(jù)系統(tǒng)電路采集的手勢(shì)動(dòng)作反射回波，根據(jù)超聲波傳播和多普勒效應(yīng)的物理原理，由脈沖壓縮或者調(diào)頻連續(xù)波的信號(hào)處理技術(shù)，提取多個(gè)目標(biāo)的時(shí)序的距離、多普勒信息。處理器進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別時(shí)，直接利用速度信息，判斷是否存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并根據(jù)有或無(wú)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)將系統(tǒng)的工作模式切換至識(shí)別或睡眠，所述識(shí)別工作模式下，系統(tǒng)正常工作，而所述睡眠工作模式下，系統(tǒng)每隔一定的時(shí)間間隔(即預(yù)設(shè)時(shí)間間隔)啟動(dòng)探測(cè)，從而降低功耗。

更為具體地，在識(shí)別工作模式下，模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別，進(jìn)一步包括：對(duì)距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度信息，并進(jìn)行時(shí)間維度上的目標(biāo)追蹤和關(guān)聯(lián)，壓縮信息量，提取反映運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和趨勢(shì)的特征，以構(gòu)成時(shí)序的特征序列，根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)時(shí)序的特征序列進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別，例如圖8所示；或者對(duì)距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，設(shè)置完成動(dòng)作所需的圖像幀數(shù)的上限值，并截取幀數(shù)的距離-速度圖像，訓(xùn)練并部署卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別，例如圖9所示；或者對(duì)距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，獲取時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)，并根據(jù)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別，例如圖10所示。

進(jìn)一步地，在具體實(shí)施過(guò)程中，本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法例如還包括：通過(guò)人機(jī)交互單元與外部設(shè)備或應(yīng)用進(jìn)行交互。具體地說(shuō)，人機(jī)交互單元例如包括進(jìn)行交互所必須的通信硬件、環(huán)境和接口。待交互的設(shè)備或應(yīng)用例如包括但不限于PC、手機(jī)、平板電腦、電子書(shū)閱讀器、游戲機(jī)、便攜式多媒體播放器、電視機(jī)、車載多媒體設(shè)備、智能家居控制器、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、智能手表、智能眼鏡及其上的應(yīng)用，這些設(shè)備或應(yīng)用與處理器共享計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元，或者獨(dú)立實(shí)現(xiàn)于其他的計(jì)算設(shè)備與存儲(chǔ)介質(zhì)上，并且實(shí)現(xiàn)處理器與所交互的設(shè)備或應(yīng)用的通信硬件、環(huán)境和接口的連接與交互，定義處理器給出的手勢(shì)識(shí)別結(jié)果與所交互的設(shè)備或應(yīng)用的控制指令之間的映射關(guān)系?；诖?，人機(jī)交互單元根據(jù)處理器與所交互的設(shè)備或應(yīng)用的通信硬件、環(huán)境和接口，向所交互的設(shè)備或硬件傳遞手勢(shì)識(shí)別結(jié)果；根據(jù)手勢(shì)識(shí)別結(jié)果與所交互的設(shè)備或應(yīng)用的控制指令之間的映射關(guān)系，對(duì)向所交互的設(shè)備或硬件下達(dá)控制指令，以使所交互的設(shè)備或硬件執(zhí)行對(duì)應(yīng)于該控制指令的操作。

作為具體的實(shí)施例，圖11展示了本發(fā)明的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法的一個(gè)具體實(shí)施例的原理框圖。

在本實(shí)施例中，該方法實(shí)施所使用的系統(tǒng)原型例如由硬件平臺(tái)、信號(hào)處理模塊以及模式識(shí)別模塊幾部分組成。硬件平臺(tái)的組成包超聲傳感器、前端電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、外圍電源模塊和模塊之間的連接件。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的各個(gè)組成部分為：超聲傳感器，根據(jù)圖5所示的調(diào)頻脈沖信號(hào)以及圖7所示的基于脈沖雷達(dá)技術(shù)的信號(hào)處理模塊，使用中心頻率為300kHz、帶寬為20kHz收發(fā)一體超聲傳感器(ultrasonic transceiver)，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)和超聲信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，利用數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的方法，產(chǎn)生脈沖信號(hào)激勵(lì)傳感器發(fā)射超聲波，由FPGA基于DDS(Direct Digital Synthesizer，直接頻率合成)實(shí)現(xiàn)，使用基于串口的通信協(xié)議，對(duì)脈沖的帶寬、時(shí)寬、載波頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；系統(tǒng)電路，將數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的脈沖級(jí)聯(lián)信號(hào)放大后，激勵(lì)超聲傳感器，發(fā)射超聲波，將接收超聲回波產(chǎn)生的電信號(hào)放大合適的倍數(shù)，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將超聲回波電信號(hào)采樣為數(shù)字信號(hào)，級(jí)聯(lián)信號(hào)處理和模式識(shí)別模塊，由FPGA基于udp組播的千兆以太網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的傳輸和對(duì)FPGA的控制，通過(guò)千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)FPGA的采樣數(shù)據(jù)到處理設(shè)備的傳輸，在網(wǎng)絡(luò)的傳輸層，使用udp組播的協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層，使用視頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；為獲取采樣數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)工作分為udp組播socket編程獲取攜帶采樣數(shù)據(jù)的分組，解析udp協(xié)議和視頻傳輸協(xié)議，根據(jù)包號(hào)拼接、分隔不同脈沖間的信號(hào)。

在本實(shí)施例中，該系統(tǒng)原型的實(shí)時(shí)微手勢(shì)識(shí)別的工作流程概述為：由DDS-DAC產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后激勵(lì)超聲傳感器發(fā)射超聲波、并接收目標(biāo)發(fā)射回波，經(jīng)過(guò)ETH-ADC采樣為數(shù)字信號(hào)，送入信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊基于脈沖雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)，采樣并行運(yùn)算框架，輸出Doppler-Range特征提取結(jié)果；模式識(shí)別模塊利用直接獲取多普勒速度信息的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)分隔，從Doppler-Range幀中提取符號(hào)化特征，構(gòu)成時(shí)序序列，由基于HMM的分類器判決手勢(shì)分類結(jié)果；利用判決結(jié)果實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該原型系統(tǒng)成功完成了微手勢(shì)控制音樂(lè)播放器的展示。

在具體實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法，應(yīng)用領(lǐng)域包括但不限制在在智能家居、駕駛輔助、可穿戴設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)，作為電子設(shè)備(PC、手機(jī)、平板電腦、電子書(shū)閱讀器、游戲機(jī)、便攜式多媒體播放器、電視機(jī)、車載多媒體設(shè)備、智能家居控制器、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、智能手表、智能眼鏡等等)的人機(jī)交互接口。本發(fā)明提出的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法在所述設(shè)備中增加獨(dú)立組件實(shí)現(xiàn)，也可以在所述設(shè)備的制造中集成，作為內(nèi)置擴(kuò)展功能。

進(jìn)一步地，作為具體的示例，圖12展示了一個(gè)微手勢(shì)與設(shè)備或應(yīng)用進(jìn)行交互的示例。該示例中，基于本發(fā)明提出的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法，利用微手勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)或平板電腦的操控，系統(tǒng)已經(jīng)集成內(nèi)置在手機(jī)/平板電腦中。例如：用圖3所示的動(dòng)作2-1(單指的點(diǎn)擊)實(shí)現(xiàn)確認(rèn)點(diǎn)擊；用圖3所示的動(dòng)作2-2(雙指按鈕，閉合)和2-3(雙指按鈕，抬起)實(shí)現(xiàn)屏幕的上下滑動(dòng)；用圖3所示的動(dòng)作2-4(雙指搓動(dòng)向上)和2-5(雙指搓動(dòng)向下)實(shí)現(xiàn)屏幕的左右滑動(dòng)；利用圖3所示的動(dòng)作2-6(雙指旋轉(zhuǎn))實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的切換。

作為具體的示例，圖13展示了另一個(gè)微手勢(shì)與設(shè)備或應(yīng)用進(jìn)行交互的示例。圖13為微手勢(shì)與設(shè)備或應(yīng)用進(jìn)行交互的示例。在該示例中，基于本發(fā)明提出的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)和方法，利用微手勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴的操控，系統(tǒng)已經(jīng)集成內(nèi)置在可穿戴裝備中。例如：用圖3所示的動(dòng)作2-1(單指的點(diǎn)擊)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的喚醒/睡眠；用圖3所示的動(dòng)作2-2(雙指按鈕，閉合)和2-3(雙指按鈕，抬起)實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)的上下滑動(dòng)；用圖3所示的動(dòng)作2-4(雙指搓動(dòng)向上)和2-5(雙指搓動(dòng)向下)實(shí)現(xiàn)屏幕的音量大小的調(diào)節(jié)；利用圖3所示的動(dòng)作2-6(雙指旋轉(zhuǎn))實(shí)現(xiàn)選中確認(rèn)操作。

綜上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法，信息獲取的維度上，獲取的目標(biāo)距離、瞬時(shí)速度等信息是連續(xù)、微小的動(dòng)態(tài)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的核心特征，從而可減少信息冗余，解決目前識(shí)別技術(shù)只能識(shí)別大幅度運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)、分辨力低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了毫米精度的距離分辨力，即具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn)；該方法環(huán)境魯棒性強(qiáng)，受光照、背景材質(zhì)、天氣的環(huán)境條件的限制??；該方法功耗低，直接獲取瞬時(shí)速度，在運(yùn)動(dòng)分隔、追蹤方面大大降低了算法復(fù)雜度，并為系統(tǒng)在不同工作模式間切換提供便利，從而降低了能耗；另外，該方法使用超聲主動(dòng)探測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的距離、速度同時(shí)精確測(cè)量，從而降低了硬件復(fù)雜度和成本，并且在手勢(shì)識(shí)別算法中提出的壓縮特征的方法進(jìn)一步降低了運(yùn)算量和功耗。

本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例還提出了一種基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)。

圖14是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖14所示，該系統(tǒng)100包括：信號(hào)收發(fā)模塊110、對(duì)比模塊120、處理模塊130和識(shí)別模塊140。

其中，信號(hào)收發(fā)模塊110用于發(fā)射超聲波信號(hào)，并接收超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作反射的超聲回波信號(hào)。其中，信號(hào)收發(fā)模塊110例如為超聲波收發(fā)傳感器。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，待識(shí)別的手勢(shì)動(dòng)作例如為幅度小于預(yù)設(shè)幅度且持續(xù)預(yù)定時(shí)間的手勢(shì)動(dòng)作，包括：手掌和手指的靜態(tài)手勢(shì)、手掌的平移、一個(gè)或多個(gè)手指的搓動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平移、點(diǎn)擊的動(dòng)態(tài)手勢(shì)中一個(gè)或多個(gè)的組合。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，超聲波信號(hào)為調(diào)頻脈沖波形或調(diào)頻連續(xù)波，且超聲波信號(hào)具有預(yù)設(shè)波形、預(yù)設(shè)周期、預(yù)設(shè)帶寬和預(yù)設(shè)頻率分布。

對(duì)比模塊120用于對(duì)比超聲波信號(hào)與超聲回波信號(hào)，以得到超聲波信號(hào)與超聲回波信號(hào)的接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量。

處理模塊130用于根據(jù)接收時(shí)間延遲與頻率分辨變化量，得到超聲回波信號(hào)中時(shí)序的距離和速度信息。

識(shí)別模塊140用于根據(jù)距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，識(shí)別模塊140根據(jù)距離和速度信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別算法對(duì)待識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判定，包括：根據(jù)速度信息，判斷是否存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；并在存在目標(biāo)或不存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)將模式識(shí)別算法切換至識(shí)別工作模式或睡眠工作模式，其中，在識(shí)別工作模式下，模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別；在睡眠工作模式下，模式識(shí)別算法按照預(yù)設(shè)時(shí)間間隔進(jìn)行信號(hào)處理。

更為具體地，在識(shí)別工作模式下，模式識(shí)別算法正常進(jìn)行信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別，包括：對(duì)距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度信息，并進(jìn)行時(shí)間維度上的目標(biāo)追蹤和關(guān)聯(lián)，壓縮信息量，提取反映運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和趨勢(shì)的特征，以構(gòu)成時(shí)序的特征序列，根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)時(shí)序的特征序列進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別；或者對(duì)距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，設(shè)置完成動(dòng)作所需的圖像幀數(shù)的上限值，并截取幀數(shù)的距離-速度圖像，訓(xùn)練并部署卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別；或者對(duì)距離和速度信息進(jìn)行去噪處理，根據(jù)去噪后的速度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分割，得到坐標(biāo)為距離、速度的二維矩陣，并對(duì)二維矩陣進(jìn)行壓縮和拼接處理，獲取時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)，并根據(jù)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)時(shí)序的距離-速度矩陣所組成的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行手勢(shì)動(dòng)作的分類和識(shí)別。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式與本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別方法的具體實(shí)現(xiàn)方式類似，具體請(qǐng)參見(jiàn)方法部分的描述，為了減少冗余，此處不再贅述。

綜上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于超聲主動(dòng)探測(cè)的微手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，信息獲取的維度上，獲取的目標(biāo)距離、瞬時(shí)速度等信息是連續(xù)、微小的動(dòng)態(tài)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的核心特征，從而可減少信息冗余，解決目前識(shí)別技術(shù)只能識(shí)別大幅度運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)、分辨力低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了毫米精度的距離分辨力，即具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn)；該系統(tǒng)環(huán)境魯棒性強(qiáng)，受光照、背景材質(zhì)、天氣的環(huán)境條件的限制?。辉撓到y(tǒng)功耗低，直接獲取瞬時(shí)速度，在運(yùn)動(dòng)分隔、追蹤方面大大降低了算法復(fù)雜度，并為系統(tǒng)在不同工作模式間切換提供便利，從而降低了能耗；另外，該系統(tǒng)使用超聲主動(dòng)探測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的距離、速度同時(shí)精確測(cè)量，從而降低了硬件復(fù)雜度和成本，并且在手勢(shì)識(shí)別算法中提出的壓縮特征的方法進(jìn)一步降低了運(yùn)算量和功耗。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。