一、項目概述

1.1 引言

計算機標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)鼠標(biāo)和鍵盤的技術(shù)相對成熟，但其操作單調(diào)，多年來技術(shù)都未有突破性的進步;觸摸屏的技術(shù)新近出現(xiàn)不久，并且很快成為熱點，該技術(shù)需要特殊的顯示觸摸設(shè)備，以滿足輸入要求;除此之外，以上兩種輸入方式，受到輸入設(shè)備原理的限制，不可避免地使使用者約束在顯示設(shè)備及輸入裝置周圍。在這種產(chǎn)業(yè)背景下，亟需一種人性化的智能無線輸入裝置來滿足日益普及的多媒體演示、辦公及個人電腦應(yīng)用環(huán)境。

在此前提下，本團隊開發(fā)了一種名為Smartmouse的手勢輸入系統(tǒng)，使用者可方便的將本裝置的手持端佩戴在手上并通過USB接口將主機端連接在PC機上，便可通過手勢對PC進行操控?？赏ㄟ^手勢完成鼠標(biāo)具有的全部功能，同時還可對當(dāng)今比較流行的日常應(yīng)用軟件進行流暢的操作。Smartmouse的操作方式與觸摸屏和傳統(tǒng)鼠標(biāo)的最大區(qū)別在于擺脫了對屏幕及固定輸入裝置的依賴，從而可以更好地適應(yīng)當(dāng)今的多媒體環(huán)境。使電腦使用者可以脫離傳統(tǒng)鼠標(biāo)鍵盤的限制，建立使用者和電腦設(shè)備間更加人性化的交流方式。

1.2 項目背景

目前，國內(nèi)輸入設(shè)備廠家多針對現(xiàn)有的輸入設(shè)備進行改進，如新貴、雙飛燕等公司，推出的多媒體鼠標(biāo)、鍵盤，在原有的鍵盤或鼠標(biāo)的基本功能之上，增加對多媒體軟件的快捷按鍵。此類產(chǎn)品雖然增加了用戶的易用性，但大多價格不菲，更為重要的是其輸入方式并沒有質(zhì)的變化。

華中科技大學(xué)近期研制了一種基于空間運動測量技術(shù)的人體上肢動作輸入設(shè)備，該設(shè)備的輸入方式采用了人體仿生學(xué)設(shè)計，具有突破性。但該系統(tǒng)的硬件眾多，識別算法復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。

國外同等產(chǎn)品早在2001年，三星公司和SenseBoard公司展示了開發(fā)中的虛擬鍵盤，三星公司研發(fā)階段的產(chǎn)品稱為“Scurry”。兩家公司的產(chǎn)品在識別方式上有所不同，但是都帶來了革命性的變化，即可以拋棄傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤。該種輸入設(shè)備的問題在于，用戶在使用時，仍然要模仿鍵盤敲擊的動作。

截止04年底，該種鍵盤的研發(fā)仍然處于有線連接的階段。直到目前為止，也沒有“Scurry”正式上市的消息，原因在于，該設(shè)備價格昂貴，耗費巨大，商業(yè)化困難。

Nitendo公司生產(chǎn)的游戲機Wii與之類似，采用感知加速度來操縱游戲，但其僅能作為游戲設(shè)備使用，并且使用紅外傳輸，因而受到角度和距離的限制。

上個世紀(jì)70、80年代，國際上曾開展了大量關(guān)于數(shù)據(jù)手套的研究，以此捕獲手部的動作，但之后不久該類研究陷入停滯。目前，對手勢識別比較流行的做法是采用基于視覺圖像識別的方法。采用攝像機捕獲動作的圖像，采用圖像處理的方法得到動作的信息，但這種手勢識別方式耗費巨大，對軟硬件的要求也非常高。根本無法作為普通PC的輸入設(shè)備使用。

在MEMS技術(shù)及超低功耗無線通訊技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，超小體積、超低功耗MEMS加速度傳感器和無線通訊模塊的發(fā)展，為我們設(shè)計開發(fā)一種具有廣泛應(yīng)用前景且更加人性化、方便、快捷的輸入設(shè)備提供了保障。

1.3本設(shè)計的先進性

Smartmouse智能手勢輸入裝置不僅僅局限于計算機的輸入，更可用于多媒體設(shè)備的控制等諸多領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用范圍。并且，目前市場上并未出現(xiàn)使用加速度傳感器并且融合無線通信和USB即插即用等技術(shù)的輸入設(shè)備，Smartmouse智能手勢輸入裝置的出現(xiàn)定將吸引一批中高端追求新鮮事物的用戶。

作為產(chǎn)品，Smartmouse智能手勢輸入裝置既擁有現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)勢，又克服現(xiàn)有產(chǎn)品的不足;集人性化、易用性、便攜性于一身，更為使用者提供一種全新的操作理念，必將獲得市場的垂青。

二、需求分析

2.1 功能要求

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)分為手持端(手勢數(shù)據(jù)采集模塊)和主機端(數(shù)據(jù)接收處理模塊)，手持端和主機端通過無線方式連接。手持端可方便地佩戴在使用者手指上，對使用者的手勢數(shù)據(jù)進行采集;主機端可實現(xiàn)與PC機接口，并可對手勢數(shù)據(jù)進行接收和智能處理。

Smartmouse智能手勢輸入裝置的功能框圖如圖1所示。

2.2 性能要求

Smartmouse智能手勢輸入裝置，可準(zhǔn)確識別人的各種手勢并依據(jù)手勢流暢的進行如移動鼠標(biāo)、左鍵、右鍵、刪除、確定、取消、移動文件等等相應(yīng)操作。信號采集端可實時完整的采集人手部動作的信息，經(jīng)整理后以相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式通過2.4G無線頻段傳輸給PC或接收機上的主機端;主機端可在無需任何驅(qū)動程序的前提下將自身例化為USB接口形式的鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備;接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行智能化處理，識別出手勢所表達(dá)的意義，同時將相應(yīng)操作反饋給PC或接收機。對手勢的識別率應(yīng)達(dá)到消費類電子的水平。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)采用加速度傳感器對使用者的手部動作數(shù)據(jù)進行采集和初步識別，結(jié)合無線通信和USB接口技術(shù)，通過自創(chuàng)的簡單且智能的手勢識別處理算法，將得到的手部動作信息通過USB接口傳輸給PC或接收機，使用戶能夠以更符合肢體動作習(xí)慣的方式對PC進行控制，給用戶帶來全新的操作體驗。

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。[!--empirenews.page--]

(1)手勢數(shù)據(jù)采集

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)的手持端需對使用者手部動作數(shù)據(jù)進行連續(xù)且準(zhǔn)確的采樣，并將采集到的手部動作數(shù)據(jù)通過無線形式傳輸給連接在PC機USB接口上的主機端。本系統(tǒng)采用美新公司生產(chǎn)的雙軸MEMS加速度傳感器芯片MXC6202xMP作為主要的手勢動作感知器件，在正確感知手部動作數(shù)據(jù)的同時，達(dá)到低功耗、高精度的要求。

(2)數(shù)據(jù)接收與處理

連接在PC機USB口上的主機端，即數(shù)據(jù)接收與處理模塊，將自身例化為PC機的鼠標(biāo)和鍵盤復(fù)合設(shè)備，同時將通過無線方式接收到的手勢數(shù)據(jù)通過識別算法進行智能處理，將處理后的結(jié)果以鼠標(biāo)鍵盤操作數(shù)據(jù)的形式傳輸給PC機。數(shù)據(jù)接收與處理模塊與PC機的連接過程無需安裝任何驅(qū)動，可實現(xiàn)即插即用。對手勢數(shù)據(jù)的識別率能夠滿足消費類電子要求。本系統(tǒng)中以AVR單片機為核心處理單元，負(fù)責(zé)將設(shè)備按照USB協(xié)議枚舉為USB復(fù)合設(shè)備，管理無線收發(fā)模塊，并通過無線模塊對手持端進行管理，同時將接收到的手勢數(shù)據(jù)通過自創(chuàng)的手勢識別算法進行分析，將結(jié)果發(fā)送給主機端。

(3)數(shù)據(jù)的傳輸

采集的手勢數(shù)據(jù)的傳輸采用當(dāng)前在消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的2.4G頻段，在保證帶寬的前提下準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，同時可實現(xiàn)設(shè)備休眠等降低功耗的操作。

(4)主機端與PC接口

主機端即手勢數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與PC機進行連接，將自身例化為PC機的鍵盤鼠標(biāo)復(fù)合設(shè)備，在不需要任何驅(qū)動的前提下實現(xiàn)即插即用。

(5)電源供給

手持端采用微型鋰電池作為電源，體積較小并可進行重復(fù)充電與使用。同時通過休眠、停機等操作降低系統(tǒng)功耗。

主機端通過主機USB接口供電，在長時間不使用情況下可進行休眠操作。

(6)智能識別率

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)需要流暢的對PC機進行操作，對手勢的識別率有較高要求，同時能對現(xiàn)今比較流行的演示軟件進行復(fù)雜操作。本設(shè)計中通過32位AVR單片機對接收到的手勢數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合本團隊自創(chuàng)的手勢識別算法，識別出手勢具有的意義。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

由于本系統(tǒng)所包含的模塊眾多、算法復(fù)雜，同時對功耗、穩(wěn)定性又有很高要求，所以在平臺的選擇時分兩個步驟進行：

功能實現(xiàn)階段，主要為完善手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等。各個部分均使用現(xiàn)成模塊。無線收發(fā)部分采用Ti公司生產(chǎn)的eZ430無線收發(fā)模塊;算法硬件實現(xiàn)和USB接口等的管理采用Atmel公司提供的EVK1100開發(fā)板。

作品完善階段，在實現(xiàn)手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等的基礎(chǔ)上，使用Atmel公司的生產(chǎn)的ATXMEGA32D4單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212自制手持端;采用AT32UC3L064單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212實現(xiàn)主機端的數(shù)據(jù)接收、手勢識別算法和USB接口管理。

3.3系統(tǒng)程序架構(gòu)

本系統(tǒng)中，軟件設(shè)計主要分為手勢數(shù)據(jù)采集、無線通訊協(xié)議、手勢數(shù)據(jù)識別算法和USB接口協(xié)議幾部分。

手勢數(shù)據(jù)采集：在主機端的控制下對手勢數(shù)據(jù)進行采集并按一定的格式打包準(zhǔn)備進行傳輸;

無線通訊協(xié)議：管理手持端與主機端之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸;

手勢識別算法：為本系統(tǒng)中的算法核心，采用一種自創(chuàng)的基于加速度傳感器數(shù)據(jù)的智能識別算法，對手勢數(shù)據(jù)進行處理，得出手勢所具有的意義;

USB接口協(xié)議：管理主機端與PC或接收機之間的連接，將主機端枚舉為電腦的鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備，實現(xiàn)在無驅(qū)動條件下的即插即用。

3.4 系統(tǒng)程序流程

本系統(tǒng)中程序主要分為手持端程序和主機端程序，程序流程圖如下圖3所示。

3.4 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果

借助Atmel提供的EVK1100系列開發(fā)板和Ti eZ430無線模塊實現(xiàn)樣機一套，實現(xiàn)鼠標(biāo)所有功能，并能對簡單的瀏覽軟件進行控制，同時達(dá)到識別準(zhǔn)確率90%以上。自制產(chǎn)品初級模型一套，實現(xiàn)鼠標(biāo)所有功能，同時具有“空中畫筆”功能，能對簡單的瀏覽軟件進行流暢的控制，達(dá)到準(zhǔn)確識別90%以上。