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基于红外的非接触式手势识别系统设计 　　摘 要：针对目前电子设备对手势识别功能的需求，提出了一种非接触式手势识别系统设计方案。该系统将红外线和环境光传感器Si1143与C8051F700、C8051F800等电容式触摸感应微控制器相结合，实现非接触式手势识别，可用于多种动作和手势检测以及目标物体距离校准。 　　关键词：手势识别；非接触；红外；传感器 　　中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-0-03 　　0 引 言 　　人机交互技术的发展大大增强了应用系统的智能化设计[1]，手势识别[2]也逐渐成为人机交互的核心技术。随着人机界面技术和设计理念的进步，红外线接近感应器正逐渐成为非接触式手势识别用户界面的创新点。早期的传统红外线接近感应系统由老式光电探测器和光电断路器组成，其触发方式基于是否移动或中断，但这些器件在应用方面受感应器尺寸、功耗和可配置性的限制[3-7]。相比于这些早期的红外线接近传感器，Silicon Labs的Si1143传感器不仅体积更小、功耗更低，还可以驱动多个红外线发光二极管，可实现高级的多维手势输入功能。本文结合面向人机界面应用的Si1143传感器的优势，给出了一种非接触式手势识别系统的设计方案。该方案支持两个和三个LED实现更复杂的接近传感器集成电路，使人们能够更方便、更安全、更愉快的通过非接触手势识别用户界面。 　　1 Si1143的基本特性 　　Si1143是基于反射的低功率红外线临近和环境光传感器，其结构框图如图1所示。它包括ADC转换器、可见光光电二极管、红外线光电二极管、数字信号处理器以及集成的红外线LED驱动器等。工作时LED发送红外光被物理反射回来后，由可吸收波长850880 nm的红外光电二极管接收，而环境光则由可接收波长在500600 nm范围内的可见光光电二极管接收，然后转化为电信号经AMUX送入ADC进行数据转换，进而通过I2C总线将数据传输至控制器。接近传感器的检测距离和灵敏度由系统的信噪比（SNR）决定，SNR越高，距离越远。多种可变因素影响系统的SNR，包括环境噪声/光线补偿、光电二极管灵敏度、滤波和模数转换器（ADC）架构[8]。Si1143的联合架构优化具有非常高的系统SNR，从而使Si1143接近传感器具有较远的感应距离、较高的灵敏度和较快的数据采集速度。 　　Si1143在广泛的动态范围和包括阳光直射在内的各种光源下可提供优异性能，高灵敏度支持在半透明的产品覆盖物后面灵活放置红外传感器。光电二极管响应和关联的数字转换电路对人造光闪烁噪声和自然光颤动噪声具有优异的抗扰性。Si1143完备的IR感应架构也可在日光下工作[9]，其包含一个环境光传感器，能够感应高达128 kiloLux的光照度。此外，Si1143的先进架构能够在25 s内完成接近感应测量，减少了极其耗电的红外发光二极管的开启时间，从而实现了低功耗。 　　Si1143包括最多3个红外线LED驱动器，可以自由实现检测距离超过50 cm的一维HI系统或检测距离高达15 cm的具有手势感应能力的多维系统。多个红外线LED灯驱动器能够实现高级动作和手势感应，Si1143支持3个LED驱动，支持多轴式临近运动探测，能够在多维非接触式控制中实现创新的三维动作感应[10]。 　　2 非接触式手势识别系统组成 　　图2所示为Si1143与控制器的连接电路示意图。Si1143可与Silicon Labs提供的多种电容式触摸感应微控制器相结合，包括C8051F700、C8051F800或C8051F99x处理器，组成非接触式的手势识别系统，并能用于多种动作和手势检测，以及目标物体距离校准应用。Si1143器件的感应模式提供有用信息给MCU，用以确定背景光类型，如日光、荧光灯光或白炽灯光。这种信息具有广泛应用，可改善IR接近感应、优化红外感应功耗、增强显示设备的背景亮度调节功能以及控制系统内的其他设备。 　　3 红外技术实现手势感应 　　Si1143接近环境光传感器适用于非接触式手势感应，如读者翻页，滚动平板电脑或GUI导航。Si1143可提供高达三个LED驱动器，并可在715 cm产品互动区域内感知手势。我们通过使用红外线技术实现动作感应，主要采用基于位置和基于相位的手势感应。 　　（1）基于位置的手势感应通过计算对象的位置来实现手势感应。 　　（2）基于相位的手势检测则通过定时信号的变化来判断物体的运动方向。 　　3.1 基于位置的手势感应 　　基于位置的运动传感算法涉及三个主要步骤： 　　（1）将原始数据输入转换成可用的距离数据， 　　（2）使用距离数据来估计目标对象的位置， 　　（3）检查位置数据移动的定时，以查看是否有手势