基于手部動作的人機交互算法實現(xiàn)

當前智能人機交互系統(tǒng)逐漸成為科技研究的一個重要方向。在這一發(fā)展潮流下，手勢識別成為了一種新興的人機交互操作方式。本文對人機交互系統(tǒng)進行研究，提出了一套基于手部動作的人機交互算法。該算法通過攝像頭捕捉圖像，并對采集來的圖像進行高斯濾波等前端處理，然后利用背景差分進行運動目標檢測，接著利用基于Ycbcr空間的膚色檢測技術(shù)找到運動目標中的手部區(qū)域，并對手部區(qū)域進行運動分析，最后根據(jù)識別出來的手部動作進行相應(yīng)的操作。實驗結(jié)果表明該算法可以較好的去除背景噪聲的干擾，對操作者手勢進行實時有效的識別，并對遙控小車發(fā)出指令，實現(xiàn)了基于手部動作的智能人機交互。該算法具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，實現(xiàn)了更為智能方便的人機交互。

隨著科技的發(fā)展，人機交互在各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用前景。而隨著人機交互的發(fā)展，智能化成為了人機交互系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)的人機交互方式，比如鍵盤輸入，鼠標輸入，新型的人機交互方式可以為使用者帶來更大的便利，比如圖像輸入，語音輸入。簡單地說，圖像輸入是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的輸入方式，經(jīng)過攝像頭采集和計算機處理對圖像和視頻進行處理，屏蔽噪音，提取有用信息，進而完成相應(yīng)的操作指令。圖像輸入的主要方式是手勢識別、人臉識別、動作識別。

動作識別算法是對一系列圖像中包含的動作進行識別分析的算法，主要由前端噪聲處理、目標檢測、和目標行為分析組成。對運動檢測的主要方法有幀間差分法，背景差分法。幀間差分法實時性好，背景不積累，算法簡單，計算量?。槐尘安罘址ú皇鼙尘案蓴_，算法簡單易實現(xiàn)。

本文對基于手部動作的人機交互算法進行研究，目的是通過識別操作者的手部動作對小車進行控制。本算法直接調(diào)用攝像頭采集實時視頻，對操作者手部動作進行噪聲過濾，運動和膚色檢測、動作分析并發(fā)送相應(yīng)的指令。

基于手部動作的人機交互算法

本文提出的基于手部動作的人機交互算法框圖如圖1所示。在初始視頻采集模塊，通過攝像頭采集視頻，對采集來的視頻流進行高斯濾波、形態(tài)學(xué)濾波等做前端處理，濾除噪聲，以便對操作者手部動作進行提取和檢測。在運動目標檢測模塊，通過背景差分得到運動目標。在膚色特征檢測模塊，通過膚色識別，輪廓提取等處理進一步濾除圖像中的干擾信息，得到更為精準的手部區(qū)域。在手部運動分析模塊，通過質(zhì)心提取，運動特征點定位識別手部動作在圖像中的位置，進一步確定操作者手部的運動軌跡和方向，從而翻譯出操作者的真實意圖，并在人機交互模塊對遙控小車進行操控。

圖1 基于手部動作的人機交互算法框圖

初始視頻采集

捕捉靜態(tài)背景

由于在實際操作中背景會因為操作者身處的環(huán)境不同而受到或多或少的干擾，要想從復(fù)雜的背景中提取出清晰的影像，需要考慮采集時，背景是否受光線因素影響，操作者是否移動等相關(guān)因素。所以為了提取出相對穩(wěn)定清晰的影像，本算法自視頻開始采集后采用第26幀的圖像作為背景圖像，

濾除前25幀圖像中的噪聲和干擾。這樣提取出來的的背景相對干凈，噪聲干擾少。

確定背景圖重心

為了準確的定位重心坐標，需要使用矩計算物體形狀的重心，面積，主軸和其它的形狀特征等。由公式（1）：

其中x，y，i，j是待處理區(qū)域的坐標（單幀圖像中的像素點坐標）。

令Xc，Yc表示區(qū)域重心的坐標，則如公式（2）所示：

在二值圖像的情況下，M00表示區(qū)域的面積。

因為操作者體型不同，所以為了更準確的定位重心，需要設(shè)定一個重心上移量。

高斯濾波

高斯濾波的作用在于消除高斯噪聲，對信號做平滑處理。在圖像處理中，高斯濾波是一種常用的減噪手段。其算法原理就是將中心像素點的值用其鄰域內(nèi)像素值的加權(quán)平均代替。

形態(tài)學(xué)濾波

形態(tài)學(xué)濾波的基本方法有：腐蝕、膨脹、開啟、閉合。腐蝕可以細化圖像中的目標，消除邊界點；膨脹可以粗化圖像中的目標，可以填補圖像中的縫隙；開啟可以使圖像變得光滑，有效過濾噪聲點，具體操作是先腐蝕，再膨脹；閉合可以消除圖像中的狹窄的間斷，填補輪廓的裂痕，具體操作是先膨脹再腐蝕。本算法采用了開啟運算。

運動目標檢測

背景差分法

背景差分法是一種常用的運動區(qū)域檢測的方法，通過將當前幀與背景幀作對比差分，檢測出運動區(qū)域。背景差分法檢測運動目標速度快，檢測準確，易于實現(xiàn)。

如不考慮噪音n（x，y，t）的影響，視頻每一幀圖像I（x，y，t）可以看作是由背景圖像b（x，y，t）和運動目標m（x，y，t）組成：

由式（3）可得運動目標m（x，y，t）：

而在實際中，由于噪音的影響，式（4）不能得到真正的運動目標，而是由運動目標區(qū)域和噪音組成的差分圖像d（x，y，t），即：

得到的運動目標需要做進一步處理，閾值分割是最常用的方法：

式中T為一閾值，本文既采用這種閾值分割法。

膚色特征檢測

膚色識別

在現(xiàn)實生活中受限于環(huán)境因素，不同時刻的光照、顏色各異的燈光、噪聲的背景等很多因素都可以對膚色識別產(chǎn)生或大或小的干擾。為了盡可能小的減少環(huán)境因素的干擾，本算法采用YCbCr膚色空間。因為人眼對于亮度的變化較為敏感，且根據(jù)相關(guān)研究顯示，不同人種的膚色的不同主要在于亮度分量，因此在膚色識別中一般剔除亮度分量， ，只關(guān)注Cb、Cr兩個顏色分量。

YCbCr與RGB的轉(zhuǎn)換公式如下：

圖像二值化

圖像的二值化處理就是將圖像上每一個像素的灰度置為0或255，即將256個亮度等級的灰度圖像通過適當?shù)拈撝颠^濾，大于閾值的置為255，小于閾值的置為0，從而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。在本算法中，高于閾值的圖像即為手部目標，低于閾值的圖像即為背景。

理想方式下，為選取一個合適的閾值，記t為目標與背景的分割閾值，目標像素數(shù)占圖像比例，平均灰度；背景像素占圖像比例，平均灰度。圖像的總平均灰度為：

從最小灰度值到最大灰度值遍歷t，當t使得值

最大時，t即為分割的最佳閾值。

在本算法中，由于膚色檢測比較特殊，并不能簡單采用理想方式找到最佳閾值。經(jīng)試驗設(shè)定，當Y分量像素值在70～255，Cb分量像素值在80～128，Cr分量像素值在134～165之間視為膚色區(qū)域，即該區(qū)域像素點置為255，其他區(qū)域像素點置為0。

繪制輪廓集

為了更好地識別運動目標的形狀，也為了更好地定位運動目標的坐標，需要將運動目標的輪廓勾勒出來。因為輸入的圖像為二值圖像，可以較為容易的將整幅圖像中的輪廓掃描出來，并將所有輪廓的邊界點坐標存儲于一個特殊的矩陣中。利用這些坐標，我們可以輕易地繪制出一個包含多個輪廓的輪廓集。

設(shè)定輪廓最小外界矩形的面積閾值

雖然膚色識別可以過濾掉大多數(shù)背景干擾，但在實際應(yīng)用中，人體的其他部位以及背景環(huán)境中的類膚色干擾因素依然會影響系統(tǒng)對于手勢的識別。因此本算法采用設(shè)定一個輪廓最小外接矩形的面積閾值，從而在整幅圖像所有輪廓中找到手臂的輪廓，即輪廓的最小外接矩形。這樣可以提高算法的準確性和實用性。

手部運動分析

信息提取

設(shè)重心坐標為（Gx，Gy），輪廓最小外界矩形的四個頂點坐標是（Ax，Ay）、（Bx，By）、（Cx，Cy）、（Dx，Dy）

設(shè)（AVERx，AVERy）為頂點坐標平均值

將四個坐標點橫坐標排序，設(shè)橫坐標最小的頂點為（MINx，MINy），橫坐標最大的頂點為（MAXx，MAXy）。

若AVERx＞Gx，則運動特征點為（MAXx，MAXy），反之特征點為（MINx，MINy）。

信息分析

攝像頭開始采集后，每隔48幀系統(tǒng)會采集一幅圖像，共采集4次。經(jīng)過上述處理后得到一個特征點，記為特征點1、特征點2、特征點3、特征點4。然后根據(jù)特征點坐標變化的規(guī)律進行手部運動分析。若特征點4的橫坐標大于特征點3，特征點2和特征點1橫坐標，則視為向右移動；若特征點4的橫坐標小于特征點3，特征點2和特征點1橫坐標，則視為向左移動；若特征點4的縱坐標大于特征點3，特征點2和特征點1縱坐標，則視為向上移動；若特征點4的縱坐標小于特征點3，特征點2和特征點1縱坐標，則視為向下移動。

指令發(fā)送與接收

借助 Visual C++編譯環(huán)境的MFC模式下的MSComm控件可以實現(xiàn)系統(tǒng)與串口的通信。MSComm是Microsoft公司提供的用于串行通信編程的控件。借助該控件，應(yīng)用程序可以方便的借助串口收發(fā)數(shù)據(jù)。MSComm控件提供了多種通信命令的使用接口以及兩種處理通信的方法：事件驅(qū)動方式和查詢方式。本系統(tǒng)采用查詢方式。借助無線收發(fā)模塊可以實現(xiàn)指令的遠距離傳輸，本系統(tǒng)采用的是BM100B模塊，BM100B模塊采用GFSK調(diào)制方式，可工作在315/433/490/868/91MHZISM頻段，具有尺寸小，功率大，靈敏度高，傳輸距離遠，通信數(shù)慮高，內(nèi)部自動完成通信協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)控制等特點。用戶可以利用該模塊提供TTL、232或485串行數(shù)據(jù)接口自行配置摸塊的串行速率，工作信道，發(fā)射功率，通訊數(shù)率等參數(shù)。

實驗結(jié)果

本文采用Visual C++ 編程軟件和OpenCV對實時采集的視頻進行了前端噪聲處理，之后通過背景差分法得到運動目標，通過膚色檢測找到具有膚色特征的目標，然后通過運動分析識別手部運動，最后與小車進行交互。圖2為基于手部動作的人機交互算法實驗結(jié)果示例，實驗中規(guī)定當操作者手從上到下移動時，系統(tǒng)發(fā)出前進指令；當操作者手從下往上移動時，系統(tǒng)發(fā)出后退指令；當操作者手從左往右移動時，系統(tǒng)發(fā)出左轉(zhuǎn)指令；當操作者手從右往左移動時，系統(tǒng)發(fā)出右轉(zhuǎn)指令。如圖2（a）和（b）所示，當操作者手從左往右移動時，小車也從左往右移動。如圖2（c）和（d）所示，當操作者手從下往上移動時，小車也從下往上移動。

圖2 基于手部動作的人機交互算法實驗結(jié)果示例

結(jié)語

本文提出了一套基于手部運動的人機交互算法，該算法可以對手部運動進行提取，進而根據(jù)提取到的特征點進行運動分析，最后根據(jù)分析的結(jié)果能夠通過智能控制系統(tǒng)進行人機交互。該方法可以用于一些適用于殘障人士的特殊場合，方便他們進行操作，具有識別準確，反應(yīng)速度快的特點。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.019