基于FPGA的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)研究

*基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202110900004Y；

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：16KJB510007；

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201901163002、202002094006

作者簡(jiǎn)介：陳虹玉（2001—），女，2019級(jí)電子信息工程專業(yè)本科生

通信作者：張福鼎（1982—），男，講師(Email:zfdc@qq.com)

0 引言

FPGA 在當(dāng)今社會(huì)很多地方都要用到，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景，通過(guò)不斷研發(fā)已經(jīng)成為一個(gè)成熟器件^[1]，作為一種可編程邏輯器件，具有半定制、電路靈活，門(mén)電路數(shù)多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、低成本等優(yōu)點(diǎn)^[2]，在市場(chǎng)上有了立足之地，取得優(yōu)異成績(jī)，并朝著多元化發(fā)展方向發(fā)展^[3]。FPGA 最大特點(diǎn)是靈活可實(shí)現(xiàn)各種電路設(shè)計(jì)，因此漸漸取代其他電子設(shè)計(jì)，成為了眾多廠商及個(gè)人的首選^[4]。

先前的人機(jī)交互是傳統(tǒng)的鍵盤(pán)及鼠標(biāo)模式，而現(xiàn)在的交互模式更加寬泛^[5]。手勢(shì)是最能表達(dá)人類動(dòng)作的一種形式，反映出來(lái)的是最直觀的感受，在這計(jì)算機(jī)流行的時(shí)代，能否將手勢(shì)和機(jī)器語(yǔ)言聯(lián)系在一起，呈現(xiàn)出人機(jī)互動(dòng)的形式，特別是當(dāng)今游戲盛行的時(shí)代，手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)也可以應(yīng)用到游戲中^[6]。最常見(jiàn)的體感游戲便是最好的證明，人類通過(guò)穿戴體感設(shè)備，從而將人體運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)诫娔X中，經(jīng)過(guò)處理并及時(shí)顯現(xiàn)出來(lái)^[7]。

因此手勢(shì)識(shí)別在生活中的運(yùn)用十分廣泛，所以越來(lái)越多的人致力于此項(xiàng)研究，類如數(shù)據(jù)手套的常見(jiàn)識(shí)別系統(tǒng)也是層出不窮，而手勢(shì)系統(tǒng)這一新生事物還處于研發(fā)階段，所以價(jià)格還很高，不適用于普及當(dāng)今社會(huì)，人們著力于研究手勢(shì)識(shí)別的發(fā)展技術(shù)，力圖在手勢(shì)識(shí)別方面獲得更多的成功。手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的研究的重要性已經(jīng)不言而喻，在未來(lái)的生活中，手勢(shì)識(shí)別將會(huì)迅速發(fā)展^[8]。

手勢(shì)識(shí)別是人類和儀器溝通的橋梁，能否完成手勢(shì)識(shí)別這一任務(wù)，也關(guān)系到和電腦等機(jī)器的互動(dòng)和溝通^[9]。然而，現(xiàn)在手勢(shì)識(shí)別技術(shù)還不成熟，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的交互系統(tǒng)容易收到外界干擾，不能識(shí)別大量手勢(shì)^[10]。手勢(shì)跟蹤等^[11]穩(wěn)定性差，使得手勢(shì)成為一種復(fù)雜可變形體，有時(shí)甚至不能準(zhǔn)確識(shí)別出來(lái)^[12]。

本論文的主要內(nèi)容是基于FPGA 的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)研究，先搭建了手勢(shì)識(shí)別框架，并設(shè)計(jì)手勢(shì)識(shí)別算法，外部硬件由數(shù)據(jù)收集模塊、信號(hào)處理模塊、結(jié)果顯示模塊和外部觸摸板模塊組成，再根據(jù)對(duì)應(yīng)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的功能。

1 基于FPGA的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)

1.1 硬件框架

基于FPGA 的硬件框架如圖1 所示，分為數(shù)據(jù)采集模塊，信號(hào)處理模塊，結(jié)果顯示模塊，外部觸摸板模塊和攝像頭模塊。

為了日?？梢噪S身攜帶，也為了方便我們的穿戴，所以安裝在人體身上的模塊必須要小巧簡(jiǎn)單，因此選擇了尺寸較小的采集模塊，具體的數(shù)據(jù)為長(zhǎng)30 mm，寬15mm，厚2mm。具體的由控制器和傳感器組合而成，通過(guò)捕捉人體移動(dòng)信號(hào)，將信號(hào)從控制器發(fā)向傳感器，由傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，最后再通過(guò)控制芯片傳遞給其他設(shè)備。經(jīng)測(cè)定，sEMG 傳感器工作時(shí)的信噪比保持在20dB 以上，ACC 芯片在運(yùn)轉(zhuǎn)之時(shí)有很多狀態(tài)，尤其是在1.5 gn 時(shí)，會(huì)形成一個(gè)驚人的信號(hào)，分辨率超出很多科學(xué)家的想象。此時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)囊髸?huì)非常高，需要不容易產(chǎn)生波動(dòng)、大小合適，所以在此推薦CC2500 這個(gè)芯片。CC2500 之所以獲得眾多公司的青睞，除了以上的特長(zhǎng)，還能夠幫助公司節(jié)約能源損耗，為公司的利益也是謀取了福利。在數(shù)據(jù)采集模塊中，這兩個(gè)芯片不可或缺，起到了至關(guān)重要的作用，更加有利于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。

信號(hào)處理模塊首先配備了獲得信號(hào)的設(shè)備，為了得到精準(zhǔn)的信號(hào)，我們這里采用CC2500，可以連接在FPGA 上，但是他們兩個(gè)卻絲毫沒(méi)有關(guān)系，分別處于不同的頻道，不影響各自的工作。信號(hào)處理模塊包含了多個(gè)硬件，而其中最關(guān)鍵的、最為核心的，便是FPGA 了。

FPGA 的硬件構(gòu)成較為復(fù)雜，其中有上萬(wàn)邏輯單元等。收集模塊已經(jīng)收集到了sEMG 和ACC 信號(hào)，那么在處理模塊中的主要目的就是識(shí)別這兩個(gè)信號(hào)，在接下來(lái)的軟件設(shè)計(jì)中，將會(huì)詳細(xì)說(shuō)明算法。FPGA 所對(duì)應(yīng)的功能已經(jīng)在上述中所詳細(xì)介紹，對(duì)應(yīng)的如圖2 所示。

結(jié)果顯示模塊的功能是顯示識(shí)別的結(jié)果，要求在LCD屏上快速顯現(xiàn)出來(lái)，對(duì)其處理速度有一定要求，所以我們?cè)诖四K配備了LCD屏及單片機(jī)，采用的單片機(jī)也具有超高的配置，和如今的USB 接口一樣，傳輸速度使得我們立馬就能在LCD 屏上看見(jiàn)結(jié)果。

觸摸板結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，核心處理器是STM32微處理器，為了方便具體使用，在處理器上外接一塊控制板，觸摸屏控制板的型號(hào)是TSC2046，觸摸板在模塊中的作用就是選擇手勢(shì)識(shí)別出來(lái)的結(jié)果，如果沒(méi)有與之相匹配的，就通過(guò)觸摸板，輸入自己想表達(dá)的手勢(shì)，另外，觸摸板上還能顯示其他信息，如顯示電池容量，顯示實(shí)時(shí)溫度等。

攝像頭模塊是作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵，如果不能實(shí)現(xiàn)這一模塊，將會(huì)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，影響手勢(shì)識(shí)別結(jié)果的處理。此模塊的工作原理相當(dāng)簡(jiǎn)單，首先攝像頭鎖定人手的具體方位，向處理模塊實(shí)時(shí)運(yùn)達(dá)手勢(shì)的變化，同時(shí)，鎖定了方位后，聯(lián)合傳感器，確定其他移動(dòng)設(shè)備，具體應(yīng)用見(jiàn)如圖4 所示。

1.2 軟件框架

當(dāng)信號(hào)發(fā)生在活動(dòng)段的時(shí)候，屏幕上就會(huì)出現(xiàn)sEMG信號(hào)，此時(shí)意味著活動(dòng)段算法開(kāi)始執(zhí)行。因?yàn)樾盘?hào)的差異性，所以要對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后傳遞給下一模塊，在下一模塊中檢測(cè)接收數(shù)據(jù)，根據(jù)傳遞的順序，依次接收信號(hào)。在活動(dòng)段中，傳送的單位是幀，也就是說(shuō)完成傳遞個(gè)1 信號(hào)，就意味著1 幀的結(jié)束。

活動(dòng)段獲取算法是數(shù)據(jù)采集模塊所對(duì)應(yīng)的軟件算法，通過(guò)計(jì)算平均絕對(duì)值，再用它來(lái)設(shè)計(jì)算法，具體完成操作如圖5 所示。由于不同的通道信號(hào)的數(shù)值是各不相同的，所以要計(jì)算出其總和，那么就需要采用以下方法，設(shè)置1個(gè)累加器1，用幀同步信號(hào)作為累加器1 的清零端，用位同步信號(hào)作為累加器1 時(shí)鐘，數(shù)據(jù)取絕對(duì)值后流入累加器1，每個(gè)幀同步來(lái)到時(shí)累加器1 輸出1次結(jié)果。32 點(diǎn)移動(dòng)平均用移位寄存器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，幀同步信號(hào)為移位寄存器提供時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行1次移位，累加器2 加入新進(jìn)寄存器的值，減去移出寄存器的值，累加的結(jié)果與閾值比較。采用了這種簡(jiǎn)便的算法后，給活動(dòng)段的檢測(cè)帶來(lái)了不少好處，既提升了檢測(cè)效率，又沒(méi)有過(guò)多的浪費(fèi)資源。為了更好的檢測(cè)兩只手同時(shí)做出的手勢(shì)，我們?cè)诖朔胖昧藘蓚€(gè)檢驗(yàn)?zāi)K。

在這特征算法這一階段，首要目標(biāo)就是找到特征值，就是對(duì)收集到的信號(hào)，計(jì)算出它的絕對(duì)平均值。在外面的SRAM 充當(dāng)了數(shù)據(jù)收集的作用，里面集合了完整的數(shù)據(jù)，此時(shí)的信號(hào)被傳送到下一階段之時(shí)，它所對(duì)應(yīng)的在SRAM 中就有唯一的地址，然后對(duì)其做好記號(hào)，傳送結(jié)束后，此時(shí)又有新的對(duì)應(yīng)的地址，并做好新的標(biāo)記。接下來(lái)，就可以通過(guò)整理出來(lái)的地址數(shù)據(jù)，先分別提取出來(lái)，再完成運(yùn)算。

ACC 信號(hào)是本次實(shí)驗(yàn)中一個(gè)不可或缺的信號(hào)，其主要目的在于確定手勢(shì)的具體地址，為了更好的確定其坐標(biāo)，可以用公式A=ΣX i/N 和u=Σ|X i-A|/N，后者是為了了解手勢(shì)的擺動(dòng)幅度。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的推理和證明，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)公式可以簡(jiǎn)化，并合成為1 個(gè)新的公式，即F=Σ|X i-C|/N，這個(gè)公式可以同時(shí)計(jì)算出平均值和一階矩，可以說(shuō)是十分便利，只需滿足條件C =0 和C =A，毫無(wú)疑問(wèn)，這種計(jì)算方法有利的提高了計(jì)算的效率，也有效的解決了過(guò)多的占用FPGA 資源的問(wèn)題，達(dá)到了省時(shí)省力的效果。

因?yàn)椴捎玫氖浅ㄋ惴?，所以?nèi)部占據(jù)了數(shù)量龐大的邏輯單元，從多次運(yùn)算的實(shí)踐中可以看到，通過(guò)反復(fù)的算法實(shí)現(xiàn)，ACC 的出現(xiàn)是固定的，局限在固定數(shù)值之內(nèi)，一般認(rèn)為這個(gè)數(shù)值是256，再根據(jù)乘法運(yùn)算，把所有可能出現(xiàn)的N 的倒數(shù)1/N（0~255）乘以65 536（2的16 次方）得到65 536/N，按照一一對(duì)應(yīng)的原則，依次傳遞給RAM，將生成的地址，再傳遞給ROM，最后能夠計(jì)算出結(jié)果為65 536/N。接下來(lái)的步驟就是借助乘法器，在位數(shù)移動(dòng)16 位的基礎(chǔ)之上進(jìn)行乘法運(yùn)算，最終獲取結(jié)果，最準(zhǔn)確的數(shù)值可以達(dá)到萬(wàn)分之一，采用這種方法，既節(jié)約了計(jì)算的時(shí)間，又達(dá)到了精度高的要求，對(duì)于能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行大量的特征運(yùn)算，達(dá)到了這一目的。

識(shí)別算法分為兩個(gè)步驟：首先，為了更好地確定其坐標(biāo)，根據(jù)之前算法得出的特征進(jìn)行第1 次分類，然后結(jié)合sEMG 信號(hào)，對(duì)其第2 次分類。為了確定手勢(shì)的具體位置，我們進(jìn)行以下步驟：先完成特征算法，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平均值，最后對(duì)均值進(jìn)行分析判斷得出。要實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的區(qū)分，用兩者的一階矩作為判定的依據(jù)，當(dāng)大于其對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)是動(dòng)態(tài)手勢(shì)，與之相反，就是靜態(tài)手勢(shì)。在識(shí)別算法中的分類不是沒(méi)有好處的，如果沒(méi)有進(jìn)行分類識(shí)別，會(huì)給這一算法帶來(lái)巨大的計(jì)算量，影響識(shí)別效率。

完成分類后，把5 通道sEMG 的絕對(duì)均值組成特征向量，設(shè)計(jì)正態(tài)分布下的貝葉斯分類器對(duì)手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行精確的分類識(shí)別。分類器的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 分類器結(jié)構(gòu)

其中，X=(x₁，x₂， …，x_d-1，x_d)，gi(X) 為類別wi的判別函數(shù)，N 為類別數(shù)。在這個(gè)手勢(shì)識(shí)別算法中，分類器采用了對(duì)應(yīng)的算法，對(duì)這個(gè)規(guī)則我們給予詳細(xì)的介紹，存在一個(gè)密度函數(shù)P(X|wi) 符合給定條件，呈正態(tài)分布的形式，μi 和Σi 分別表示X 在類別wi 下的均值向量和協(xié)方差陣。經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)，我們可以得到如下公式gi(X)=-ln|Σi |-(X-μi )T Σ-1i(X-μi )，i=1，2，3，…，N。

為了增加函數(shù)的準(zhǔn)確性，采用不同的數(shù)據(jù)，代入分類器實(shí)踐操作，這樣就能夠了解函數(shù)的組成部分。此時(shí)的算法還不能準(zhǔn)確的對(duì)手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，仍需要借助在電腦上模擬完成。經(jīng)過(guò)反復(fù)的訓(xùn)練，將生成的數(shù)據(jù)同函數(shù)融合在一起，便可以載入FPGA 的自生成ROM 中。最后對(duì)特征向量不斷的運(yùn)算，在電腦上就可以呈現(xiàn)結(jié)果。

在本文的手勢(shì)系統(tǒng)中，對(duì)單手和雙手的識(shí)別是兼容的，對(duì)其數(shù)據(jù)采集后，都可以運(yùn)行特征算法，并實(shí)現(xiàn)分類，最后在屏幕上呈現(xiàn)出手勢(shì)。識(shí)別結(jié)果用1 個(gè)字節(jié)表示，用bit 來(lái)顯示所代表的含義。單片機(jī)通過(guò)解析這個(gè)字節(jié)便可得知所需信息，進(jìn)一步做出反應(yīng)。不論是單手手勢(shì)的識(shí)別，還是雙手手勢(shì)的識(shí)別，都確保了時(shí)效性，立馬就能識(shí)別出手勢(shì)特征，對(duì)手勢(shì)識(shí)別速度的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。觸摸模塊軟件算法實(shí)現(xiàn)主要包括：

1）ucos 系統(tǒng)建立任務(wù)，包括主任務(wù)，用戶界面任務(wù)，CAN 報(bào)文接收任務(wù)等；

2）ucGUI 圖形用戶界面程序，設(shè)計(jì)相關(guān)操作界面；

3）中斷服務(wù)程序，執(zhí)行CAN 總線接收的中斷處理；

4）硬件平臺(tái)初始化程序，包括時(shí)鐘，CAN 模塊，觸摸屏等等的初始化；

5）LCD 的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

攝像上傳識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)其主要思想是在攝像頭固定的情況下，通過(guò)減去背景圖像方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部分識(shí)別。在采集攝像頭數(shù)據(jù)后，首先要對(duì)背景進(jìn)行建模。本系統(tǒng)采用基于統(tǒng)計(jì)的背景模型提取方法，以一段時(shí)間內(nèi)某像素點(diǎn)所在區(qū)域亮度的平均值作為該像素點(diǎn)的背景值。之后對(duì)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行高斯平滑，并與背景圖像相減再二值化，將得到的差值圖像通過(guò)膨脹、腐蝕等形態(tài)學(xué)濾波后，尋找最大連通區(qū)域，從而確定運(yùn)動(dòng)部位坐標(biāo)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）