摘  要： 為了在紅外遙控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)手勢(shì)交互，設(shè)計(jì)了一種基于雙DSP結(jié)構(gòu)的具有動(dòng)態(tài)手勢(shì)視覺識(shí)別功能的紅外遙控系統(tǒng)。針對(duì)手勢(shì)識(shí)別圖像算法的復(fù)雜性，系統(tǒng)采用了一種流水線式的動(dòng)態(tài)圖像處理模式并提出了一種基于雙端口RAM通信的雙DSP圖像處理硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)前級(jí)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)及手勢(shì)圖像預(yù)處理，后級(jí)結(jié)合以幀差法為核心的手勢(shì)識(shí)別算法負(fù)責(zé)動(dòng)作識(shí)別處理，從而節(jié)省單DSP需要的等待時(shí)間，手勢(shì)圖像處理任務(wù)同步進(jìn)行，加快動(dòng)態(tài)圖像處理的速度。另外，雙DSP結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)資源得到有效分配，復(fù)雜處理算法同步運(yùn)行，再配合自學(xué)習(xí)紅外遙控模塊實(shí)現(xiàn)紅外遙控功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)一次手勢(shì)動(dòng)作的最短識(shí)別時(shí)間為1.5 s，動(dòng)作識(shí)別的準(zhǔn)確率達(dá)到93.75%，具有良好的穩(wěn)定性和可操作性。
關(guān)鍵詞： 雙DSP結(jié)構(gòu)；CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭；手勢(shì)識(shí)別；紅外遙控

　隨著人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，手勢(shì)識(shí)別交互的原理和應(yīng)用已被國內(nèi)外許多學(xué)者從不同的角度、不同的層次進(jìn)行了研究[1-2]。近年來，傳統(tǒng)按鍵式的紅外遙控器已經(jīng)成為現(xiàn)代家庭電子消費(fèi)品中廣為人知的一種電子產(chǎn)品，而基于視覺的手勢(shì)識(shí)別交互技術(shù)與傳統(tǒng)紅外遙控技術(shù)的結(jié)合，逐漸成為人們研究手勢(shì)人機(jī)交互應(yīng)用的新熱點(diǎn)[3]。手勢(shì)識(shí)別紅外遙控系統(tǒng)整合了新一代手勢(shì)人機(jī)交互技術(shù)，從而改變了傳統(tǒng)的按鍵模式，在某些紅外遙控的場(chǎng)合具有傳統(tǒng)遙控器所無可比擬的便捷和人性化的用戶體驗(yàn)。手勢(shì)紅外遙控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多都基于PC實(shí)現(xiàn)，若要在專門系統(tǒng)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，硬件系統(tǒng)一般都要根據(jù)具體要求進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)[4-5]。在充分考慮了算法實(shí)現(xiàn)的靈活性和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可行性之后[4，6-11]，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于雙DSP結(jié)構(gòu)的硬件處理平臺(tái)，快速實(shí)現(xiàn)手勢(shì)定位及特征提取，從而成功開發(fā)了一種簡(jiǎn)便實(shí)用、容易操作及性價(jià)比高的動(dòng)態(tài)手勢(shì)紅外遙控。
1 系統(tǒng)總體方案
　系統(tǒng)基于雙DSP C2000系列芯片結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)，采用流水線處理結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖像幀差法實(shí)現(xiàn)手勢(shì)背景分離，通過圖像濾波、灰度直方圖等方法實(shí)現(xiàn)手勢(shì)定位及特征提取。雙DSP兩級(jí)流水線的圖像處理流程，保證了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)手勢(shì)圖像處理的流暢和實(shí)時(shí)性，再集成紅外控制模塊，實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)識(shí)別技術(shù)和紅外遙控技術(shù)的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)手勢(shì)紅外遙控。設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)手勢(shì)紅外遙控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由DSP1前級(jí)處理、DSP2后級(jí)處理、紅外控制模塊三大部分組成，其中DSP1和DSP2均為TI公司C2000系列芯片中的TMS320F2812信號(hào)處理芯片系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩級(jí)流水線的系統(tǒng)處理方法，DSP1負(fù)責(zé)與圖像傳感器通信，實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像進(jìn)行初步的圖像濾波處理。DSP2主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)圖像的后級(jí)處理，包括手勢(shì)背景分離、手勢(shì)特征提取、手勢(shì)動(dòng)作識(shí)別、指令判斷以及與紅外控制模塊的通信。系統(tǒng)的紅外控制模塊具有收發(fā)一體功能，能夠自定義學(xué)習(xí)紅外指令以適應(yīng)各種遙控對(duì)象。

　手勢(shì)識(shí)別算法主要包括：手勢(shì)圖像預(yù)處理、手勢(shì)背景分離、特征提取和動(dòng)作識(shí)別。系統(tǒng)基于幀差法實(shí)現(xiàn)手部圖像分割方法就是對(duì)視頻圖像序列中的相鄰的或一定時(shí)間間隔的兩幀進(jìn)行逐個(gè)像素比較，來獲得前后兩幀圖像亮度差的絕對(duì)值。利用間隔短暫時(shí)間的兩幀圖像比較，可以得到兩張圖像運(yùn)動(dòng)方向的邊緣圍成的一小段白色區(qū)域。用這段白色區(qū)域代替手部位置。幀差法能夠消除大部分的背景，并且經(jīng)過幀差法處理之后圖像中的噪聲類型單一，容易用特定的濾波算法消除[7，12]。對(duì)幀間差分法得到的圖像按選定的閾值進(jìn)行二值化，得到目標(biāo)圖像序列的二值化圖像序列Fk（x，y）。其中，


2.1 圖像采集模塊
　為了實(shí)現(xiàn)手勢(shì)圖像的實(shí)時(shí)采集，本系統(tǒng)采用了一款以O(shè)V7620圖像傳感芯片為核心的型號(hào)為C3188的數(shù)字圖像傳感模組作為圖像采集攝像頭，同時(shí)為了與DSP1的工作速度匹配，圖像采集電路使用了型號(hào)為AL422B的FIFO緩沖存儲(chǔ)芯片。圖像數(shù)據(jù)采集電路示意圖如圖3所示。OV7620是Omni Vision公司生產(chǎn)的一款高集成度的高分辨率逐行/隔行掃描CMOS數(shù)字彩色／黑白視頻攝像芯片。芯片輸出視頻的同時(shí)提供了3根同步信號(hào)線，分別為場(chǎng)同步信號(hào)VSN，奇偶場(chǎng)同步信號(hào)FODD，行同步信號(hào)HREF和像素輸出時(shí)鐘PCLK。使用DSP的GPIO控制4根信號(hào)線，就可以完整讀取視頻圖像數(shù)據(jù)。

2.2 雙DSP硬件結(jié)構(gòu)
　為了使得最大工作頻率只有150 MHz的DSP F2812芯片能夠進(jìn)行有效快速的圖像處理工作，結(jié)合實(shí)際考慮，本系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)了基于雙DSP F2812芯片的并行處理電路[10-11]，系統(tǒng)電路示意圖如圖4所示。雙DSP芯片通過雙端口RAM CY7C028存儲(chǔ)芯片建立數(shù)據(jù)通道，從而實(shí)現(xiàn)將手勢(shì)識(shí)別圖像處理分離為流水線般的處理模式，使得雙DSP配合工作，前級(jí)DSP1進(jìn)行圖像的采集與預(yù)處理，后級(jí)DSP2同時(shí)地進(jìn)行手勢(shì)圖像特征提取及識(shí)別等工作。這樣可以大大提高單DSP的工作效率，從而可以勝任復(fù)雜的手勢(shì)識(shí)別的圖像處理工作。

3 軟件設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)軟件的編寫包括兩方面，一是DSP1端的控制程序，主要為圖像采集和圖像預(yù)處理；二是DSP2端的控制程序，主要為手勢(shì)分割、特征提取、動(dòng)作識(shí)別、紅外控制程序。DSP芯片處理實(shí)現(xiàn)必要的圖像算法之外，還包括相應(yīng)外部控制模塊的驅(qū)動(dòng)控制程序。DSP1端的模塊控制程序部分主要包括OV7620攝像頭模塊的數(shù)據(jù)讀寫程序、RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片的控制程序。DSP2端的模塊控制程序部分為HXD019控制程序。根據(jù)各模塊的時(shí)序圖建立相應(yīng)的時(shí)序算法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的控制。DSP端軟件流程簡(jiǎn)圖如圖6所示。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
　利用自主設(shè)計(jì)的基于DSP C2000系列芯片搭建的雙DSP處理平臺(tái)，根據(jù)并行流水處理的思想，實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器視覺的動(dòng)態(tài)手勢(shì)紅外遙控系統(tǒng)的研制，圖7為手勢(shì)分割及定位效果圖。

　由表1可知，手與系統(tǒng)距離在2 m位置，系統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別率達(dá)到最高，高達(dá)88.75%以上。在距離小于2 m或大于2 m位置，手勢(shì)識(shí)別率都有所下降。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以得到本系統(tǒng)性能參數(shù)，如表2所示。從表2可以看出，一次動(dòng)作的最短識(shí)別時(shí)間為1 s，識(shí)別速度雖然相對(duì)較慢，但考慮到紅外遙控的應(yīng)用實(shí)際，本系統(tǒng)仍然具有實(shí)用價(jià)值。
　動(dòng)態(tài)手勢(shì)交互實(shí)現(xiàn)需要多方面技術(shù)和算法的綜合，其優(yōu)化也是多方面的，包括手勢(shì)圖像采集、圖像預(yù)處理、手勢(shì)背景分離、特征提取和動(dòng)作識(shí)別等。本系統(tǒng)使用雙DSP結(jié)構(gòu)可達(dá)到資源合理分配和快速并行處理的目的，節(jié)省了單DSP需要等待的時(shí)間，加快了動(dòng)態(tài)圖像處理的速度，從而實(shí)現(xiàn)了基于動(dòng)態(tài)手勢(shì)交互的紅外遙控功能。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)一次手勢(shì)動(dòng)作的最短識(shí)別時(shí)間為1.5 s，動(dòng)作識(shí)別的準(zhǔn)確率達(dá)到93.75%，具有良好的穩(wěn)定性和可操作性，可應(yīng)用于電視機(jī)遙控、空調(diào)遙控和燈光遙控等家用設(shè)備的控制系統(tǒng)中。該系統(tǒng)簡(jiǎn)易實(shí)用，在滿足用戶手勢(shì)紅外遙控基本操作的同時(shí)，具有一定的趣味性和臨場(chǎng)感，給用戶帶來了新一代手勢(shì)交互的新體驗(yàn)。基于雙DSP結(jié)構(gòu)的處理平臺(tái)，采用流水線式的算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，能將復(fù)雜的算法任務(wù)進(jìn)行逐步分解，同步處理，從而加快復(fù)雜任務(wù)的處理速度。在手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用方面，即使總體上系統(tǒng)仍有很大的改進(jìn)和提升空間，但這是一次新嘗試。隨著手勢(shì)識(shí)別等復(fù)雜應(yīng)用任務(wù)被廣泛關(guān)注，雙DSP結(jié)構(gòu)的流水線處理思路可以為同行提供一個(gè)新的參考。
參考文獻(xiàn)
[1] WALDHERR S， ROMERO R， THRUN S. A gesture based interface for human-robot interaction[J]. Autonomous Robots， 2000，9（2）：151-173.
[2] TRIESCH J， MALSBURG C. Robotic gesture recognition[C]. In Gesture Workshop，1997，233-244.
[3] STENGER B， WOODLEY T， CIPOLLA R. A Vision-Based Remote Control[M]. Computer Vision： Recognition， Registration and Reconstruction， Springer， 2010.
[4] Shi Lei， Wang Yangsheng， Li Jituo. A real time vision-based hand gestures recognition System[J]. Advances In Computation and Intelligence， 2010，6382：349-358.
[5] 曾翔，王賢秋.電視機(jī)手勢(shì)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2011，35（1）：42-44.
[6] 趙永嘉，戴樹嶺.基于點(diǎn)分布模型的可變形手勢(shì)跟蹤方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009（S1）：1-5.
[7] 任海兵，祝遠(yuǎn)新，徐光祐，等.復(fù)雜背景下的手勢(shì)分割與識(shí)別[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002（2）：256-261.
[8] VIBLIS M K， KYRIAKOPOULOS K J. Gesture recognition： the gesture segmentation problem[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems， 2000，28（1-2）：151-158.
[9] IWAI Y， HATA T， YACHIDA M. Gesture recognition from image motion based on subspace method and hidden Markov model[C]. International conference on Intertlipent Robots and Systems，1997，2：960-966.
[10] 黎玉剛，張英敏，付強(qiáng)文.雙口RAM在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（9）：75-78.
[11] 李超，姜戎，羅傳勇，等.基于雙DSP的飛艇組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2007（17）：259-261.
[12] 劉俊梅，阮秋琦.一種復(fù)雜背景下的手勢(shì)分割新方法[J].北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，14（2）：23-27.