1.1研究目的及意义

人机交互技术的发展，为人使用计算机和计算机应用于人类提供了一个重要的发展平台。人机交互技术不但使人们的生活更加便利，成为了人们日常生活中不可缺少的一部分，而且还促进了计算机智能化的发展。人机交互主要是指人与计算机之间采用某种约定的语言，用一定的交互方式互相通信，以完成特定的目标。传统的人机交互方式主要有鼠标、键盘和显示器等。随着科技的不断发展，计算机的形式变得多样化，传统的人机交互方式已经难以满足要求，这促进了智能化人机交互研究的不断发展。智能人机交互方式主要包括语音交互、个体特征交互、身体语言交互等方面。语音会向四面八方传播，难以控制方向性，这是语音交互自身难以克服的缺点。所以，语音交互对环境要求苛刻，在人多嘈杂有噪音的环境中难以识别准确，并且在多人共同说话时，不能分辨发出指令的主体。个体特征交互主要包括指纹识别、虹膜识别、掌纹识别等。这种交互方式主要用于在安全性较高的领域识别人的身份，不适用于交互命令复杂的环境。利用人的身体语言来传达用户的意思是当前人机交互研究中的一个热点。人的身体语言主要包括人整个身体的运动或者某个部位的运动，如手部运动、眼部运动、头部运动、腿部运动等。手与眼睛、大脑被称为让人具有高度智慧的三个重要器官。利用手势进行交互，可以像大脑、眼睛一样灵活，表达的意思多变。而且，在现实世界中，绝大部分的交互都只靠两只手和两只眼睛完成的。因此，利用手势进行交互将会成为人机交互方式的重要组成部分之一。

目前已经产生了各种各样的人机交互技术来实现手势识别，如基于触觉的人机交互技术、基于计算机视觉的人机交互技术、基于运动传感器的人机交互技术等。目前，基于触觉的人机交互技术已经广泛应用在智能手机、平板等电子产品中。但是，这种技术必须要手与触摸屏接触，而且范围受到触摸屏大小的限制。就人机交互的发展来看，触控只是初级的交互，非接触式的肢体识别才是更加智能的方式。基于计算机视觉的人机交互技术需要摄像头等外部设备，识别的区域也仅限在摄像头所能覆盖的范围之内，并且不能受到其他物体的遮挡，还受到所处环境的光线强度和背景的影响。这些不利条件，使基于视觉的交互技术难以在生活中应用。针对这些问题,本课题考虑借助常见的加速度传感器体积小、质量轻、反应灵敏等特性,探索利用加速度传感器实现一种便利、低成本、高可靠性并且易于推广的手势识别技术。

1.2国内外研究现状

早期的手势识别主要是通过数据手套实现的。目前，数据手套已经被应用在装配维修、机器人的驱动、手语的识别等。传统的数据手套上安装的传感器种类繁多，包括加速度传感器、角速度传感器和力传感器等。最近，顾伟宏等人减少了传感器的种类，仅采用加速度传感器进行数据手套设计，实现了汉语手指语拼音字母的识别。但是这并没有改变数据手套中传感器数量多、成本高、穿戴不方便的缺点。

当前最流行的手势识别方式是利用视觉进行识别。这种方法主要有两类：基于外观的方法和基于 3D 模型的方法。基于外观的方法主要是利用摄像头得到手运动的图像序列，然后进行图像处理，将手势图像划分成区域，对每个区域进行分析比较，将手势识别出来基于 3D 模型的方法主要是利用红外线和可调整深度侦测技术获取人身体的整个骨骼框架，将关节的角度和位置作为特征量进行识别。近些年来，许多企业推出了一系列基于视觉的手势识别产品。但是，这些产品始终依赖于摄像头等外部设备。进行手势识别时，也只能在摄像头所能到达的范围，并且范围内不能有其他的干扰，对光线和背景要求也很高。这些缺点限制了利用视觉进行手势识别的发展。

还有很多研究者利用手机上的传感器进行手势识别，但是手机的体积限制了让人做出复杂手势的可能。有些研究者摈弃了手机方案，利用MEMS传感器自主设计手势识别终端，利用多传感器融合技术，设计了一种手势动作控制智能家居系统。另外，还有一种新兴的基于无线射频的手势识别技术，但是仍然处于初始阶段，还有很多问题亟待解决。

综上，手势识别的途径分三方面：第一，基于视觉的手势识别，主要通过图像数据处理的过程来分析；第二，基于超声波的手势识别，实现方法常利用多普勒效应；第三，基于惯性传感器的手势识别，MEMS传感器中三轴加速度计能获得X,Y,Z方向上的加速度值和三轴陀螺仪能够获得三个轴的旋转角速度值。三种实现途径各有其一定的优缺点，目前存在的问题主要有系统可靠性、实时性不足，与小型化带来的挑战。针对这些问题,本课题考虑借助常见的MEMS加速度传感器体积小、质量轻、反应灵敏等特性,探索利用加速度传感器实现一种便利、低成本、高可靠性并且易于推广的手势识别技术。

2. 研究的基本内容与方案

手势识别终端的总体设计框架主要分为两大部分：硬件设计和软件设计。硬件设计是软件设计的基础，软件设计是充分发挥硬件功能的保证，二者相互依赖。

硬件设计主要包括各个元器件的选型和相关电路的设计。在硬件设计的过程中，要充分考虑总体设计要求。在保证能实现基本功能的基础上，还要考虑续航等因素的影响，并要符合人的使用习惯，达到人机友好的效果。