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摘要：对于一些功能要求简单的手势识别系统，系统的复杂性和控制难度都可以降低，以减少不必要的成本开销和资源浪费。该文以AT89S51单片机控制TCRT5000光电传感器模块为例，设计一种简单的手势识别系统。通过对该系统进行一些手势动作来控制单片机的外接设备。同时将该系统与上位机连接以控制上位机的应用程序，验证了该系统的稳定性和简单性。
关键词：手势识别；单片机；光电传感器；上位机
1009-3044(2012)27-6573-03
Design of A simple Gesture Recognition System Based on Photoelectric Sensors
GE Geng-yu，WANG Yu-jun，LI Fei-long，TAN Yan，WAN Neng-qing
（School of Computer and Information Science, Chongqing 400715 ,China）
Abstract: For some of the simple gesture recognition systems,decreasing the system complexity and control difficulty is economi? cal and convenient. In this paper,we design a simple gesture recognition system to control some external devices of MCU. Then connecting the system with computer to control some application programs and prove the stability and simplicity.
Key words: gesture recognition; MCU; photoelectric sensors; host computer
手势识别是人机交互技术领域不可缺少的一个重要技术。目前的手势识别系统都是用单个摄像头或多摄像头在PC机上基于计算机视觉技术的应用研究。通过摄像机等设备对图像进行采集，利用图像分割技术来对采集的图像分割分析，最后进行手势的特征提取以实现手势的识别。随着新技术的发展，也有不少研究人员在微软公司开发的kinect设备上展开了相关的手势识别技术应用和研究[3-4]。这些方法都是基于复杂的图像处理和数据分析来得到最终的预期结果，所以对手势动作的分析处理比较深入复杂并且有很大的难度。
然而，对于某些简单功能的应用只需要分析处理一些简单手势动作时，使用正常的基于计算机视觉的手势识别系统显得太过于复杂和资源浪费。用处理能力弱一点的单片机以及其他材料替代摄像机足够解决一些常见的问题。
本文利用Atmel公司的AT89S51型号单片机处理TCRT5000光电传感器采集的信号来搭建一种功能简单的手势识别系统。主要通过实现手势从左到右、从右到左、从上到下、从下到上的移动来控制单片机的外接设备LED灯的两灭，以此来阐述该系统的原理。
1系统的硬件部分
图1是TCRT5000传感器模块电路原理图。从图中可以看出给模块上电后，传感器的红外发射二极管不断发射红外线。当发射出的红外线没有被反射回来或
图3硬件连接示意图
图中5个光电传感器模块通过I/O接口与单片机连接，这里省略与GND接地端的接入。单片机与上位机电脑、其他的一些显示设备或者可控制模块连接。
根据图3中的示意图，对于给定的5个光电传感器设定一定的手势移动顺序和编码。不同的移动顺序和方向可以对应出很多种不同的编码方式，但是原理都很类似。所以这里举出一个例子来加以说明算法部分。
检测定每个传感器的编号以Num后加数字表示，则常用的手势移动顺序有Num1，Num5，Num3表示右移、Num3，Num5，Num1表示左移、Num2，Num5、Num4表示下移、Num4，Num5，Num2表示上移。初始值设定Num(i)=0, i=1,2.....5。表示手势移动没有经过该传感器的上方给予光电传感的开通。当有手势移动过该光电开关时Num(i)=1。
算法中用Count来表示同一方向上移动次数的计数值。Count(LR)=j表示右移手势动作的第j次，同理Count(RL)表示左移手势动作的次数，Count(OU)表示下移动手势动作的次数，Count(UO)表示上移手势动作的次数。
对于如何识别手势动作的连续性问题需要设定一个时间限制。检测设给定一个时间t，当某一个手势移动动作的相邻两个光电开关相继接通的时间在t内，则认为有效，否则认为无效，丢弃此次处理操作指令。这样避免了手势对单个光电传感的导通但是没有继续移动的错误操作问题。
对于上位机的具体指令编码在于从手势识别操作获取的数据的映射变化上，可以控制PC机里的应用程序的执行，例如控制PPT的打开和关闭，上下翻页等操作、控制视频设备的打开关闭以及拍摄等。
除了单片机与上位机的连接外，还可以与其他的可控设备例如遥控机器人等，通过手势动作对机器人的行走、停止以及速度上来进行控制。
本文所述的手势识别系统是一种基于光电传感器模块的巧妙应用。对于大型复杂高效的手势识别系统来说，由于投入的硬件软件量大，所以不适合本文中的简单系统实现。但是对于用户需要简单系统功能简洁的指令系统，本文所述的系统基本上都能实现。
朱建伟.基于多摄像头的手势识别研究与实现[D].广东：中山大学.信息科学与技术学院,2010.
龚陶波.基于计算机视觉的静态手势识别系统[D].湖北：华中师范大学.物理科学与技术学院,2008.
[3]罗元,谢或,张毅.基于Kinect传感器的智能轮椅手势控制系统的设计与实现[J].机器人,2012(1):110-113.
[4]陈一民,张云华.基于手势识别的机器人人机交互技术研究[J].机器人,2009, 3l(4):351-356.
[5] TCRT5000模块技术文档.
[6] AT89S51单片机技术文档.
[7]张伟.家庭智能安防报警系统研究[D].山东:山东科技大学.机械电子工程学院,2006.
[8]何曦光.改进型室内安防系统的研究[D].湖北:武汉理工大学.机电工程学院,2008.
关键词：手势识别；单片机；光电传感器；上位机
1009-3044(2012)27-6573-03
Design of A simple Gesture Recognition System Based on Photoelectric Sensors
GE Geng-yu，WANG Yu-jun，LI Fei-long，TAN Yan，WAN Neng-qing
（School of Computer and Information Science, Chongqing 400715 ,China）
Abstract: For some of the simple gesture recognition systems,decreasing the system complexity and control difficulty is economi? cal and convenient. In this paper,we design a simple gesture recognition system to control some external devices of MCU. Then connecting the system with computer to control some application programs and prove the stability and simplicity.
Key words: gesture recognition; MCU; photoelectric sensors; host computer
手势识别是人机交互技术领域不可缺少的一个重要技术。目前的手势识别系统都是用单个摄像头或多摄像头在PC机上基于计算机视觉技术的应用研究。通过摄像机等设备对图像进行采集，利用图像分割技术来对采集的图像分割分析，最后进行手势的特征提取以实现手势的识别。随着新技术的发展，也有不少研究人员在微软公司开发的kinect设备上展开了相关的手势识别技术应用和研究[3-4]。这些方法都是基于复杂的图像处理和数据分析来得到最终的预期结果，所以对手势动作的分析处理比较深入复杂并且有很大的难度。
然而，对于某些简单功能的应用只需要分析处理一些简单手势动作时，使用正常的基于计算机视觉的手势识别系统显得太过于复杂和资源浪费。用处理能力弱一点的单片机以及其他材料替代摄像机足够解决一些常见的问题。
本文利用Atmel公司的AT89S51型号单片机处理TCRT5000光电传感器采集的信号来搭建一种功能简单的手势识别系统。主要通过实现手势从左到右、从右到左、从上到下、从下到上的移动来控制单片机的外接设备LED灯的两灭，以此来阐述该系统的原理。
1系统的硬件部分
1.1系统所需要的硬件设备
根据本文设计的简单手势识别系统的要求，以实现系统的基本原理并且尽量的简单。基本功能是光电传感模块接收到手势动作作出后，信号传给单片机处理。然后将处理的结果以LED灯的亮灭来显示。本文以AT89S51最小系统作为处理器模块，TCRT5000光电传感器模块作为手势动作的采集部分，4个LED灯作为结果显示部分。1.2 TCRT5000光电传感器模块
TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关[5]。传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定并且可靠。图1是TCRT5000传感器模块电路原理图。从图中可以看出给模块上电后，传感器的红外发射二极管不断发射红外线。当发射出的红外线没有被反射回来或
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者被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。图3硬件连接示意图
图中5个光电传感器模块通过I/O接口与单片机连接，这里省略与GND接地端的接入。单片机与上位机电脑、其他的一些显示设备或者可控制模块连接。
根据图3中的示意图，对于给定的5个光电传感器设定一定的手势移动顺序和编码。不同的移动顺序和方向可以对应出很多种不同的编码方式，但是原理都很类似。所以这里举出一个例子来加以说明算法部分。
检测定每个传感器的编号以Num后加数字表示，则常用的手势移动顺序有Num1，Num5，Num3表示右移、Num3，Num5，Num1表示左移、Num2，Num5、Num4表示下移、Num4，Num5，Num2表示上移。初始值设定Num(i)=0, i=1,2.....5。表示手势移动没有经过该传感器的上方给予光电传感的开通。当有手势移动过该光电开关时Num(i)=1。
算法中用Count来表示同一方向上移动次数的计数值。Count(LR)=j表示右移手势动作的第j次，同理Count(RL)表示左移手势动作的次数，Count(OU)表示下移动手势动作的次数，Count(UO)表示上移手势动作的次数。
对于如何识别手势动作的连续性问题需要设定一个时间限制。检测设给定一个时间t，当某一个手势移动动作的相邻两个光电开关相继接通的时间在t内，则认为有效，否则认为无效，丢弃此次处理操作指令。这样避免了手势对单个光电传感的导通但是没有继续移动的错误操作问题。
对于上位机的具体指令编码在于从手势识别操作获取的数据的映射变化上，可以控制PC机里的应用程序的执行，例如控制PPT的打开和关闭，上下翻页等操作、控制视频设备的打开关闭以及拍摄等。
除了单片机与上位机的连接外，还可以与其他的可控设备例如遥控机器人等，通过手势动作对机器人的行走、停止以及速度上来进行控制。
本文所述的手势识别系统是一种基于光电传感器模块的巧妙应用。对于大型复杂高效的手势识别系统来说，由于投入的硬件软件量大，所以不适合本文中的简单系统实现。但是对于用户需要简单系统功能简洁的指令系统，本文所述的系统基本上都能实现。
朱建伟.基于多摄像头的手势识别研究与实现[D].广东：中山大学.信息科学与技术学院,2010.
龚陶波.基于计算机视觉的静态手势识别系统[D].湖北：华中师范大学.物理科学与技术学院,2008.
[3]罗元,谢或,张毅.基于Kinect传感器的智能轮椅手势控制系统的设计与实现[J].机器人,2012(1):110-113.
[4]陈一民,张云华.基于手势识别的机器人人机交互技术研究[J].机器人,2009, 3l(4):351-356.
[5] TCRT5000模块技术文档.
[6] AT89S51单片机技术文档.
[7]张伟.家庭智能安防报警系统研究[D].山东:山东科技大学.机械电子工程学院,2006.
[8]何曦光.改进型室内安防系统的研究[D].湖北:武汉理工大学.机电工程学院,2008.