CN103399318A - 指尖定位***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指尖定位***和方法，所述指尖定位***包括第一超声发射器件、第二超声发射器件、超声接收装置阵列、指尖反射峰检测模块、指尖与拳面反射路径提取模块、手指长度提取模块、拳面反射路径提取模块、指尖反射路径估计模块、手指柱面反射路径提取模块以及指尖坐标计算模块。本发明提供的指尖定位***和方法可以实现非接触式操作的远距离手指指尖定位。

Description

指尖定位***和方法

技术领域

本发明涉及超声手势识别技术，特别地，涉及一种指尖定位***和方法。

背景技术

超声手势识别技术是一种利用超声信号来对人手的运动状态(如位置、速度、轨迹)进行识别的方案，主要应用在智能设备来实现非接触式人机交互。用户操作通常以用户的手指指尖作为参照点，因此指尖的精确定位对于一个非接触式操作方案来说非常重要。在一种与本发明相关的超声手势识别方案中，用来发射超声信号的超声发射器阵列全部朝向同一个维度，超声接收器接收所述超声发射器发射的超声信号在手指指尖反射而形成的反射信号，所述反射信号便可以用来对所述手指指尖进行定位。不过，由于手指指尖的反射面相对较小，在手指距离较远的时候反射信号可能会太弱而无法用来进行指尖定位，因此上述超声手势识别方案难以实现远距离手指指尖定位，其应用范围受到较大的限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可实现远距离定位的指尖定位方法和***。

一种指尖定位***，包括第一超声发射器件、第二超声发射器件、超声接收装置阵列、指尖反射峰检测模块、指尖与拳面反射路径提取模块、手指长度提取模块、拳面反射路径提取模块、指尖反射路径估计模块、手指柱面反射路径提取模块以及指尖坐标计算模块，其中，

所述第一超声发射器件，用于发射第一超声信号；

所述第二超声发射器件，用于发射第二超声信号；

所述超声接收装置阵列，包括所述第一超声接收器件和第二超声接收器件，用于接收所述第一超声信号和第二超声信号在人手发生反射而形成的超声反射信号；

所述指尖反射峰检测模块，用于判断是否接收到第一超声信号在手指指尖发生反射而形成的指尖反射信号；

所述指尖与拳面反射路径提取模块，用于在检测到所述指尖反射信号时，提取所述第一超声信号在指尖和拳面发生分别反射而形成的指尖反射信号的反射路径时延和拳面反射信号的反射路径时延，并计算所述指尖反射信号的反射路径长度；

所述手指长度提取模块，用于根据所述指尖与拳面反射路径提取模块得出的指尖反射信号的反射路径长度和拳面反射信号的反射路径长度估算出手指的长度；

所述拳面反射路径提取模块，用于在未检测到所述指尖反射信号时，提取所述第一超声信号在拳面发生反射而形成的拳面反射信号的反射路径时延，并计算所述拳面反射信号的反射路径长度；

所述指尖反射路径估计模块，用于利用手指长度补偿所述拳面反射信号的反射路径长度，估算出所述指尖反射信号的反射路径长度；

所述手指柱面反射路径提取模块，用于提取第二超声信号在手指柱面发生反射而形成的手指柱面反射信号的反射路径时延，并计算出所述手指柱面反射信号的反射路径长度；

所述指尖坐标计算模块，用于根据所述指尖反射信号的反射路径长度、拳面反射信号的反射路径长度以及所述手指柱面反射信号的反射路径长度，计算出手指指尖的坐标。

优选的，所述第一超声信号和所述第二超声信号由分别设置在参考三维坐标系两个相互正交的轴线的第一超声发射器件和第二超声发射器件发射，且所述参考三维坐标系还设置有用来接收所述第一超声信号和所述第二超声信号在人手发生反射而形成的超声反射信号超声接收装置阵列。

优选的，所述第一超声发射器件设置在参考三维坐标系的Z轴正向，且其超声信号发射方向为X轴正向；所述第二超声发射器件设置在所述参考三维坐标系的X轴正向，且其超声信号发射方向为Z轴正向；所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件设置在所述参考三维坐标系的Y轴。

优选的，所述第一超声发射器件与第二超声发射器件分别为第一扬声器与第二扬声器，所述第一超声接收器件与第二超声接收器件分别为第一麦克风与第二麦克风。

一种指尖定位方法，包括：发出第一超声信号和第二超声信号；判断是否检测到第一超声信号在手指指尖发生反射而形成的指尖反射信号；如检测到所述指尖反射信号，则提取所述第一超声信号在指尖和拳面发生分别反射而形成的指尖反射信号的反射路径时延和拳面反射信号的反射路径时延，计算所述指尖反射信号的反射路径长度，并由此估算出手指的长度；如未检测到所述指尖反射信号，则提取所述第一超声信号在拳面发生反射而形成的拳面反射信号的反射路径时延，计算所述拳面反射信号的反射路径长度，并利用手指补偿估算出所述指尖反射信号的反射路径长度；提取第二超声信号在手指柱面发生反射而形成的手指柱面反射信号的反射路径时延，并计算出所述手指柱面反射信号的反射路径长度；根据所述指尖反射信号的反射路径长度、拳面反射路径长度以及所述手指柱面反射信号的反射路径长度，计算出手指指尖的坐标。

优选的，所述第一超声信号和所述第二超声信号由分别设置在参考三维坐标系两个相互正交的轴线的第一超声发射器件和第二超声发射器件发射，且所述参考三维坐标系还设置有用来接收所述第一超声信号和所述第二超声信号在人手发生反射而形成的超声反射信号超声接收装置阵列。

优选的，所述超声接收装置阵列包括第一超声发射器件和第二超声发射器件，所述第一超声发射器件设置在参考三维坐标系的Z轴正向，且其超声信号发射方向为X轴正向；所述第二超声发射器件设置在所述参考三维坐标系的X轴正向，且其超声信号发射方向为Z轴正向；所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件设置在所述参考三维坐标系的Y轴。

优选的，所述判断是否检测到所述第一超声信号在手指指尖发生反射而形成的指尖反射信号的方法是：根据所述第一超声接收器件和第二超声接收器件接收到超声反射信号，结合所述第一超声发射器件发射的第一超声信号，运算得到所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件的反射曲线；检测所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件的反射曲线是否包括两个反射峰，如果是，判断出所述指尖反射信号和所述拳面反射信号同时被检测到，否则，判断出只检测到所述拳面反射信号。

本发明提供的指尖定位***和方法，在人手距离较远而无法检测到指尖反射信号时利用手指长度来补偿拳面反射信号的反射路径信息，从而估算出指尖反射信号的反射路径信息，并结合手指柱面反射信号的反射路径信息来计算得到手指指尖的位置坐标。因此，采用本发明提供的指尖定位方法和***可以实现远距离的手指指尖定位，可以有效扩展超声手势识别方案的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是一般用户通过人手来执行非接触式操作时的手势形状示意图。

图2是本发明提供的超声手指指尖定位方案的原理示意图。

图3是本发明提供的指尖定位***一种实施例的方框示意图。

图4是为本发明提供的指尖定位方法的一种实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决目前超声手势识别方案无法进行远距离指尖定位的问题，本发明提供一种可实现远距离定位的指尖定位方法和***。为便于理解，以下首先简单介绍本发明提供的方案的技术原理。

请参阅图1，其为一般用户通过人手来执行非接触式操作时的手势形状示意图。通常用户在执行非接触式操作时会将其中一个手指(图1以食指为例)伸直而其他手指蜷缩，并且所述伸直的手指的指尖作为定位点来对准目标操作区域。在本发明提供的超声手指指尖定位方案在上述人手状态上定义了三个反射区域，即指尖反射区10、手指柱面反射区20和拳面反射区30。指尖通常作为默认位置参考点，因此所述指尖反射区10是最重要的反射区；手指柱面沿指尖垂直延伸，因此所述柱面反射区20也可以部分反映所述指尖的位置信息；而拳面与指尖之间的距离相对固定(基本相当于手指长度)，因此所述拳面反射区30也可以部分反映所述指尖的位置信息。本发明提供的超声手指指尖定位方案可通过提取上述指尖反射区10、手指柱面反射区20和拳面反射区30的超声反射信息，对手指指尖进行精确定位。

请参阅图2，为本发明提供的超声手指指尖定位方案的原理示意图。从原理上讲，用户在执行非接触式操作时其手指指尖可以相当于在图2所示的参考三维坐标系进行移动，而手指指尖的具***置可以通过其在所述三维坐标系的三维坐标(x,y,z)进行确定。

本发明提供的方案需要在非接触式智能电子装置定义所述参考三维坐标系，并在所述参考三维坐标系配备至少两个超声发射器件101、102和由至少两个超声接收器件201、202构成的超声接收装置阵列。其中，所述超声发射器件和所述超声接收装置阵列可以分别为扬声器(Speaker)和麦克风(Microphone)。为便于描述，以下分别将所述两个超声发射器件101、102分别命名为第一扬声器101和第二扬声器102，并将所述两个超声接收器件201、202分别命名为第一麦克风201和第二麦克风202。

所述第一扬声器101可以设置在垂直于所述XY平面的Z轴正向，且其超声信号发射方向为X轴正向；所述第二扬声器102可以设置在X轴正向，且其超声信号发射方向为Z轴正向。所述第一麦克风201和所述第二麦克风202可以设置在Y轴，其可接受所有方向的超声信号，具***置不限，在本实施例中，所述第一麦克风201和所述第二麦克风202分别设置在Y轴负向和Y轴正向。并且，在图2所示的参考三维坐标系中，人手活动区域可以定义在x坐标和z坐标均大于0的区域(即手指指尖的三维坐标满足x>0,z>0)，从而保证所述第一扬声器101和第二扬声器102发射的超声信号可以到达人手。

由于所述人手的手指柱面反射区20对于所述第二扬声器102发射的超声信号的反射非常强烈，因此，通过所述第一麦克风201和所述第二麦克风202可以分别检测出所述第二扬声器102发射的超声信号在所述柱面反射区20的反射路径信息。在手指指尖距离所述第一扬声器101较远时，由于所述指尖反射区10的反射面较小可能难以检测出所述手指指尖在X轴的坐标，因此可以通过所述第一麦克风201和所述第二麦克风202分别检测出所述第一扬声器101发射的超声信号在所述拳面反射区30的反射路径信息，再以手指长度作为补偿便可以计算出所述第一扬声器101发射的超声波在所述指尖反射区10的反射路径信息。最后，基于所述反射路径信息，通过多椭圆相交定位算法便可以计算出所述手指指尖的三维坐标。

基于上述原理，本发明提供了一种指尖定位***，请参阅图3，其为本发明提供的指尖定位***一种实施例的方框示意图。所述指尖定位***100可以应用在非接触式智能电子装置，所述非接触式智能电子装置可以定义有如图2所示的参考三维坐标系。所述指尖定位***100可以包括如上所述的第一扬声器101、第二扬声器102、超声接收装置阵列以及执行信息分析计算的处理器300，超声接收装置包括第一麦克风201和第二麦克风202。其中，所述第一扬声器101、所述第二扬声器102、所述第一麦克风201和所述第二麦克风202的具***置可参照图2所示。所述第一扬声器101和所述第二扬声器102发出的超声信号在人手不同反射区发生反射而形成的超声反射信号可以被所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收；并且，所述第一麦克风201和所述第二麦克风202连接到所述处理器300。

所述处理器300可以所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的超声反射信号进行信息提取及分析以计算出所述手指指尖的三维坐标。具体地，所述处理器300可以包括手指柱面反射路径提取模块310、指尖反射峰检测模块320、指尖反射路径提取模块330、拳面反射路径提取模块340、手指长度提取模块350、指尖反射路径估计模块360和指尖坐标计算模块370等软件模块。

请参照图4，其为本发明提供的指尖定位方法的一种实施例的流程图。所述指尖定位方法可以包括：

步骤S1、所述第一扬声器101发射第一超声信号，所述第一超声信号在指尖反射区10和拳面反射区30反射之后形成指尖反射信号和拳面反射信号。

具体地，在所述参考三维坐标系中，位于YZ平面的第一扬声器101可以在所述处理器300的控制下沿X轴正向发射第一超声信号，所述第一超声信号传播到人手的指尖反射区10和拳面反射区30分别发生反射并形成超声反射信号，以下分别将所述反射信号称为指尖反射信号和拳面反射信号。

步骤S2、所述指尖反射峰检测模块320判断所述第一麦克风201和所述第二麦克风202是否可以检测到指尖反射信号，如果可以，执行步骤S3；否则，执行步骤S5。

所述指尖反射峰检测模块320可以根据所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的超声反射信号，结合所述第一扬声器101发出的第一超声信号并通过互相关运算，得到所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的反射信号的反射曲线，其中所述反射曲线可以具体为超声反射路径强度曲线，其反射强度随时间变化而变化。

具体而言，在人手与所述第一扬声器101距离较近时，由于所述指尖反射面10和所述拳面反射面30均为强烈的近场反射，因此所述第一麦克风201和所述第二麦克风202均将同时检测到所述指尖反射信号和所述拳面反射信号。因此，所述指尖反射峰检测模块320可以在所述第一麦克风201的反射曲线和所述第二麦克风202的反射曲线均提取到两个反射峰，即指尖反射峰PA和拳面反射峰PB。

随着人手与所述第一扬声器101之间的距离增大，由于所述指尖反射区10的反射面较小，因此指尖反射逐渐减弱，此将导致所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的指尖反射信号相应减弱；当距离增大到一定程度时，所述指尖反射信号可能太弱而无法被检测出来；而由于所述拳面反射区30的反射面较大，因此所述拳面反射信号的反射强度足够可以被检测出来。在这种情况下，所述指尖反射峰检测模块320在所述第一麦克风201的反射曲线和所述第二麦克风202的反射曲线均只能提取到单一的反射峰，即所述拳面反射峰PB。

由此可见，所述指尖反射峰检测模块320可以根据是否可以从第一麦克风201和所述第二麦克风202的反射曲线中提取到所述指尖反射峰PA，来判断所述第一麦克风201和所述第二麦克风202是否可以接收到所述指尖反射信号。

另外，用户执行非接触式操作时，其人手有可能是连续运动的，此时所述第一麦克风201和所述第二麦克风202的反射曲线的峰值变化也是连续的，因此所述指尖反射峰检测模块320同样可以根据指尖反射峰PA的变化曲线的连续程度，判断是否可以检测到所述指尖反射信号。

步骤S3，所述指尖与拳面反射路径提取模块330提取指尖反射路径时延DA₁₁和DA₁₂并计算出指尖反射路径长度S₁₁和S₁₂，以及提取拳面反射路径时延DB₁₁和DB₁₂。

具体地，如果在步骤S2中所述指尖反射峰检测模块320可以在所述第一麦克风201和所述第二麦克风202的反射曲线同时提取到所述指尖反射峰PA和所述拳面反射峰PB，则所述指尖与拳面反射路径提取模块330可以根据所述第一扬声器101发出的第一超声信号以及所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的指尖反射信号，通过时延估计算法，提取到所述指尖反射信号在所述第一麦克风201的反射路径时延DA₁₁和其在所述第二麦克风202的反射路径时延DA₁₂。

并且，根据所述指尖反射信号的反射路径时延DA₁₁和DA₁₂，所述指尖反射路径提取模块330可以进一步通过以下公式(1)和(2)计算出所述指尖反射信号的在所述第一麦克风201的反射路径长度S₁₁和其在所述第二麦克风202的反射路径长度S₁₂：

S₁₁=DA₁₁*c(1)

S₁₂=DA₁₂*c(2)

其中，c代表当前环境的声速。所述指尖反射路径时延DA₁₁和DA₁₂分别是指从所述第一扬声器101发出所述第一超声信号至所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到所述指尖反射信号的时延；所述指尖反射路径长度S₁₁是手指指尖与所述第一扬声器101和所述第一麦克风201的距离之和，所述反射路径长度S₁₂是手指指尖与所述第一扬声器101和所述第二麦克风202的距离之和。

与此同时，所述指尖与拳面反射路径提取模块330可以根据所述第一扬声器101发出的第一超声信号以及所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的拳面反射信号，通过时延估计算法，提取到当前所述拳面反射信号在所述第一麦克风201的反射路径时延DB₁₁和其在所述第二麦克风202的反射路径时延DB₁₂。所述拳面反射路径时延DB₁₁和DB₁₂分别是指从所述第一扬声器101发出所述第一超声信号至所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到所述拳面反射信号的时延。

步骤S4，所述手指长度提取模块350估算出手指长度F₁₁和F₁₂。

由于人手指尖与拳面的位置关系相对固定且紧凑，二者之间的距离即可以相当于手指长度，因此，所述手指长度提取模块350可以将所述指尖反射信号的反射路径长度与所述拳面反射信号的反射路径长度的差值的一半估算为所述手指长度。由于所述反射路径长度可以通过反射路径时延计算得到，因此在具体实施例中，所述手指长度提取模块350也可以直接由所述指尖反射信号和拳面反射信号的反射路径时延DA₁₁、DB₁₁、DA₁₂和DB₁₂计算出所述手指长度。

由于所述指尖定位***100同时配置了所述第一麦克风201和所述第二麦克风202，因此，根据所述指尖反射信号和所述拳面反射信号在所述第一麦克风201的反射路径时延DA₁₁和DB₁₁，以及二者在所述第二麦克风的反射路径时延DA₁₂和DB₁₂，可以分别估算出得到两个手指长度值F₁₁和F₁₂，具体如以下公式(5)和(6)所示：

F₁₁=(DB₁₁-DA₁₁)*c/2(5)

F₁₂=(DB₁₂-DA₁₂)*c/2(6)

在步骤S4中，所述手指长度F₁₁和F₁₂估算得到之后，可以先进行保存，在后续无法检测到所述指尖反射信号时，所述手指长度F₁₁和F₁₂可以用来对拳面反射信号的反射路径长度进行补偿以估算出所述指尖反射路径长度S₁₁和S₁₂。

步骤S5，所述拳面反射路径提取模块340提取拳面反射路径时延DB₁₁和DB₁₂并计算出拳面反射路径长度SB₁₁和SB₁₂。

具体地，如果在步骤S2中所述指尖反射峰检测模块320可以在所述第一麦克风201和所述第二麦克风202的反射曲线仅可以提取到所述拳面反射峰PB，所述拳面反射路径提取模块340可以根据所述第一扬声器101发出的第一超声信号以及所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的拳面反射信号，通过时延估计算法，提取到所述拳面反射信号在所述第一麦克风201的反射路径时延DB₁₁和其在所述第二麦克风202的反射路径时延DB₁₂。

并且，根据所述拳面反射信号的反射路径时延DB₁₁和DB₁₂，所述拳面反射路径提取模块340可以进一步通过以下公式(3)和(4)计算出所述拳面反射信号在所述第一麦克风201的反射路径长度SB₁₁和其在所述第二麦克风202的反射路径长度SB₁₂：

SB₁₁=DB₁₁*c(3)

SB₁₂=DB₁₂*c(4)

其中，所述反射路径长度SB₁₁是拳面与所述第一扬声器101和所述第一麦克风201的距离之和，所述反射路径长度SB₁₂是拳面与所述第一扬声器101和所述第二麦克风202的距离之和。

步骤S6，所述指尖反射路径估计模块360利用所述手指长度F₁₁和F₁₂来对所述拳面反射路径长度SB₁₁和SB₁₂进行补偿，并估算出所述指尖反射路径长度S₁₁和S₁₂。

比如，所述指尖反射路径估计模块360可以用所述拳面反射路径长度SB₁₁和SB₁₂减去所述手指长度F₁₁和F₁₂的两倍，来估算出所述指尖反射路径长度S₁₁和S₁₂。具体而言，一方面，所述指尖反射路径估计模块360可以根据所述拳面反射路径提取模块340计算出的所述拳面反射信号在所述第一麦克风201的反射路径长度SB₁₁，以及所述手指长度提取模块350从所述第一麦克风201的反射路径时延计算出的手指长度F₁₁，估算出所述指尖反射信号在所述第一麦克风201的反射路径长度S₁₁；另一方面，所述指尖反射路径估计模块360还可以根据所述拳面反射路径提取模块340计算出的所述拳面反射信号在所述第二麦克风202的反射路径长度SB₁₂，以及所述手指长度提取模块350从所述第二麦克风202的反射路径时延计算出的手指长度F₁₂，估算出所述指尖反射信号在所述第二麦克风202的反射路径长度S₁₂，具体如以下公式(7)和(8)所示：

S₁₁=SB₁₁–F₁₁*2(7)

S₁₂=SB₁₂–F1₂*2(8)

由此，在步骤S1～S6中，不管是否由于人手距离太远而无法检测到所述指尖反射信号，采用上述方案都可以得到所述指尖反射路径长度S₁₁和S₁₂。

步骤S7，所述第二扬声器102发射第二超声信号，所述第二超声信号在手指柱面反射区20反射之后形成手指柱面反射信号。

具体地，在所述参考三维坐标系中，位于XY平面的第二扬声器102可以向Z轴方向发射第二超声信号，所述第二超声信号传播到人手的手指柱面反射区20发生反射并形成超声反射信号，在此称为手指柱面反射信号。所述手指柱面反射信号可以被所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收。

步骤S8，所述手指柱面反射路径提取模块310提取手指柱面反射路径时延D₂₁和D₂₂并计算出手指柱面反射路径长度S₂₁和S₂₂。

具体地，所述手指柱面反射路径提取模块310可以根据所述第二扬声器102发出的第二超声信号以及所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到的手指柱面反射信号，通过时延估计算法，提取到所述手指柱面反射信号在所述第一麦克风201的反射路径时延D₂₁和其在所述第二麦克风202的反射路径时延D₂₂。

并且，根据所述手指柱面反射信号的反射路径时延D₂₁和DA₂₂，所述手指柱面反射路径提取模块310可以进一步通过以下公式(9)和(10)计算出所述手指柱面反射信号的在所述第一麦克风201的反射路径长度S₂₁和其在所述第二麦克风202的反射路径长度S₂₂：

S₂₁=D₂₁*c(9)

S₂₂=D₂₂*c(10)

其中，当人手在指定的区域内移动时，手指柱面反射以邻近指尖区域的部分为主。所述手指柱面反射路径时延D₂₁和DA₂₂分别是指从所述第二扬声器102发出所述第二超声信号至所述第一麦克风201和所述第二麦克风202接收到所述手指柱面反射信号的时延；所述反射路径长度S₂₁是手指柱面与所述第二扬声器102和所述第一麦克风201的距离之和，所述反射路径长度S₂₂是手指柱面与所述第二扬声器102和所述第二麦克风202的距离之和。

步骤S9，所述指尖坐标计算模块370根据所述指尖反射路径长度S₁₁和S₁₂以及所述手指柱面反射路径长度S₂₁和S₂₂，计算出所述手指指尖的三维坐标(x,y,z)。

其中，所述指尖反射信号的反射路径长度S₁₁和S₁₂可以从所述指尖反射路径提取模块330或所述指尖反射路径估计模块360得到。由于所述指尖反射信号的反射路径长度S₁₁为所述手指指尖与所述第一扬声器101和所述第一麦克风201的距离之和，所述指尖反射信号的反射路径长度S₁₂为所述手指指尖与所述第二扬声器102和所述第二麦克风202的距离之和，而所述手指柱面反射信号的反射路径长度S₂₁可以被视为所述手指指尖与所述第二扬声器102和所述第一麦克风201的距离之和，所述手指柱面反射信号的反射路径长度S22可以被视为所述手指指尖与所述第二扬声器102和所述第二麦克风202的距离之和，因此，根据空间中三个椭圆相交于一点的几何原理，基于S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂便可以计算出所述手指指尖的三维坐标(x,y,z)。

具体地，所述指尖坐标计算模块370可以首先从S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂中任取三个值分别作为S_ab、S_cd、S_ef，比如可以选取S_ab=S₁₁，S_cd=S₁₂，S_ef=S₂₁，代入以下三维椭圆方程组，求解得到三个椭圆的相交点坐标(x₁,y₁,z₁)：

$\sqrt{{x_1-m_a)}^2+{(y_1-n_a)}^2+{(z_1-p_a)}^2}+\sqrt{{(x_1-m_b)}^2+{(y_1-n_b)}^2+{(z_1-p_b)}^2}=S_{\mathrm{ab}}$

$\sqrt{{x_1-m_c)}^2+{(y_1-n_c)}^2+{(z_1-p_c)}^2}+\sqrt{{(x_1-m_d)}^2+{(y_1-n_d)}^2+{(z_1-p_d)}^2}=S_{\mathrm{cd}}$

$\sqrt{{x_1-m_e)}^2+{(y_1-n_e)}^2+{(z_1-p_e)}^2}+\sqrt{{(x_1-m_f)}^2+{(y_1-n_f)}^2+{(z_1-p_f)}^2}=S_{\mathrm{ef}}$

其中，(m,n,p)表示所述椭圆的焦点，也是就是所述第一扬声器101、第二扬声器102、第一麦克风201、第二麦克风202中某个单元的空间坐标。

考虑到手指指尖是一个物体，而不是一个理想点，因此，为进一步提高手指指尖的坐标的精确性，所述指尖坐标计算模块370在计算得到所述坐标(x₁,y₁,z₁)之后，可以进一步选取S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂进行其他组合方式来作为S_ab、S_cd、S_ef并代入上述三维椭圆方程组，总共四种组合可以计算得到四个相交点坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)。最后，对所述四个相交点坐标求算术平均值来作为所述手指指尖的三维坐标(x,y,z)，即

x=(x₁+x₂+x₃+x₄)/4

y=(y₁+y₂+y₃+y₄)/4

z=(z₁+z₂+z₃+z₄)/4

应当理解，在具体实施例，上述指尖定位方法的各个步骤并没有严格的顺序关系，比如，步骤S7和S8可以在步骤S1～S6之前执行或者与步骤S1～S6同步执行。另一方面，虽然在上述实施例中，所述手指柱面反射路径提取模块310、指尖反射峰检测模块320、指尖反射路径提取模块330、拳面反射路径提取模块340、手指长度提取模块350、指尖反射路径估计模块360和指尖坐标计算模块370等是作为所述处理器300的软件模块，在其他替代实施例中，上述模块310-370的部分或全部也可以为硬件模块。

本发明提供的指尖定位方法和***，在人手距离较远而无法检测到指尖反射信号时可以利用手指长度来补偿拳面反射信号的反射路径信息，从而估算出指尖反射信号的反射路径信息，并结合手指柱面反射信号的反射路径信息来计算得到手指指尖的位置坐标。因此，采用本发明提供的指尖定位方法和***可以实现远距离的手指指尖定位，可以有效扩展超声手势识别方案的应用范围。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种指尖定位***，其特征在于，包括第一超声发射器件、第二超声发射器件、超声接收装置阵列、指尖反射峰检测模块、指尖与拳面反射路径提取模块、手指长度提取模块、拳面反射路径提取模块、指尖反射路径估计模块、手指柱面反射路径提取模块以及指尖坐标计算模块，其中，

所述第一超声发射器件，用于发射第一超声信号；

所述第二超声发射器件，用于发射第二超声信号；

所述超声接收装置阵列，包括所述第一超声接收器件和第二超声接收器件，用于接收所述第一超声信号和第二超声信号在人手发生反射而形成的超声反射信号；

所述指尖反射峰检测模块，用于判断是否接收到第一超声信号在手指指尖发生反射而形成的指尖反射信号；

所述指尖与拳面反射路径提取模块，用于在检测到所述指尖反射信号时，提取所述第一超声信号在指尖和拳面发生分别反射而形成的指尖反射信号的反射路径时延和拳面反射信号的反射路径时延，并计算所述指尖反射信号的反射路径长度；

所述手指长度提取模块，用于根据所述指尖与拳面反射路径提取模块得出的指尖反射信号的反射路径长度和拳面反射信号的反射路径长度估算出手指的长度；

所述拳面反射路径提取模块，用于在未检测到所述指尖反射信号时，提取所述第一超声信号在拳面发生反射而形成的拳面反射信号的反射路径时延，并计算所述拳面反射信号的反射路径长度；

所述指尖反射路径估计模块，用于利用手指长度补偿所述拳面反射信号的反射路径长度，估算出所述指尖反射信号的反射路径长度；

所述手指柱面反射路径提取模块，用于提取第二超声信号在手指柱面发生反射而形成的手指柱面反射信号的反射路径时延，并计算出所述手指柱面反射信号的反射路径长度；

所述指尖坐标计算模块，用于根据所述指尖反射信号的反射路径长度、拳面反射信号的反射路径长度以及所述手指柱面反射信号的反射路径长度，计算出手指指尖的坐标。

2.如权利要求1所述的指尖定位***，其特征在于，所述第一超声信号和所述第二超声信号由分别设置在参考三维坐标系两个相互正交的轴线的第一超声发射器件和第二超声发射器件发射，且所述参考三维坐标系还设置有用来接收所述第一超声信号和所述第二超声信号在人手发生反射而形成的超声反射信号超声接收装置阵列。

3.如权利要求2所述的指尖定位***，其特征在于，所述第一超声发射器件设置在参考三维坐标系的Z轴正向，且其超声信号发射方向为X轴正向；所述第二超声发射器件设置在所述参考三维坐标系的X轴正向，且其超声信号发射方向为Z轴正向；所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件设置在所述参考三维坐标系的Y轴。

4.如权利要求3所述的指尖定位***，其特征在于，所述第一超声发射器件与第二超声发射器件分别为第一扬声器与第二扬声器，所述第一超声接收器件与第二超声接收器件分别为第一麦克风与第二麦克风。

5.一种指尖定位方法，其特征在于，包括：

发出第一超声信号和第二超声信号；

判断是否检测到第一超声信号在手指指尖发生反射而形成的指尖反射信号；

如检测到所述指尖反射信号，则提取所述第一超声信号在指尖和拳面发生分别反射而形成的指尖反射信号的反射路径时延和拳面反射信号的反射路径时延，计算所述指尖反射信号的反射路径长度，并由此估算出手指的长度；

如未检测到所述指尖反射信号，则提取所述第一超声信号在拳面发生反射而形成的拳面反射信号的反射路径时延，计算所述拳面反射信号的反射路径长度，并利用手指补偿估算出所述指尖反射信号的反射路径长度；

提取第二超声信号在手指柱面发生反射而形成的手指柱面反射信号的反射路径时延，并计算出所述手指柱面反射信号的反射路径长度；

根据所述指尖反射信号的反射路径长度、拳面反射路径长度以及所述手指柱面反射信号的反射路径长度，计算出手指指尖的坐标。

6.如权利要求5所述的指尖定位方法，其特征在于，所述第一超声信号和所述第二超声信号由分别设置在参考三维坐标系两个相互正交的轴线的第一超声发射器件和第二超声发射器件发射，且所述参考三维坐标系还设置有用来接收所述第一超声信号和所述第二超声信号在人手发生反射而形成的超声反射信号超声接收装置阵列。

7.如权利要求6所述的指尖定位方法，其特征在于，所述超声接收装置阵列包括第一超声发射器件和第二超声发射器件，所述第一超声发射器件设置在参考三维坐标系的Z轴正向，且其超声信号发射方向为X轴正向；所述第二超声发射器件设置在所述参考三维坐标系的X轴正向，且其超声信号发射方向为Z轴正向；所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件设置在所述参考三维坐标系的Y轴。

8.如权利要求5所述的指尖定位方法，其特征在于，所述判断是否检测到所述第一超声信号在手指指尖发生反射而形成的指尖反射信号的方法是：

根据所述第一超声接收器件和第二超声接收器件接收到超声反射信号，结合所述第一超声发射器件发射的第一超声信号，运算得到所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件的反射曲线；

检测所述第一超声接收器件和所述第二超声接收器件的反射曲线是否包括两个反射峰，如果是，判断出所述指尖反射信号和所述拳面反射信号同时被检测到，否则，判断出只检测到所述拳面反射信号。

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