TWI553509B - 手勢控制系統及方法 - Google Patents

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莊志遠
盧志德
楊榮浩
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Description

手勢控制系統及方法
本發明涉及一種電子裝置控制系統及方法，特別是關於一種通過手勢控制電子裝置的系統及方法。
目前許多電子裝置都可通過手勢、聲控等非接觸式的指令進行控制。當同一空間出現多個可接受手勢控制的電子裝置存在時，例如，客廳中的電視，空調系統或影音播放設備等，而為了貼近使用者手勢操控習慣，可能該多種電子裝置都採用相同的手勢控制，例如順時針畫圓可調高空調溫度，也可調高影音播放設備音量，為避免誤操作，需要提供一種確定被控物件的方法。
鑒於以上內容，有必要提供一種手勢控制系統及方法，能夠在多個可接收手勢控制的電子裝置存在時確定手勢控制對象。
一種手勢控制系統，運行於一手勢控制裝置中，該手勢控制裝置與至少兩個電子裝置相連，每一電子裝置裝設有一攝像機，所述的手勢控制系統包括：獲取模組，用於從每一攝像機獲取具有深度資訊的包括手勢的圖像；座標確定模組，用於根據所獲取的包括手勢的圖像確定三維座標系，並確定該三維座標系中手勢的起始端座標、手勢的結束端座標；計算模組，用於根據所確定的手勢起始端座標值、手勢結束端座標值、各攝像機中心點座標值計 算手勢結束端所在垂直軸到手勢起始端與手勢結束端連線的第一角度的角度值與方向，計算各攝像機中心點所在垂直軸到各攝像機中心點與手勢起始端之間的連線的第二角度的角度值與方向；及確定模組，用於根據該第二角度與第一角度的角度值與方向確定手勢控制對象，具體為：確定與第一角度同向的第二角度與第一角度的絕對差值，與第一角度的絕對差值最小的第二角度對應的電子裝置為被手勢控制對象。
一種手勢控制方法，包括：獲取步驟：從分別設置在一電子裝置上的至少兩攝像裝置所拍攝的包括手勢的影像；座標確定步驟：根據所獲取的包括手勢的圖像確定三維座標系，並確定該三維座標系中手勢的起始端座標、手勢的結束端座標；計算步驟：根據所確定的手勢起始端座標值、手勢結束端座標值、各攝像機中心點座標值計算手勢結束端所在垂直軸到手勢起始端與手勢結束端連線的第一角度的角度值與方向，計算各攝像機中心點所在垂直軸到各攝像機中心點與手勢起始端之間的連線的第二角度的角度值與方向；及確定步驟：根據該第二角度與第一角度的角度值與方向確定手勢控制對象，具體為：確定與第一角度同向的第二角度與第一角度的絕對差值，與第一角度的絕對差值最小的第二角度對應的電子裝置為被手勢控制對象。
相較于現有技術，本發明所述的手勢控制系統及方法能夠在多個可接收手勢控制的電子裝置存在時確定手勢控制對象，以免造成誤操作。
1000‧‧‧通訊系統
2,3,4,5‧‧‧電子裝置
1,13‧‧‧手勢控制裝置
20,30,40,50‧‧‧攝像機
O 1,O 2,O 3,O 4‧‧‧攝像機中心
R 1,R 2‧‧‧攝像機拍攝範圍
10‧‧‧手勢控制系統
101‧‧‧獲取模組
102‧‧‧座標確定模組
103‧‧‧計算模組
104‧‧‧確定模組
11‧‧‧記憶體
12‧‧‧處理器
θ 1,θ 11‧‧‧第一角度
θ 2,θ 3,θ 4,θ 5‧‧‧第二角度
S,S 1‧‧‧手勢起始端
E,E 1‧‧‧手勢結束端
圖1是本發明較佳實施例的手勢控制裝置運行環境示意圖。
圖2是本發明手勢控制裝置的較佳實施例的模組圖。
圖3是本發明確定手勢控制對象的一較佳實施例的示意圖。
圖4是本發明確定手勢控制對象的另一較佳實施方式的示意圖。
圖5是本發明手勢控制方法的較佳實施例的流程圖。
圖1示出了本發明的手勢控制裝置的較佳實施例的運行環境示意圖。多個電子裝置(如圖中電子裝置2與電子裝置3)，例如電視、空調、影音播放設備、監視器、電腦等，與一手勢控制裝置1通過網際網路或廣域網路(Wide Area Network,WAN)或局域網或有線等方式進行連接。所述電子裝置2、3分別包括一攝像裝置20、30。所述攝像裝置20、30為深度攝像機，用於拍攝有效範圍(如圖中第一拍攝範圍R 1、第二拍攝範圍R 2)內的手勢圖像，所述電子裝置2、3根據該拍攝所得的手勢圖像控制其自身運作。該手勢控制裝置1可為一伺服器，也可內嵌在所述電子裝置2或電子裝置3內。當內嵌在所述電子裝置2或電子裝置3內時，所述控制裝置可為所述電子裝置2或電子裝置3內的一晶片或控制系統，也可為獨立於所述電子裝置2或電子裝置3且與所述電子裝置2或電子裝置3通信連接的裝置，譬如：電視機的機上盒。
圖2示出了本發明手勢控制裝置的較佳實施例的示意圖。在該實施例中，所述手勢控制裝置1可包括，但不限於，記憶體11和處理器12。記憶體11可為所述手勢控制裝置1的內部存儲單元，例如，硬碟或記憶體，也可為插接式存儲裝置，例如：插接式硬碟，智慧存儲卡(Smart Media Card,SMC)，安全數位(Secure Digital,SD)卡，快閃記憶體卡(Flash Card)。所述記憶體11也可既包括內部存儲單元也包括插接式存儲裝置。所述處理器12可為一中央處理器(Central Processing Unit,CPU)，微處理器或其他資料處理晶片。
手勢控制系統10安裝並運行於所述電子裝置1中。在本實施例中，所述的手勢控制系統10包括，但不僅限於，獲取模組101、計算模組102，判斷模組103，及確定模組104。本發明所稱的功能模組是指一種能夠被手勢控制裝置1的處理器12所執行並且能夠完成固定功能的一系列程式指令段，其存儲於手勢控制裝置1的記憶體11中。
所述獲取模組101可用於從電子裝置2或電子裝置3各自的深度攝像機20、30獲取所拍攝的具有深度資訊的影像。在至少一實施例中，所述深度攝像機20、30僅在其拍攝範圍內出現手勢操作時才將所拍攝影像傳送至所述獲取模組101。所拍攝的手勢影像包括多幅，根據多幅圖像中手勢的不同位置確定手勢的運動。
所述座標確定模組102用於根據所獲取的影像建立座標系，計算攝像機垂直軸座標，攝像機中心點座標、手勢起始端與手勢結束端座標。其中所獲取的影像的深度資訊作為Z軸，所獲取影像的平面座標作為X軸和Y軸。所述手勢起始端和手勢結束端是指影像中手上某一特定點在手勢開始時的位置及手勢結束時的位置。手勢結束通常以某一特定時長範圍內手停止動作作為判斷標準。
所述計算模組103用於計算從手勢結束端所在垂直軸到手勢起始端與手勢結束端之間連線的第一角度，如圖3、4中的角度θ 1、 θ 11，從攝像機中心點垂直軸到手勢起始端與攝像機中心點之間連線的第二角度。當存在多個攝像機時，從多個攝像機中心點分別到手勢起始端與各攝像機中心點的連線的第二角度包括多個，如圖3、4中的角度θ 2與θ 3。
所述確定模組104用於根據所計算的第一角度與第二角度確定手勢控制對象。如下結合圖3和圖4具體說明所述所述計算模組103及確定模組104的工作原理。
參圖3所示，所述控制裝置1與第一電子裝置2和第二電子裝置3通信連接。所述第一電子裝置2和第二電子裝置3分別包括一第一攝像機20和第二攝像機30。所述第一攝像機20具有中心點O 1，所述第二攝像機具有中心點O 2。當手勢出現在圖中所示區域時，所述攝像機20、30拍攝所述手勢的影像。所述手勢控制裝置1的座標確定模組102根據所拍攝的影像確定攝像機座標系。在本實施例中，所述座標確定模組102針對每一攝像機拍攝的圖像分別建立座標系，即第一攝像機20和第二攝像機分別具有一座標系，並根據各攝像機的座標系來計算各攝像機中心點所在垂直軸到各攝像機中心點與所述手勢起始端之間的連線的第二角度θ 2與θ 3。
為計算所述第一角度與第二角度的角度值，所述計算模組可先根據兩點的座標確定兩點之間的連線的方向向量，再根據兩個線條的方向向量確定兩個線條之間的角度。根據兩點的座標確定兩點之間的連線的方向向量以手勢開始端S與手勢結束端E為例 說明如下：假設手勢起始端S點座標為(x 1,y 1,z 1)，手勢結束端E點座標為(x 2,y 2,z 2)，則根據座標計算S、E連線的方向向量為：((x 2-x 1),(y 2-y 1),(z 2-z 1))。同樣地，假設第一攝像機20的攝像機中心點O 1座標為(x 0,y 0,0)，則O 1與S之間連線的方向向量為可表示為：((x 1-x 0),(y 1-y 0),z 1)。所述攝像機中心點O 1所在的垂直軸的方向向量可為(0,0,1)，所述手勢結束點E點所在的垂直軸的方向向量為(0,0,1)。
根據兩個線條的方向向量確定兩個線條之間的角度，可參照三維空間中兩線條之間的角度A的計算公式：CosA=V 1．V 2/(V 1|*|V 2|)，其中V 1與V 2分別為兩線條的方向向量，V 1=(a 1,b 1,c 1)，V 2=(a 2,b 2,c 2)，V 1．V 2=(a 1,b 1,c 1)．(a 2,b 2,c 2)=a 1*a 2+b 1*b 2+c 1*c 2，
由此可得cos θ 1=((x 2-x 1),(y 2-y 1),(z 2-z 1))．(0,0,1)/(|((x 2-x 1),(y 2-y 1),(z 2-z 1))|*|(0,0,1)|)，其中
cos θ 2=((x 1-x 0),(y 1-y 0),(z 1-z 0))．(0,0,1)/(|((x 1-x 0),(y 1-y 0),(z 1-z 0))|*|(0,0,1)|)，其中
θ 3的計算方式與θ 2的計算方式類同，不再贅述。
所述計算模組103根據點的座標來確定角度方向。參圖3所示，從E所在的垂直軸到S、E之間的連線的角度，由於E點所在的垂直軸的座標在X軸與Y軸的座標值不變，即都為(x 2,y 2)，且x 2>x 1，故從E點所在的垂直軸到S、E之間的連線的角度θ 1的方向為逆時針方向。同理，由於S點X軸座標值大於第一攝像機垂直軸中心點O 1的X軸座標值，故從第一攝像機垂直軸到S點與第一攝像機垂直軸中心點O 1的連線之間的角度θ 2的方向為逆時針；由於S點X軸座標值小於第二攝像機垂直軸中心點O 2的X軸座標值，故從第二攝像機垂直軸到S點與第二攝像機垂直軸中心點O 2的連線之間的角度θ 3的方向為順時針方向。
參圖4所示，由於E 1點X軸座標值大於S 1點X軸座標值， 故E 1點所在的垂直軸到S 1、E 1之間的連線的角度θ 11的方向為逆時針方向；由於S 1點X軸座標值大於第一攝像機垂直軸中心點O 3的X軸座標值，故從第一攝像機垂直軸到S 1點與第一攝像機垂直軸中心點O 3的連線之間的角度θ 4的方向為逆時針；由於S 1點X軸座標值大於第二攝像機垂直軸中心點O 4的X軸座標值，故從第二攝像機垂直軸到S 1點與第二攝像機垂直軸中心點O 4之間的連線之間的角度θ 5的方向為逆時針方向。
參閱圖5所示，是本發明手勢控制方法的較佳實施例的流程圖。該手勢控制方法可被圖1中的手勢控制裝置所執行。根據不同需求，該流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略或合併。
步驟502，所述手勢控制裝置的獲取模組101從各深度攝像機獲取具有深度資訊的影像。所述影像包括多幅，分別包括有手勢起始點與手勢結束點的影像。
步驟503，所述手勢控制裝置的座標確定模組102根據所獲取的影像建立座標系統，計算深度攝像機垂直軸。具體地，所述攝像機所拍攝的圖像中，深度資訊作為Z軸，其中攝像機中心點Z軸值為0。所述攝像機中心點座標可設為(x 0,y 0,z 0)，攝像機中心點的垂直軸的方向向量可表示為(0,0,1)。
步驟506，所述座標確定模組102確定所述手勢起始端S與手勢 結束端E的座標。確定手勢起始端與結束端時，可以是手上的某一特定點，譬如手指指尖或手掌心或手的中心點等來確定手勢起始端與手勢結束端。當圖像中第一次出現手勢時手上該特定點的位置為手勢起始端，手勢停頓超過預定時長時該手上特定點的位置即為手勢結束端。根據確定的座標系來計算手勢起始端與手勢結束端的座標值。
步驟508，所述計算模組103根據上述座標值計算從手勢結束端E所在的垂直軸到手勢起始端S與手勢結束端E之間的連線的第一角度的角度值與角度方向，如圖3中的θ 1與圖4中的θ 11。具體地，所述計算模組103根據所述手勢起始端S與所述手勢結束端E的X軸座標值確定該第一角度的方向，如果所述手勢結束端E的X軸座標值大於所述手勢起始端的X軸座標值，則所述第一角度的方向為逆時針方向；反之，如果如果所述手勢結束端E的X軸座標值小於所述手勢起始端的X軸座標值，則所述第一角度的方向為順時針方向。
步驟510，所述計算模組103根據上述座標值計算各各攝像機中心點與手勢起始端S的連線的方向向量。所述連線的方向向量的計算參上所述。
步驟512，所述計算模組103根據所計算得到的連線的方向向量計算各攝像機中心點垂直軸到各連線的第二角度的角度值與方向。具體地，所述計算模組103根據各攝像機中心點的X軸座標值與手勢起始端S點的X軸座標值的大小判斷第二角度的方向 。如圖3所示，當攝像機中心點的X軸座標值大於手勢起始端S點座標值時，所述第二角度方向為順時針方向，如圖3中的角度θ 2、θ 3，圖4中的角度θ 21；反之，如果攝像機中心點的X軸座標值小於手勢起始端S點座標值時，所述第二角度方向為逆時針方向，如圖4中的角度θ 31，所述計算模組103根據各攝像機中心點的座標與手勢起始端S點的座標確定各攝像機中心點與手勢起始端S點之間連線的方向向量，再根據該方向向量確定所述第二角度的角度值。具體計算方法參上述說明。
步驟514，所述確定模組104判斷所有第二角度中是否有至少兩個第二角度與第一角度方向相同，即同為逆時針或順時針方向。如果至少有兩個第二角度與第一角度方向相同，則進入步驟516，否則進入步驟522。
步驟516，所述確定模組104確定與第一角度的絕對差值最小的第二角度。具體地，先計算各第二角度與第一角度的絕對差值，然後比較各絕對差值的大小，確定最小的絕對差值及其對應的第二角度。
步驟518，所述確定模組104判斷該最小的絕對差值是否小於一預定誤差值δ，如果該最小的絕對差值小於該預定誤差值δ，則進入步驟520，否則流程結束。
步驟520，所述確定模組104確定該最小的絕對差值對應的第二角度對應的電子裝置為被手勢控制對象。
步驟522，所述確定模組104判斷是否有一個第二角度與第一角度同向，如果有，則進入步驟524，否則流程結束。
步驟524，所述確定模組104判斷所述與第一角度同向的第二角度與第一角度的絕對差值是否小於所述預定誤差值δ，如果與第一角度同向的第二角度與第一角度的絕對差值小於所述預定誤差值δ，流程進入步驟526，否則流程結束。
步驟526，所述確定模組104判斷所述與第一角度同向的第二角度對應的電子裝置為被手勢控制對象。
本發明的手勢控制系統及方法，通過對手勢的具有深度資訊的影像。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換都不應脫離本發明技術方案的精神和範圍。
1‧‧‧手勢控制裝置
10‧‧‧手勢控制系統
101‧‧‧獲取模組
102‧‧‧座標確定模組
103‧‧‧計算模組
104‧‧‧確定模組
11‧‧‧存儲器
12‧‧‧處理器

Claims (10)

  1. 一種手勢控制系統，運行於一手勢控制裝置中，該手勢控制裝置與至少兩個電子裝置相連，每一電子裝置裝設有一攝像機，所述的手勢控制系統包括：獲取模組，用於從每一攝像機獲取具有深度資訊的包括手勢的圖像；座標確定模組，用於根據所獲取的包括手勢的圖像確定三維座標系，並確定該三維座標系中手勢的起始端座標、手勢的結束端座標；計算模組，用於根據所確定的手勢起始端座標值、手勢結束端座標值及各攝像機中心點座標值，計算從手勢結束端所在的垂直軸到手勢起始端與手勢結束端之間的連線的第一角度的角度值與方向，計算從各攝像機中心點所在的垂直軸到各攝像機中心點與手勢起始端之間的連線的第二角度的角度值與方向；及確定模組，用於根據該第二角度與第一角度的角度值與方向確定手勢控制對象，具體為：確定與第一角度同向的第二角度與第一角度的絕對差值，與第一角度的絕對差值最小的第二角度對應的電子裝置為被手勢控制對象。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的手勢控制系統，所述計算模組根據所述手勢起始端X軸座標值的相對大小確定第一角度的方向：手勢起始端X軸座標值大於手勢結束端X，所述第一方向為順時針方向；手勢起始端X軸座標值小於手勢結束端X軸座標值時，所述第一方向為逆時針方向。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的手勢控制系統，所述計算模組計算所述第一角度和第二角度值包括：根據兩點之間的座標值確定兩點之間連線的方 向向量及根據兩連線的方向向量計算兩連線之間的夾角。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的手勢控制系統，所述計算模組根據兩點座標計算兩點之間的連線的方向向量為：((x 2-x 1),(y 2-y 1),(z 2-z 1))其中兩點座標分別為(x 1,y 1,z 1)，(x 2,y 2,z 2)。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的手勢控制系統，所述計算模組根據線條的方向向量確定兩線條之間的角度A，其公式為：CosA=V 1．V 2/(V 1|*|V 2|)，其中V 1，V 2分別為兩線條的方向向量，V 1=(a 1,b 1,c 1)，V 2=(a 2,b 2,c 2)。
  6. 一種手勢控制方法，所述的手勢控制方法包括：獲取步驟：從分別設置在至少兩電子裝置上裝設的攝像機所拍攝的包括手勢的影像；座標確定步驟：根據所獲取的包括手勢的圖像確定三維座標系，並確定該三維座標系中手勢的起始端座標、手勢的結束端座標；計算步驟：根據所確定的手勢起始端座標值、手勢結束端座標值及各攝像機中心點座標值，計算從手勢結束端所在的垂直軸到手勢起始端與手勢結束端之間的連線的第一角度的角度值與方向，計算從各攝像機中心點所在的垂直軸到各攝像機中心點與手勢起始端之間的連線的第二角度的角度值與方向；及確定步驟：根據該第二角度與第一角度的角度值與方向確定手勢控制對象，具體為：確定與第一角度同向的第二角度與第一角度的絕對差值，與第一角度的絕對差值最小的第二角度對應的電子裝置為被手勢控制對象。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的手勢控制方法，所述計算步驟包括根據所述 手勢起始端X軸座標值與手勢結束端X軸座標值的相對大小確定第一角度的方向：手勢起始端X軸座標值大於手勢結束端X軸座標值時，所述第一方向為順時針方向；手勢起始端X軸座標值小於手勢結束端X軸座標值時，所述第一方向為逆時針方向。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的手勢控制方法，所述計算步驟中計算所述第一角度和第二角度值包括：根據兩點之間的座標值確定兩點之間連線的方向向量及根據兩連線的方向向量計算兩連線之間的夾角。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的手勢控制方法，其中根據兩點座標計算兩點之間的連線的方向向量為：((x 2-x 1),(y 2-y 1),(z 2-z 1))，其中兩點座標分別為(x 1,y 1,z 1)，(x 2,y 2,z 2)。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的手勢控制方法，根據線條的方向向量確定兩線條之間的角度A，其公式為：CosA=V 1．V 2/(V 1|*|V 2|)，其中V 1，V 2分別為兩線條的方向向量，V 1=(a 1,b 1,c 1)，V 2=(a 2,b 2,c 2)。
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