在繁忙、嘈杂的环境中轻松采用非接触式手势识别界面

在这场疫情之前，手势识别便已作为一种辅助手段在为视力障碍者提供协助，同时还被应用于游戏平台、汽车以及医疗手术室。疫情期间人们对公共空间卫生的日益重视定加强了这一应用趋势，因为大家都希望尽可能地避免使用公共触控界面。

这种变化给工程师们带来了不小的挑战：由于大量技术依赖于大规模人机交互，如果在多数情况下都要尽力避免物理接触，就很难维持这种交互。非接触式界面技术提供了解决方案。

目前有几种已经在使用的非接触式方法，包括近距离触摸屏（手指接近但并不实际接触屏幕做出动作即可实现操控目的）、眼球追踪、短程无线技术以及语音识别。但这些不同的技术曾经仅限于专业应用领域，例如始终需要控制感染风险的医疗设施、操作人员习惯性佩戴手套的工业工作场所，以及需要额外安全保障方能被授权进入的地点。对于大多数其他应用来说，安装一个触控面板更简单，成本也更低。

由于非接触式界面是一种相对小众的技术，因此发展缓慢，而且解决方案往往也比较笨重，不适合人流密集的地方。疫情催生了新一波非接触式界面产品的创新风潮，其中部分产品经证实很适合应用在繁忙的街道或嘈杂的公共空间，包括城市中心和酒店门厅等等，不一而足。

为何要使用非接触式手势识别？

每种非接触式技术都各有优势，但非接触式手势识别可以说最适合在公共场所大规模使用。这种技术不需要像近距离触控技术那样小心翼翼控制手指的位置，也不用像短程无线技术那样携带触控卡片或遥控器，更不用像使用语音识别时那样大声说话，以盖过嘈杂环境下的噪音。手势识别的实施也相对简单和经济，且具有良好的可靠性。

非接触式手势识别系统会搜寻身体动作，如挥手或滑动，然后将这些动作解读为指令或命令。这种技术的原理是利用摄像头、可见光或红外线 (IR) 光线传感器，检测空气中的光线因手部动作而产生的变化。

虽然完成新设计并使其顺利运作会需要几个设计周期，但设计师应该能够察觉，他们无需从零开始设计。例如，Analog Devices 就为低成本的手势识别系统提供了一种实用的参考设计。EVAL-CN0569-PMDZ 手势传感器 Pmod 评估板可在两个 IR 传感器搜寻手部动作反射的同时，发射 IR 脉冲（图 1）。然后，该参考设计将检测这种光线，并根据物体的位置生成响应。

图 1：EVAL-CN0569-PMDZ 手势传感器 Pmod 评估板是开展试验或新设计的良好起点；IR LED 会在两个 IR 传感器搜寻手部动作反射的同时，发射 IR 脉冲。（图片来源：Analog Devices）

追踪手势

系统如果只能检测到非接触式界面附近的空间有手在挥动是不够的。大多数系统需要能识别手部的动作模式，以避免触发错误指令。典型的手部动作模式包括检测手势的起始动作、追踪手势过程中的手部动作，并识别手势的结束动作。

手势传感器评估板使用 Analog Device 的 ADPD2140 IR 光线角度传感器来采集手部移动时的光线变化，从而满足了这一要求。单个器件可以对 IR 光线入射角进行双轴、单点测量，然后由多个器件协同工作对距离进行三角测量。不仅如此，由于 IR 光线角度传感器是在较宽的 (±35°) 视场角内保持线性响应，因此不会识别未精准对齐的手部位置。

使用 ADPD2140 IR 光线角度传感器的另一个关键优势是，该器件有一个内置滤光片，可以严格截止可见光。如此便无需安装外部镜片，并保留了传感器在阳光下或室内照明环境下的动态范围。滤光片用于过滤 800 纳米 (nm) 以下波长的光，因此产生 IR 脉冲的 LED 必须发出高于此波长的光，才能识别到手势。例如，在参考设计中，以 850 nm 的单一发射器作为 IR 光源。该光源与第一个传感器的距离为 6 毫米 (mm)，与第二个传感器的距离为 19 毫米 (mm)（图 2）。

图 2：在 EVAL-CN0569-PMDZ 参考设计中，以 850 nm 的单一发射器作为 IR 光源。该光源与第一个传感器的距离为 6 mm，与第二个传感器的距离为 19 mm。（图片来源：Analog Devices）

请关闭灯光

在停车场售票机这样的应用场景中，只需将手在传感器前移动就足以激活机器。但其他应用情况可能需要单独的手部动作来执行不同的操作。举例来说，非接触式的灯光开关可能需要手部向上挥动来开启灯光、向下挥动来关闭灯光。

通过使用两个传感器，参考板就能确定手部通过各传感器锥形探测范围时的动作。不仅如此，这两个传感器还能确定做出的是哪种手部动作。举例来说，传感器可以追踪手部往上挥动的动作，并轻易区分其与向下挥动之间的差别（图 3）。

图 3：评估板的红外传感器检测到手部做出先“向上”、再“向下”动作的角度位置。请注意水平角度动作（蓝色的 XSTART1 > XEND1 和 XSTART2 > XEND2）如何受到限制，而垂直角度动作（紫色的 YSTART1 > YEND1 和 YSTART2 > YEND2）的角度位置在向上时增加，向下时则减少。（图片来源：Analog Devices）

下一步是将评估板连接到计算机上，观察特定手势是如何在屏幕上显示的。然后，这些手势可以分别在相关的开发平台内进行编码，以指示非接触式界面执行某种功能。

结语

非接触式手势识别界面设计非常适合嘈杂和拥挤的公共场所，因为这可以满足以更卫生的方式与电子系统交互的需求。如上所述，这并不需要从头开始设计。相反，可以借助 EVAL-CN0569-PMDZ 手势传感器 Pmod 评估板，从相对便宜的 IR LED 和传感器设计开始着手，该设计不仅能检测手部运动，还可以分辨特定手势。