接近手勢操作檢測在汽車人機(jī)界面領(lǐng)域的應(yīng)用

 電容式接近傳感器普遍用于檢測傳感器近距離處是否存在用戶。通過檢測，當(dāng)感應(yīng)到有用戶存在后，我們即可選擇背光發(fā)光來凸顯特定按鈕，或者將系統(tǒng)從低功耗運(yùn)行模式下喚醒。具體就汽車應(yīng)用而言，當(dāng)電容式接近傳感器感應(yīng)到用戶在車內(nèi)時(shí)會(huì)打開車廂燈光，或激活無鑰匙車門解鎖系統(tǒng)。除了感應(yīng)傳感器附近是否存在用戶之外，我們還能通過適當(dāng)放置的多個(gè)接近傳感器來識(shí)別空中的簡單手勢。所有傳感器的數(shù)據(jù)能夠結(jié)合在一起，從而映射出傳感器鄰近區(qū)域中用戶的手勢操作。這些手勢可用來給系統(tǒng)提供輸入信息，包括控制媒體播放機(jī)、進(jìn)行地圖導(dǎo)航或者瀏覽播放列表等。

我們可適當(dāng)放置多個(gè)接近傳感器，使其相互之間留出適當(dāng)?shù)木嚯x。當(dāng)手劃過傳感器時(shí)，每個(gè)傳感器檢測到手部動(dòng)作的時(shí)間瞬間都不相同。不同傳感器的相對檢測順序和檢測時(shí)長可用來分析手部移動(dòng)的方向和速度。手勢可以很簡單，例如在這些傳感器上方從左到右畫一條直線;也可以很復(fù)雜，包括用手在空中畫圓圈之類的圖案。在本文中，我們將分析如何使用多個(gè)傳感器的不同模式進(jìn)行簡單的手勢識(shí)別以及如何實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的手勢操作。

下面我們分析一下如圖1所示的汽車信息娛樂系統(tǒng)四周放置的四個(gè)電容式接近傳感器。

圖1. 右圖為汽車信息娛樂系統(tǒng)四周放置的電容式接近傳感器，左圖標(biāo)注出其位置。

傳感器的放置應(yīng)恰到好處，要確保在傳感器面板上方做手勢時(shí)能按順序觸發(fā)傳感器進(jìn)行識(shí)別(不同順序會(huì)產(chǎn)生不同效果)。我們會(huì)對傳感器的觸發(fā)順序進(jìn)行確認(rèn)。如果順序與某個(gè)預(yù)設(shè)序列相匹配，就會(huì)發(fā)出這個(gè)手勢對應(yīng)的操作指令。我們將采用圖1所示的傳感器放置模式作為參考，向您介紹本文中討論的手勢操作。

設(shè)想一下手從左到右在傳感器上方畫一條直線的簡單手勢操作，如圖2(a)所示。手從左到右掠過傳感器時(shí)，當(dāng)手一靠近系統(tǒng)，左側(cè)傳感器就會(huì)首先被觸發(fā)。“觸發(fā)”這個(gè)詞在這里是指傳感器檢測到有物體存在，而不能誤解為啟用接近傳感器。因?yàn)橄到y(tǒng)一旦打開，接近傳感器就已經(jīng)在啟用了，而且會(huì)對鄰近區(qū)域的物體保持掃描感應(yīng)。



圖2. (a手在空中從左到右畫一條直線;(b)手畫直線時(shí)，每個(gè)傳感器的信號(hào)圖

手在控制臺(tái)上方劃過時(shí)，頂部、底部的兩個(gè)傳感器被觸發(fā)，同時(shí)左側(cè)傳感器仍保持觸發(fā)。當(dāng)手繼續(xù)向右劃動(dòng)時(shí)，右側(cè)傳感器被觸發(fā)。而左側(cè)傳感器則在手離開其檢測范圍后停止感應(yīng)。當(dāng)手劃過右側(cè)傳感器，頂部、底部的傳感器則不會(huì)再檢測到手的存在。手進(jìn)一步遠(yuǎn)離后，右側(cè)傳感器也會(huì)停止感應(yīng)。傳感器觸發(fā)的順序?qū)⑹且韵缕渲幸环N，具體取決于手的位置和各個(gè)傳感器的靈敏度：

右→頂→底→左

右→底→頂→左

右→底→左

右→頂→左

以上所有傳感器激活序列都對應(yīng)于(左→右)的手勢。本例采用PSoC實(shí)現(xiàn)電容式接近傳感器。PSoC中的電容至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(也就是Capsense Sigma Delta)可用來測量電容。CSD模塊的輸出為原始計(jì)數(shù)，原始計(jì)數(shù)越大，傳感器感應(yīng)到的電容也就越高。手離接近傳感器越近，傳感器的電容就越大。

當(dāng)傳感器的原始計(jì)數(shù)超過基礎(chǔ)值的某個(gè)特定閾值時(shí)，傳感器就會(huì)因?yàn)樵谄溧徑鼌^(qū)域檢測到物體的存在而被觸發(fā)。手從左到右畫直線(如圖2(a)所示)時(shí)，四個(gè)傳感器的原始計(jì)數(shù)圖則如圖2(b)所示。該圖確認(rèn)了上述傳感器的激活順序。如果手反方向移動(dòng)，也就是(右→左)的手勢操作，那么傳感器觸發(fā)序列與上述左右兩側(cè)傳感器的激活序列相反。也就是說，這時(shí)(右→左)手勢對應(yīng)的傳感器激活序列為以下其中一種：

右→頂→底→左

右→底→頂→左

右→底→左

右→頂→左

以上所述的兩種手勢都是手在水平方向的移動(dòng)。同樣，手還可以垂直方向上畫直線，也就是(頂→底)或(底→頂)的手勢，具體取決于手移動(dòng)的方向。

(上→下)或(下→上)的手勢可關(guān)聯(lián)于上下滾動(dòng)菜單或曲目列表等簡單操作，如圖3所示。

圖3.用手垂直方向上畫直線的接近手勢來滾動(dòng)菜單

(左→右)和(右→左)的手勢可關(guān)聯(lián)于音樂播放器應(yīng)用的換歌或換碟操作。通過放置接近傳感器(如圖4所示)，同樣的手勢也可用來替代按壓按鈕來開關(guān)車艙內(nèi)部的照明燈。

圖4. 通過手畫直線來控制車艙頂燈

(頂→底)手勢類似于向上/下按鈕按壓動(dòng)作。不過，在按住向上(向下)按鈕不放時(shí)，屏幕會(huì)不斷向上(下)滾動(dòng)，直到松開按鈕為止。換言之，只要按下按鈕，這個(gè)動(dòng)作就有“黏性”。要讓手勢操作徹底取代按鈕操作，那么手勢操作也應(yīng)該能夠支持這種“黏性”功能。我們將對手勢進(jìn)行如下修改來滿足這一要求。手從頂部傳感器向底部傳感器移動(dòng)時(shí)，只要手劃過底部傳感器，系統(tǒng)就將此解碼為(頂→底)手勢。我們更改一下手勢，當(dāng)手按手勢順序到達(dá)最后的傳感器(這里指底部傳感器)時(shí)，就發(fā)出向下滾動(dòng)的命令。并且只要手保持在底部傳感器上方不動(dòng)，就會(huì)一直反復(fù)發(fā)出向下滾動(dòng)的命令。等滾動(dòng)到需要找的菜單項(xiàng)，手再繼續(xù)向下移動(dòng)并離開底部傳感器感應(yīng)范圍，這時(shí)就會(huì)停止發(fā)出向下滾動(dòng)的命令。也就是說，要讓手勢操作也有“黏性”，手不能一下子完成從上到下的劃動(dòng)，而是要在最后的傳感器處先停頓一下，找到需要的項(xiàng)目之后再離開該傳感器的感應(yīng)范圍。只要手停在傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)不動(dòng)，就會(huì)一直發(fā)出命令。

圖5顯示了(頂→底)黏性手勢的頂、底部傳感器的原始計(jì)數(shù)圖。頂部傳感器停止感應(yīng)手勢操作之后，底部傳感器會(huì)保持更長時(shí)間的觸發(fā)狀態(tài)，這說明手在底部傳感器的感應(yīng)范圍停下來了，而不是不停地直接劃下。在發(fā)送黏性命令時(shí)，我們要檢查頂部傳感器是否先被觸發(fā)，而后是否觸發(fā)了底部傳感器。這時(shí)頂部傳感器已經(jīng)不再感應(yīng)到手勢操作，而底部傳感器仍能夠持續(xù)感應(yīng)到手在附近。當(dāng)手在底部傳感器范圍內(nèi)停留超過一定的時(shí)間閾值后，只要底部傳感器感應(yīng)到手在附近，就會(huì)一直發(fā)出黏性命令。同樣，我們也能對其它手勢操作進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)“黏性”特性，這就能讓手勢操作完全取代上下按鈕功能了。

圖5. (頂→底)黏性手勢的頂、底部傳感器信號(hào)圖。底部傳感器的信號(hào)持續(xù)停留，這說明在采取“黏性”手勢操作。

下面，我們再看一個(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的手勢。設(shè)想一下用手在傳感器面板上方的空中畫圈的情景，如圖6所示。

圖6. 畫圈的手勢操作

手可從任一傳感器的感應(yīng)位置開始在其它傳感器上方畫圈，既可以是順時(shí)針方向，也可以是逆時(shí)針方向。手畫圈回到起點(diǎn)傳感器上時(shí)就完成了這個(gè)圓圈，手移開后即退出畫圈過程。舉例來說，手可以在右側(cè)傳感器上方開始順時(shí)針畫圈，順序經(jīng)過底部、左側(cè)和頂部傳感器，最后回到右側(cè)傳感器，然后退出畫圈過程。圖7同樣給出了傳感器的原始計(jì)數(shù)圖。同理，手的移動(dòng)方向反過來則能完成逆時(shí)針方向畫圈。此外，傳感器激發(fā)順序也能對多次畫圈操作進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖7. 順時(shí)針畫圈手勢操作的傳感器原始計(jì)數(shù)圖

畫圈手勢類似于轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕的動(dòng)作，可關(guān)聯(lián)于音樂播放器音量調(diào)節(jié)或者地圖瀏覽縮放等操作命令。

在本文中，我們討論了如何使用電容式接近傳感器進(jìn)行簡單的接近手勢操作檢測。采用相同的原理，我們能構(gòu)建出更復(fù)雜的手勢操作，包括雙手一起在空中畫圖案。不過，這種手勢操作能否成功檢測，仍要取決于我們選擇的傳感器模式布局夠不夠好。選擇合適的模式布局非常重要，不僅要給各種手勢操作的手部移動(dòng)提供適當(dāng)?shù)娜莶睿瑫r(shí)又要判斷清楚傳感器的觸發(fā)順序。