[發(fā)明專利]基于線性調頻音頻信號的非接觸式手掌移動軌跡追蹤方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710299788.4
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN107102737A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設計）人: 李凡;陳慧杰;黎有琦;吳玥;王昱
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G01S15/06;H04M1/725
• 代理公司: 北京理工正陽知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 鮑文娟

技術領域

本發(fā)明涉及移動計算的音頻測距及定位方法，尤其涉及一種基于線性調頻 音頻信號的非接觸式手掌移動軌跡追蹤方法，屬于計算機人機交互領域。

背景技術

物聯(lián)網(wǎng)時代，生活中越來越多的智能設備或應用需要用戶進行交互。這些 智能設備或應用包括智能電視、智能家居、VR/AR應用以及一些體感游戲。但 是，隨著這些應用中交互內容復雜性提高，交互方式的靈活性、易用性需求無 法滿足：

(1)對于智能電視和智能家居，現(xiàn)有的交互方法大多采用按鍵式專用 遙控器進行交互，通常用戶為了完成一個操作需要點擊多個按鈕來完成，這并 不是一種易用、快捷的交互方式；

(2)對于VR/AR應用，通常會配備一對手持式手柄以感知并識別用戶 手勢。該手柄是專用設備，存在不能適用于其他交互場景的問題；

(3)對于基于圖像處理的體感游戲，通常需要在顯示器旁假設價格昂 貴的外部設施，并且需要為設施提供穩(wěn)定供電。這種交互方式存在成本高，移 動性差的問題。

此外，用戶在生活和工作中存在諸多不適合采用直接手持遙控器或手柄進 行交互的情況。比如，在公共環(huán)境下(醫(yī)院、游戲室等)，需要用戶直接接觸的 遙控器或手柄因多人接觸，存在衛(wèi)生問題。此外，當用戶手面不清潔(潮濕、 油膩等)或受傷(包扎，表面有創(chuàng)口)的時候，也不適合直接接觸交互媒介。 因此，本專利的目標是設計一種易用、無需額外部署設備、非接觸式的手掌軌 跡追蹤方法。由于智能手機、手表等移動終端的廣泛普及，本專利將基于現(xiàn)有 商用智能終端(手機)實現(xiàn)本方法。

綜上所述，現(xiàn)有交互方法存在易用性差、普適性弱、成本高的問題。本發(fā) 明將基于音頻測距基于智能終端設計精準手掌移動軌跡追蹤方案。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是：基于商用智能手機，利用線性調頻音頻信號實現(xiàn)非接觸 式手掌移動軌跡追蹤。相對于傳統(tǒng)的手勢識別(識別手掌的靠近、遠離、滑動)， 手掌移動軌跡追蹤是更加靈活、豐富的交互方法。

本發(fā)明的核心思想是：本發(fā)明基于支持立體聲播放的智能設備(配備兩個 同質揚聲器，分別位于手機的聽筒和話筒部分)，通過將手機上的兩個揚聲器與 麥克風組成音頻信號收發(fā)陣列，使用線性調頻音頻信號，分別測量出由揚聲器 到用戶手掌，再到麥克風的路徑長度，完成對用戶手掌的持續(xù)性位置追蹤。同 時，本發(fā)明結合多普勒偏移補償和軌跡誤差矯正方法，降低了手掌移動性引起 的定位誤差，提高了軌跡追蹤的精確度。

本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)的：

基于線性調頻音頻信號的非接觸式手掌移動軌跡追蹤方法所依托的系統(tǒng)， 簡稱非接觸式手掌追蹤系統(tǒng)包括支持立體聲播放的智能移動終端、定位對象、 外置服務器；

其中，定位對象指手掌；

其中，計算模塊，其功能可以由智能手持設備或者外置服務器完成；如果 由智能手持設備完成，則外置服務器也可以省略；

其中，所述的智能移動終端可以是智能手機、智能手表等穿戴式設備、筆 記本以及微型計算機類型的有處理能力的智能終端或非智能終端；

智能手持設備上包括一對同質揚聲器、麥克風；

基于線性調頻音頻信號的非接觸式手掌移動軌跡追蹤方法，主要包括以下 四個步驟：

步驟一、生成雙通道音頻信號：該信號結構有如下特點：1、該信號為雙信 道，在立體聲播放模式下，移動終端上的兩個揚聲器分別播放一個子信道；2、 每個信道中調制了加了漢明窗后的線性調頻信號；3、線性調頻信號的頻率范圍 避開了日常噪音的頻率范圍，擬為16kHz-23kHz，其目的是在保證對用戶干擾不 明顯的情況下，最大化音頻頻域帶寬；4、為了避免兩個子信道中線性調頻信號 之間會沖突，以時分多路復用的方式調制。具體表現(xiàn)為，在時域上，兩個線性 調頻信號無重疊部分；5、在線性調頻信號之后，保留空白區(qū)域，用于抵抗環(huán)境 中的多徑噪聲；6、使用頻率上升線性調頻信號(Up-chirp)與頻率下降線性調 頻信號(Down-chirp)，分別調制兩個子信道。

步驟二、進行音頻測距：

智能終端周期性播放預先設計的雙通道道線性調頻信號，兩個揚聲器將分 別播放雙通道道線性調頻信號里的一個通道。同時，麥克風將持續(xù)錄制聲音， 記錄雙聲道信號及其經(jīng)手掌反射的回聲。通過對該錄制到音頻的處理，計算信 號傳播路徑長度。

步驟三、進行手掌位置估算：