專利名稱：一種應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模式識(shí)別與人工智能技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋 轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法。
背景技術(shù)：
基于加速度傳感器的人運(yùn)動(dòng)識(shí)別是近年來(lái)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中新興起的研究前沿方向 之一，即將加速度傳感器穿戴在用戶身上或?qū)⑺稍谑謾C(jī)或PDA等手持設(shè)備上，通過(guò)分 析人運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的加速度信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并對(duì)其行為進(jìn)行理解和 描述，它屬于穿戴式計(jì)算(Wearable Computing)和普適計(jì)算(Ubiquitous Computing)的 重要研究?jī)?nèi)容之一。 目前，基于加速度傳感器的人運(yùn)動(dòng)識(shí)別主要包括人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別和人手勢(shì)識(shí)別兩 方面。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別主要是識(shí)別人在日常生活中走路、跑步、坐著、站立等基本動(dòng)作；而手 勢(shì)識(shí)別主要是識(shí)別一些簡(jiǎn)單的電話手勢(shì)、自定義的用于控制設(shè)備的簡(jiǎn)單手勢(shì)、阿拉伯?dāng)?shù)字 0-9。基于加速度傳感器的人運(yùn)動(dòng)識(shí)別的關(guān)鍵在于特征提取，許多研究人員都從加速度信號(hào) 中提取了有效的特征用于識(shí)別人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和手勢(shì)，綜合起來(lái)可以把這些特征分成兩類 時(shí)域特征和頻域特征。常用的時(shí)域特征主要有均值、方差或標(biāo)準(zhǔn)差、兩軸之間的相關(guān)系數(shù)、 加速度信號(hào)的峰值和谷值等等；常用的頻域特征有FFT系數(shù)等。在基于加速度傳感器的人手勢(shì)識(shí)別中，識(shí)別在三維空間書(shū)寫(xiě)的阿拉伯?dāng)?shù)字0-9受 到一些研究人員的重視，因?yàn)榛谌S加速度傳感器的三維空間書(shū)寫(xiě)不同于傳統(tǒng)的二維平 面書(shū)寫(xiě)，用戶只需要手握嵌入三軸加速度傳感器的書(shū)寫(xiě)設(shè)備在空中自由書(shū)寫(xiě)，它既不受某 個(gè)特定的書(shū)寫(xiě)平面的限制(如手寫(xiě)板、觸摸屏)，也不需要任何外掛設(shè)備(如攝像頭)，提供 了一種全新的數(shù)字筆實(shí)現(xiàn)方式，因而具有很好的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。盡管在基于三軸加速度信號(hào)的手勢(shì)識(shí)別領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)從事了大量的研究 工作，但從目前已公開(kāi)的技術(shù)來(lái)看，如何從書(shū)寫(xiě)過(guò)程產(chǎn)生的三軸加速度信號(hào)中提取有效的 特征還是一個(gè)研究難點(diǎn)，而且提取有效特征后，如何將該特征進(jìn)行有效處理更是沒(méi)有相關(guān) 公開(kāi)資料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下一種應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法，其采用加速度傳感器測(cè)得用 戶在三維空間進(jìn)行書(shū)寫(xiě)的三個(gè)軸向的加速度信號(hào)，并取得該加速度信號(hào)分別投影到y(tǒng)-z， z-x,和x-y平面上所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)特征碼Cyz，Czx和Cxy，最后采用編輯距離來(lái)度量不同樣本的 旋轉(zhuǎn)特征碼之間的差異。上述技術(shù)方案中，所述編輯距離的度量如下令符號(hào)序列=識(shí)…為第i個(gè)樣本的Cyz編碼，c' e {0,1,2,3} ,cjyz = cki…ci為第j個(gè)樣本的cyz編碼，ci e {0，1,2，3}，再令E = {es, ei ed}分別表示序列C丨/變換為時(shí)替 換、插入和刪除一個(gè)符號(hào)的代價(jià)，則和的編輯距離遞歸地表示為 其中， 相應(yīng)地計(jì)算出Czx和Cxy的編輯距離。所述編輯距離還進(jìn)行歸一化，所述和的歸一化編輯距離表示為 其中，|C;z|,|qz|分別表示序列cy口 (丄的長(zhǎng)度，相應(yīng)地計(jì)算出Czx和Cxy的歸一化編輯距離。所述第i個(gè)樣本和第j個(gè)樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼間的距離表示為 其中乂卿^，“琍^^^必，“扮別是第i個(gè)樣本和第j個(gè)樣本的Czx編碼和
cxy編碼的編輯距離。本發(fā)明根據(jù)從三軸加速度信號(hào)中提取了旋轉(zhuǎn)特征之后，針對(duì)不同樣本的旋轉(zhuǎn)特征 碼的長(zhǎng)度不一致，無(wú)法直接計(jì)算它們之間的差異，故而采用編輯距離來(lái)度量不同樣本的旋 轉(zhuǎn)特征碼間的差異，使得旋轉(zhuǎn)特征可有效應(yīng)用于字符識(shí)別領(lǐng)域。


圖1是基于加速度傳感器的三維書(shū)寫(xiě)字符識(shí)別的流程圖；圖2是本發(fā)明的基于y_z平面提取的旋轉(zhuǎn)特征；圖3是本發(fā)明的對(duì)加速度的方向變化的編碼圖；圖4是本發(fā)明的距離測(cè)度方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。基于旋轉(zhuǎn)特征的三維空間書(shū)寫(xiě)識(shí)別算法的系統(tǒng)流程圖如附圖1所示，具體步驟包 括1、預(yù)處理對(duì)于采集到的三維加速度信號(hào)首先通過(guò)減去均值去除重力加速度的影響，然后進(jìn) 行幅度歸一化處理，接著對(duì)其進(jìn)行高斯濾波，濾除加速度信號(hào)中包含的測(cè)量時(shí)的噪聲及由于手腕抖動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。2、提取旋轉(zhuǎn)特征碼基于加速度傳感器的三維空間書(shū)寫(xiě)不同于傳統(tǒng)的二維平面書(shū)寫(xiě)，它采集不到書(shū)寫(xiě) 者的書(shū)寫(xiě)軌跡，只能獲得由三軸加速度傳感器測(cè)得的三個(gè)軸向的加速度信號(hào)。如何利用這 三個(gè)軸向的加速度信號(hào)來(lái)識(shí)別出書(shū)寫(xiě)者寫(xiě)的是什么，特征提取是關(guān)鍵。三軸加速度傳感器能同時(shí)測(cè)量手勢(shì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的相互正交的三個(gè)軸向的加速度， 分別用ax (t)，ay (t)，az (t)表示x軸、y軸和z軸的加速度信號(hào)。記A(t) = [ax(t),ay(t),az(t)]是某個(gè)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)三軸加速度信號(hào)， 信號(hào)的長(zhǎng)度記為S。定義B(t) = A(t) XA(t+l)(1)則B(t)也是一個(gè)矢量，且B(t)的方向只有兩種情況，一種是垂直于A(t)和 A(t+1)的平面向上，另一種是垂直于A(t)和A(t+1)平面向下。當(dāng)B(t)的方向垂直于A(t) 和A(t+1)的平面向上時(shí)，加速度信號(hào)A(t)從t到t+1時(shí)刻逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)B(t)的方向垂 直于A(t)和A(t+1)的平面向下時(shí)，加速度信號(hào)A(t)從t到t+1時(shí)刻順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)t從0變化到S-1時(shí)刻加速度信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一系列的順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即 書(shū)寫(xiě)每個(gè)字符時(shí)，加速度信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生一系列的順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)變化。本發(fā)明提出的 旋轉(zhuǎn)特征正是記錄三維空間書(shū)寫(xiě)時(shí)加速度信號(hào)產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的變化過(guò)程。對(duì)于一個(gè)三維空間書(shū)寫(xiě)時(shí)產(chǎn)生的三軸加速度信號(hào)A(t)，分別從三維空間中下述三 個(gè)投影特征Ayz(t) = [ay(t), az(t))]Azx(t) = [az(t),ax(t)](2)Axy(t) = [ax(t), ay(t)]式(2)中，二維矢量~2(0，^0，和47(0分別是三軸加速度信號(hào)A (t)在y-z， z-x，和x_y平面的投影。以Ayz(t)為例來(lái)說(shuō)明提取的旋轉(zhuǎn)特征，根據(jù)式(1)可以做如下定義Byz(t) = Ayz(t) XAyz(t+l)(3)貝UByz(t)的方向垂直于Ayz(t)和Ayz(t+1)平面向上時(shí)加速度Ayz(t)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)； Byz(t)的方向垂直于Ayz(t)和Ayz(t+1)平面向下時(shí)加速度Ayz(t)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果把每個(gè) 時(shí)刻的順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)都記錄下來(lái)，通過(guò)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，加速度信號(hào)一 直在做順時(shí)針(或逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)。所以沒(méi)必要把這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)都取為旋轉(zhuǎn)特 征。記第i個(gè)旋轉(zhuǎn)特征為RFyz(i)，i > 1。則旋轉(zhuǎn)特征RFyz(i)的提取滿足如下原則Rfyz(l) =Ayz(0)RFyz(i) = Ayz(t+1)，當(dāng) Byz(t)和 Byz(t_l)的方向相同，但Ayz(t+1)和 Ayz(t)不在同一象限；或當(dāng)Byz(t)和Byz(t_l)的方向相反時(shí)RFyz(i)是一個(gè)由ay(t)和az(t)確定的矢量。由于旋轉(zhuǎn)是由矢量的方向決定的， 所以在用ay(t)和~(0表示提取的旋轉(zhuǎn)特征RFyz(i)時(shí)，將矢量的大小取為相等。附圖2 是對(duì)6個(gè)人書(shū)寫(xiě)數(shù)字8時(shí)產(chǎn)生的三軸加速度信號(hào)基于y-z平面提取的旋轉(zhuǎn)特征點(diǎn)RFyz(i)， 并把它們用y軸和z軸的加速度[ay(t)，az(t)]表示出來(lái)。圖中垂直方向的軸表示ay(t)，水平方向的軸表示az (t)，箭頭指向是各個(gè)軸的加速度方向。為了方便進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，規(guī)定了如附圖3所示的加速度方向變化的編碼規(guī)則。對(duì) 附圖2提取的旋轉(zhuǎn)特征RFyz(i)進(jìn)行編碼得到旋轉(zhuǎn)特征碼Cyz，同樣，可以對(duì)Azx(t)和Axy(t) 提取旋轉(zhuǎn)特征點(diǎn)并進(jìn)行上述編碼，得到旋轉(zhuǎn)特征碼Czx和Cxy。一個(gè)三軸加速度信號(hào)的旋轉(zhuǎn) 特征碼表示為C = {Cyz，Czx，Cxy}，Cyz，Czx和Cxy分別是對(duì)Ayz (t)，Azx (t)，和Axy (t)的加速度 變化順序的編碼。3、生成每個(gè)類的模板從總樣本中隨機(jī)選取k個(gè)樣本作為訓(xùn)練樣本，將訓(xùn)練樣本中相同類別的樣本放在 一起，在每個(gè)類別中，分別計(jì)算每個(gè)樣本和類內(nèi)其他樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼間的編輯距離之和， 然后將樣本按編輯距離之和從小到大排列后作為每個(gè)類的類模板。4、生成訓(xùn)練樣本集計(jì)算每個(gè)訓(xùn)練樣本和所有類模板的旋轉(zhuǎn)特征碼間的編輯距離，作為該樣本的特 征。則對(duì)k個(gè)訓(xùn)練樣本可以得到一個(gè)kXk的訓(xùn)練特征矩陣 其中，是第i個(gè)訓(xùn)練樣本和第j個(gè)類模板間的距離，i = U2,…k，j = 1， 2，…k，k是所有類的類模板數(shù)。5、生成測(cè)試樣本集對(duì)每個(gè)測(cè)試樣本，計(jì)算它和所有類模板的旋轉(zhuǎn)特征碼間的編輯距離，作為該測(cè)試 樣本的特征。對(duì)1個(gè)測(cè)試樣本就可以得到一個(gè)lXk的測(cè)試特征矩陣 其中，是第i個(gè)測(cè)試樣本和第j個(gè)類模板間的距離，i = 1,2,= 1， 2，…k，1是測(cè)試樣本的個(gè)數(shù)，k是所有類的類模板數(shù)。上述第3、4、5步驟所采用的編輯距離計(jì)算是核心關(guān)鍵之一，也是本發(fā)明的具體內(nèi) 容，具體如附圖4所示由于不同樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼的長(zhǎng)度不一致，無(wú)法直接計(jì)算它們之間的差異，采用 編輯距離來(lái)度量不同樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼間的差異。設(shè)符號(hào)序列
為第i個(gè)樣本的cyz編碼，
第j個(gè)樣本的cyz編碼，ci € {0,1,2,3} oE= {es,ei;ed}分別表示序列CI變換為CJ時(shí)替換、插 入和刪除一個(gè)符號(hào)的代價(jià)，則和C〗z的編輯距離遞歸地表示為 其中，)
。在這里，替換、插入和刪除符號(hào)的代價(jià)與符號(hào)的 Ed {cn ,e) = ed,[0, otherwise
具體取值及其在序列中的位置無(wú)關(guān)，一般情況下，可取替換、插入和刪除符號(hào)的代價(jià)為1，即 由于編輯距離度量的是2個(gè)序列之間差異的絕對(duì)值，在分析長(zhǎng)度變化范圍較大的 序列時(shí)，容易使長(zhǎng)序列之間的編輯距離遠(yuǎn)大于短序列之間的距離。這顯然是不合適的，因此 需要對(duì)其進(jìn)行歸一化。上述符號(hào)序列的歸一化編輯距離表示為 其中，C； ,C4分別表示序列CL和G的長(zhǎng)度 所以，第i個(gè)樣本和第j個(gè)樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼間的距離可表示為
(6)其中，rf艦和分別是第i個(gè)樣本和第j個(gè)樣本的Czx編碼和 cxy編碼的編輯距離。6、支持向量機(jī)(SVM)分類用上面生成的訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練SVM分類器，然后用SVM分類器識(shí)別出每個(gè)測(cè)試樣 本書(shū)寫(xiě)的數(shù)字。本發(fā)明的優(yōu)異性能通過(guò)大樣本的實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)。下面描述采用本發(fā)明所述的距 離測(cè)度方法，對(duì)大量三維空間書(shū)寫(xiě)數(shù)字樣本進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。由于基于加速度傳感器的三維空間書(shū)寫(xiě)數(shù)字識(shí)別是一個(gè)新興發(fā)展起來(lái)的識(shí)別技 術(shù)，目前還沒(méi)有一個(gè)公共的數(shù)據(jù)庫(kù)。本實(shí)施例設(shè)計(jì)了基于三軸加速度傳感器的加速度信號(hào) 采集器，采集了 60個(gè)人的數(shù)據(jù)，每個(gè)采集者單手握著加速度信號(hào)采集器在三維空間自由書(shū) 寫(xiě)數(shù)字0到9，每個(gè)采集者書(shū)寫(xiě)三遍，共采集到180套數(shù)據(jù)。每個(gè)類隨機(jī)選取144套樣本(占 每類總樣本數(shù)的80% )進(jìn)行訓(xùn)練，總訓(xùn)練樣本數(shù)為1440，余下的36套樣本用于測(cè)試，總的 測(cè)試樣本數(shù)目為360。在實(shí)驗(yàn)中將本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)特征與峰值谷值特征、時(shí)域原始特征及傳統(tǒng)的頻域 FFT特征的性能做了比較。對(duì)每個(gè)特征，進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，然后取平均值。表1給出了每個(gè) 類別基于四種特征提取方法的識(shí)別率。表1四種不同特征對(duì)10個(gè)空中手寫(xiě)數(shù)字的識(shí)別率的比較 由表1中可以看到，采用本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)特征及其距離測(cè)度，其識(shí)別率明顯高 于時(shí)域原始特征、峰值谷值特征、及FFT特征。而且，對(duì)于每個(gè)類別，基于旋轉(zhuǎn)特征的識(shí)別 率都是較高的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由本發(fā)明所述的方法獲得的旋轉(zhuǎn)特征在識(shí)別性能方面的有效 性。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法，其特征在于采用加速度傳感器測(cè)得用戶在三維空間進(jìn)行書(shū)寫(xiě)的三個(gè)軸向的加速度信號(hào)，并取得該加速度信號(hào)分別投影到y(tǒng)-z，z-x，和x-y平面上所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)特征碼Cyz，Czx和Cxy，最后采用編輯距離來(lái)度量不同樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼之間的差異。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法，其特征在于 所述編輯距離的度量如下令符號(hào)序列 為第i個(gè)樣本的Cyz編碼，4 € {0,1,2,3} ,Cjyz = c(ci ".ci為第j 個(gè)樣本的Cyz編碼，ci € {0，1，2，3}，再令E = {es, ei;ed}分別表示序列變換為C^z時(shí)替換、插 入和刪除一個(gè)符號(hào)的代價(jià)，則的編輯距離遞歸地表示為 其中， 相應(yīng)地計(jì)算出Czx和Cxy的編輯距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法，其特征在于 替換、插入和刪除符號(hào)的代價(jià)為1，即es = ei = ed = 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法，其特征 在于所述編輯距離還進(jìn)行歸一化，所述C“和Cjz的歸一化編輯距離表示為 其中，|c;z|，|qz|分別表示序列的長(zhǎng)度，相應(yīng)地計(jì)算出Czx和Cxy的歸一化編輯距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法，其特征 在于所述第i個(gè)樣本和第j個(gè)樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼間的距離表示為 其中，^^ ，<^)和"_(4，(^)分別是第i個(gè)樣本和第j個(gè)樣本的Czx編碼和Cxy 編碼的編輯距離。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別的旋轉(zhuǎn)特征碼的距離測(cè)度方法，其采用加速度傳感器測(cè)得用戶在三維空間進(jìn)行書(shū)寫(xiě)的三個(gè)軸向的加速度信號(hào)，并取得該加速度信號(hào)分別投影到y(tǒng)-z，z-x，和x-y平面上所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)特征碼Cyz，Czx和Cxy，最后采用編輯距離來(lái)度量不同樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼之間的差異。本發(fā)明根據(jù)從三軸加速度信號(hào)中提取了旋轉(zhuǎn)特征之后，針對(duì)不同樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼的長(zhǎng)度不一致，無(wú)法直接計(jì)算它們之間的差異，故而采用編輯距離來(lái)度量不同樣本的旋轉(zhuǎn)特征碼間的差異，使得旋轉(zhuǎn)特征可有效應(yīng)用于字符識(shí)別領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G06F3/01GK101853073SQ20101020459
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者薛洋, 金連文 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)