一种使用多普勒效应感应颈部转动的方法
阅读：630发布：2020-05-16
专利汇可以提供一种使用多普勒效应感应颈部转动的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种使用 多普勒效应 感应颈部转动的方法，包括：扬声器以固定的 频率 发出 声波 ，两边的麦克 风 则接收声波，并将声波的数据输入到 控制器 进行解析；利用多普勒效应产生的频率上的变化，感应到颈部的转动，通过声波解析器，可以分析出颈部转动的方向，并将数据输入到计算机或电视机终端上实现 人机交互 。实施本发明，无论在 精度 以及实时性上感应颈部转动有更好的效果，使用户进行人机交互有更好的体现。，下面是一种使用多普勒效应感应颈部转动的方法专利的具体信息内容。
一种使用多普勒效应感应颈部转动的方法
技术领域
背景技术
[0002] 人机交互技术经历了几十年的发展，当前，占统治地位的是使用图形界面操作，典型的例子是我们使用windows操作系统，通过键盘和鼠标进行人机交互，但这种交互方式正受到不断的批评，而新的交互技术尚在开发研究普及中。可以认为，以后的人机交互将主要以自然方式的人机交互模式为主，比如人可以通过手势、语音或其它人体部位的动作实现人机交互。
[0003] 目前现有技术中还没有就颈部或头部转动进行检测的发明，但现有技术中的确存在一种能使用头部进行人机交互的发明专利，见专利申请号为201210105344.X的“多维感官人机交互系统及交互方法”专利。
[0004] 现有技术一的技术方案是这样的，它通过使用视频输入设备和音频输入设备拍摄获取用户的动作及声音信息数据，通过这些数据，使用数字图像处理技术及语音识别技术对用户的动作及声音进行解析、分析其语义，进而实现人机交互功能。
[0005] 针对本发明即使用多普勒效应进行颈部转动感应方法，现来进一步说明技术一方法的缺点。由于它是通过分析视频流进行图像处理来分析用户动作的，显然，这种方法需要使用大量的计算处理能力，虽然在计算机中可以实现，但不适合在手机或电视机等其它终端上使用。
[0006] 另外，这种方法会存在延时及精度低的缺点。视频截取后分析人的动作必定存在一定的时间差的，这在日常生活中我们也可以感觉的到的，比如你在录像机面前晃动时，会出现晃影。另一个问题是数字图像处理存有精度问题，比如当一个视频中出现两个头部，它如何处理呢，它如何精确定位头部位置呢，当视频质量不高时（存在高噪音）或头部转动过快又如何处理呢。这些问题直接反应了技术一中的方法的鲁棒性差，因此本发明提出另一种方法实现对颈部转动的检测方法。
发明内容
[0007] 本发明目的是提供一种感应颈部转动的方法，实现自然的人机交互，即通过颈部转动，计算机或电视机等终端能感应到颈部转动的方向，实现友好的人机交互功能。
[0008] 相应的，本发明实施例提供了一种使用多普勒效应感应颈部转动的方法，包括：
[0010] 利用多普勒效应产生的频率上的变化，感应到颈部的转动，通过声波解析器，可以分析出颈部转动的方向，并将数据输入到计算机或电视机终端上实现人机交互。
[0011] 实施本发明实施例，本发明目的是提供一种感应人体颈部转动的检测方法，实现用颈部转动自然方式的人机交互功能。本技术方案利用了多普勒声波效应，使用的设备是简单便宜的扬声器和麦克风，需要的计算能力及配置要求低，适合大量推广。另外本技术方案相比现有技术无论在精度以及实时性上感应颈部转动有更好的效果，使用户进行人机交互有更好的体现。附图说明
[0012] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0013] 图1是本发明实施例中的使用多普勒效应感应颈部转动的方法流程图；
[0014] 图2是本发明实施例中的使用多普勒效应感应颈部转动的系统结构图；
[0015] 图3是本发明实施例中的说明如何利用频率的变化来检测头部的转动的示例图；
[0016] 图4是本发明实施例中的波峰图。
具体实施方式
[0017] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018] 本发明提供了一种实现检测颈部转动的方法，主要使用的原理是利用多普勒效应，使用的功能部件只需要要扬声器和麦克风及一个简单理解声波的解析器部件。图1示出了本发明实施例中的使用多普勒效应感应颈部转动的方法流程图，包括如下步骤：
[0019] S101：扬声器以固定的频率发出声波，两边的麦克风则接收声波，并将声波的数据输入到控制器进行解析；
[0020] S102：利用多普勒效应产生的频率上的变化，感应到颈部的转动，通过声波解析器，可以分析出颈部转动的方向，并将数据输入到计算机或电视机终端上实现人机交互。
[0021] 如图2所示，这里有两样东西扬声器，麦克风，并且是以对称方式布置的，扬声器以固定的频率发出声波，两边的麦克风则接收声波，并将声波的数据输入到控制器进行解析。上面的功能部件在实际实现时，需要将两个扬声器嵌入进一个绷带或眼镜中，让用户带在头上，而将麦克风安装在用户所在房间的两侧。并且为了防止噪声干扰，如用户播放音乐或讲话等，扬声器需要发出20KHZ以上的频率，而麦克风则需要有能力接收收上频率的声波，最后通过声波解析器截取对应的频段。
[0022] 根据多普勒效应，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。所以当此装置被用户带在颈上或头上时，颈部的转动将会使得两边的麦克风接收到的频率发声变化，具体来讲，当用户颈部转向左边时，则装置中左边麦克风接收到的频率变强且右边的变弱，同理，当用户颈部转向右边时，则装置中右边麦克风接收到的频率变强且左边的变弱。利用多普勒效应产生的频率上的变化，上面的装置就可以感应到颈部的转动，通过声波解析器，可以分析出颈部转动的方向，并将数据输入到计算机或电视机终端上实现人机交互。
[0023] 现在结合图3来进一步说明如何利用频率的变化来检测头部的转动的。图3最左面是一面墙，麦克风安装其上，事实上一对麦克风是分别安装在左右两侧的两面墙上的，由于左右两个麦克风和扬声器在原理上是一样的，所以这里只对一对麦克风和扬声器作原理说明即可。一般要求用户的位置在两墙的中间效果比较好，但没有严格限制的（即用户的位置在房间里的位置是任意），因为麦克风只需要检测出频率发生了变化，只要这个变化率达到一定阀值则可以判定用户的头部有了转动。图3中间是一个扬声器，它因为头部的转动，使得其由A点运动到B点了，长度假设为d。这里的扬声器之所以发生位移是因为它是绑到人的头部上的（如额头），因此它就会发生了如上文所讲的多普勒效应，即当声源（扬声器）向观察者（麦克风）移动时，频率会变高。这个原理用公式表示为 f表示扬声器的频率，f’表示麦克风接收到的频率，θ表示声音在介质中的传播速度，u表示声源（扬声器）向观察者（麦克风）运动的速度。由上公式表示当头部转动时，由于带在头上的声源（扬声器）产生位移，在颈部转向一方的麦克风接收频率会增强，根据这个原理可以感应到颈部的转动。
[0024] 现结合图4解释如何通过对声波频率的解析感应颈部的转动情况。对多普勒效应公式作进一步变形得 这个式子表达了频率的变化，显然u越大，频率变化越大。由于θ＞＞u即音速远大于颈部转速，故上式可以进一步简化为由于颈部转动时间比较短，上式可以看作频率f的导数df，在连续的波形图下会出现一个波峰如图4所示，当频率变化率超过特定阀值时，就可以认为出现了颈部转动。
[0025] 一般人们的颈部转动的时间大致为0.2s于是，上面的频率变化公式为以变形为其中d如图3所示表示转动位移，假设扬声器发出频率为20KHZ的声波，音速假定为340m/s，则上式可以计算为f'-f=294d(HZ)。一般颈部的小幅度转动可以产生3cm的头部位移，于是上式可以得出约9HZ的变化。实际上颈部转动时间及得到的位移都要比上面计算要来得快及长，所以可以将9HZ做为阀值。由上面的计算可以发现频率的变化大小依赖f的大小，f越大，则变化越大，因此计算判断精度也会越高的。
[0026] 综上，本发明目的是提供一种感应人体颈部转动的检测方法，实现用颈部转动自然方式的人机交互功能。本技术方案利用了多普勒声波效应，使用的设备是简单便宜的扬声器和麦克风，需要的计算能力及配置要求低，适合大量推广。另外本技术方案相比现有技术无论在精度以及实时性上感应颈部转动有更好的效果，使用户进行人机交互有更好的体现。
[0027] 本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。
[0028] 以上对本发明实施例所提供的一种使用多普勒效应感应颈部转动的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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