在繁忙吵雜的環境中輕鬆添加手勢辨識的非接觸式介面

即使是在疫情之前，手勢辨識就具有相當的吸引力，因為可以輔助視覺障礙者，並能運用在遊戲平台、汽車以及醫療手術上。對公共空間衛生越來越重視，只會加大這個吸引力，因為我們會盡可能避免接觸公開場所的觸控介面。

這個改變讓工程師面臨挑戰：有許多技術都需要與人員大量互動，但是如果在許多情況下，都要盡量避免肢體接觸，就很難維持互動。這時，非接觸式介面技術就可提供解決方案。

目前已有幾種非接觸式方法獲得運用，包括近距離觸控螢幕 (手指靠近而非實際觸碰到螢幕)、眼球追蹤、短距離無線技術以及語音辨識。即便這些技術種類繁多，但也僅限於運用在專業場域，例如需要控管感染風險的醫療設施、操作人員習慣穿戴手套的工業工作場所，以及需要額外安全措施才能授權進入的地點。對於其他大多數應用來說，使用觸控面板會更容易，成本也較低。

由於非觸控式介面屬於相對專精的技術，開發進度緩慢，解決方案也往往顯得笨重又不適合高流量使用。疫情催生出新一波非接觸式介面產品的創新風潮，其中有一些已證實適合應用在吵雜繁忙的公共空間，包括市中心到飯店大廳等。

為何使用非接觸式手勢辨識？

每一種非接觸式技術都有優點，不過在公共場所這種使用量極高的地方，非接觸式手勢辨識技術可說是最適合的技術。這種技術不用像近距離觸控技術一樣，需小心翼翼控制手指的位置，也不像短距離無線技術一樣，需攜帶觸控卡片或遙控器，更無須像是語音辨識那樣大聲說話，以免受到環境噪音或繁忙區域的影響。手勢辨識成本較低，也更容易施行，技術也很可靠。

非接觸式手勢辨識系統會偵測肢體動作，像是揮手或滑動等動作，並解讀那些動作代表的指示或命令。這種技術的原理是利用鏡頭、可見光或紅外線 (IR) 光源感測器，偵測空氣中的光線因手部動作而產生的變化。

雖然新設計從完成到順利運作需要一些設計週期時間，但設計人員應該能夠察覺，他們無需從頭開始設計。以 Analog Devices 為例，他們就提供低成本手勢辨識系統的實用公版設計。EVAL-CN0569-PMDZ 手勢感測器 Pmod 評估板會在兩個 IR 感測器偵測手部揮動產生的反射時，傳輸 IR 脈衝 (圖 1)。此公版設計接著會偵測此光線，並依據物件的位置產生反應。

圖 1：EVAL-CN0569-PMDZ 手勢感測器 Pmod 評估板是很好的試驗起點，也可依此開發新設計；兩個 IR 感測器偵測手部動作的反射時，IR LED 會傳輸脈衝。(圖片來源：Analog Devices)

追蹤手勢

系統若只能偵測到非接觸式介面附近的空間有手在揮動是不夠的。大多數系統需要能辨認手部的動作模式，以避免誤觸指令。典型的手部動作模式包含了偵測手勢的起始動作、在手勢揮動期間追蹤手部動作、辨別手勢的結尾動作。

只要使用 Analog Device 的 ADPD2140 IR 光線角度感測器來偵測手部移動時的入射光，手勢感測器評估板就能符合使用要求。只要單一裝置就可以針對 IR 光線進行雙軸單點的入射角量測，若有多組裝置，就能互相配合測量三角距離。此外，IR 光線角度感測器無法接收非精準對齊的手部位置，因為感測器需要在寬 (±35°) 視角內維持線性反應。

ADPD2140 IR 光線角度感測器內建濾光片，可以銳截止可見光，這也是其主要優點之一。如此就無需使用外部鏡片，並可在感測器放置於陽光下或接觸室內光源時，維持感測器的動態範圍。濾光片的設計是針對波長為 800 nm 的光，因此 LED 產生的 IR 脈衝必須發出高於此波長的光，才能定位手勢。以公版設計為例，單一個 850 nm 發射器就可當作 IR 光源。此光源與第一組感測器間的距離為 6 mm，與第二組感測器的距離則為 19 mm (圖 2)。

圖 2：EVAL-CN0569-PMDZ 的公版設計中，單一個 850 nm 發射器可以當作 IR 光源。光源與第一組感測器的距離為 6 mm，與第二組感測器的距離則為 19 mm。(圖片來源：Analog Devices)

請關閉燈光

在停車場出票機之類的應用中，只要在感測器前面揮手就足以啟動機器。若是其他應用，則可能要不同的手部動作來執行不同操作。舉例來說，非接觸式的燈光開關可能就要向上揮動手部來開啟燈光、向下揮動來關閉燈光。

使用兩組感測器，參考板就能判定手部通過各感測器圓錐狀偵測範圍時的動作。除此之外，感測器還能判定手部動作的種類。舉例來說，感測器可以追蹤手部向上揮的動作，並輕易區分其與向下揮動之間的差別 (圖 3)。

圖 3：評估板 IR 感測器偵測到手部的角位置先是「向上」，接著「向下」。請注意，在垂直角度動作 (YSTART1 > YEND1 與 YSTART2 > 紫色的 YEND2) 上滑時出現角位置增加、下滑時減少的同時，水平角度的動作 (XSTART1 > XEND1 與 XSTART2 > 藍色的 XEND2) 是如何受到限制。(圖片來源：Analog Devices)

下個步驟是要將面板連接至電腦，並觀察螢幕上的手勢精確程度。這些手勢接著可以在相關的開發平台進行編碼，來指示非接觸式介面執行特定功能。

結論

設計人員想在電子系統互動上迎合衛生趨勢，因此在吵雜、擁擠的公共場所使用介面時，非接觸式手勢辨識是很好的選擇。如本文所述，設計人員無需從頭開始設計。反而可以從價格相對便宜的 IR LED 和感測器設計開始，只要使用 EVAL-CN0569-PMDZ 手勢感測器 Pmod 評估板，不只能偵測手部動作，還可以分辨精確手勢。