Einfache Integration von Gestenerkennung als berührungslose Schnittstelle für belebte, laute Umgebungen

Schon vor der Pandemie gab es eine Nachfrage nach Gestenerkennung als Hilfsmittel für Sehbehinderte sowie für Gaming-Plattformen, Kraftfahrzeuge und medizinische Operationssäle. Die zunehmende Betonung der Hygiene im öffentlichen Raum hat diese Anziehungskraft noch verstärkt, da wir öffentliche Berührungspunkte nach Möglichkeit vermeiden wollen.

Ein solcher Wandel hat die Ingenieure vor eine Herausforderung gestellt: Ein Großteil der Technologie beruht auf der Interaktion zwischen Menschen, aber es ist schwierig, diese Interaktion aufrechtzuerhalten, wenn der physische Kontakt vermieden und in vielen Fällen aktiv unterbunden wird. Die Technologie berührungsloser Schnittstellen bietet eine Lösung.

Es gibt bereits mehrere berührungslose Methoden, darunter Proximity-Touchscreens (bei denen sich der Finger in der Nähe bewegt, aber den Bildschirm nicht wirklich berührt), Eye-Tracking, drahtlose Kurzstreckenfunkgeräte und Spracherkennung. Die Anwendung dieser verschiedenen Technologien beschränkte sich jedoch auf Spezialanwendungen wie medizinische Einrichtungen - wo die Infektionskontrolle schon immer ein Anliegen war -, Industriearbeitsplätze, an denen die Bediener üblicherweise Handschuhe trugen, und autorisierte Zugangspunkte, an denen ein zusätzliches Maß an Sicherheit erforderlich war. Für die meisten anderen Anwendungen war es einfacher und kostengünstiger, stattdessen ein Touchpanel einzubauen.

Da es sich bei berührungslosen Benutzeroberflächen um eine relative Nischentechnologie handelte, verlief die Entwicklung nur langsam, und die Lösungen neigten dazu, klobig zu sein und sich nicht für die Benutzung durch viele Personen zu eignen. Die Pandemie war der Katalysator für eine neue Welle innovativer berührungsloser Schnittstellenprodukte, von denen sich einige als ideal für belebte Verkehrswege und laute öffentliche Räume, von Stadtzentren bis zu Hotelfoyers, erweisen.

Warum eine berührungslose Gestenerkennung?

Jede berührungslose Technologie hat ihre Vorteile, aber die berührungslose Gestenerkennung ist wohl die beste für den Massengebrauch in öffentlichen Situationen. Die Technologie macht es überflüssig, die Finger sorgfältig zu positionieren, wie es bei Proximity-Lösungen erforderlich ist, die für drahtlose Lösungen mit geringer Reichweite erforderlichen Touch-Karten oder -Anhänger mit sich zu führen oder bei der Spracherkennung laut genug zu sprechen, um die Umgebungsgeräusche in belebten Zonen zu überwinden. Die Gestenerkennung ist zudem relativ einfach und kostengünstig zu implementieren und bietet eine hohe Zuverlässigkeit.

Systeme zur Erkennung berührungsloser Gesten achten auf Körperbewegungen wie Winken oder Streichen und interpretieren diese Bewegungen dann als Anweisungen oder Befehle. Bei dieser Methode werden Lichtunterschiede, die durch die Bewegung der Hand durch die Luft entstehen, mit Hilfe von Kameras oder Sensoren für sichtbares oder infrarotes Licht (IR) erkannt.

Es kann zwar einige Designzyklen dauern, bis ein neues Design einsatzbereit ist, aber die Designer sollten sich bewusst sein, dass sie nicht bei Null anfangen müssen. Analog Devices bietet zum Beispiel ein praktisches Referenzdesign für ein kostengünstiges Gestenerkennungssystem. Das Evaluierungsboard „Gesture Sensor Pmod“ (EVAL-CN0569-PMDZ) sendet IR-Impulse aus, während zwei IR-Sensoren nach Reflexionen von einer sich bewegenden Hand suchen (Abbildung 1). Das Referenzdesign erkennt dann dieses Licht und erzeugt eine Antwort auf der Grundlage der Position des Objekts.

Abbildung 1: Das Evaluierungsboard „Gesture Sensor Pmod“ (EVAL-CN0569-PMDZ) ist ein guter Ausgangspunkt für Experimente oder ein neues Design; eine IR-LED sendet Impulse aus, während zwei IR-Sensoren nach Reflexionen von einer sich bewegenden Hand suchen. (Bildquelle: Analog Devices)

Verfolgung von Handgesten

Es reicht nicht aus, dass das System nur weiß, dass irgendwo im Raum um die berührungslose Schnittstelle eine Hand herumfuchtelt. Die meisten Systeme erfordern ein bestimmtes Muster von Handbewegungen, um Fehlauslösungen zu vermeiden. Ein typisches Muster von Handbewegungen besteht darin, den Beginn einer Geste zu erkennen, die Handbewegung während der Geste zu verfolgen und das Ende der Geste zu identifizieren.

Das Gestensensor-Evaluierungsboard erfüllt diese Anforderung, indem es den IR-Lichtwinkelsensor ADPD2140 von Analog Devices verwendet, um das einfallende Licht der sich bewegenden Hand zu erfassen. Ein einziges Gerät kann zweiachsige Ein-Punkt-Messungen des Einfallswinkels von IR-Licht durchführen, so dass mehrere Geräte zusammenarbeiten können, um die Entfernung zu triangulieren. Noch besser ist, dass die IR-Lichtwinkelsensoren sehr unempfindlich gegenüber einer ungenauen Ausrichtung der Hand sind, da sie innerhalb eines großen Sichtfeldes (±35°) linear reagieren.

Ein weiterer entscheidender Vorteil bei der Verwendung des IR-Lichtwinkelsensors ADPD2140 besteht darin, dass er über einen eingebauten optischen Filter mit einer scharfen Abgrenzung für sichtbares Licht verfügt. Dies macht externe Objektive überflüssig und bewahrt den Dynamikbereich des Sensors, wenn er im Sonnenlicht oder in Innenräumen positioniert ist. Der Filter ist auf Licht mit einer Wellenlänge von 800 Nanometern (nm) eingestellt, so dass die LED, die die IR-Impulse erzeugt, Licht oberhalb dieser Wellenlänge aussenden muss, damit Gesten erkannt werden können. Im Referenzdesign dient zum Beispiel ein einzelner 850nm-Emitter als IR-Lichtquelle. Die Lichtquelle ist 6 Millimeter (mm) vom ersten Sensor und 19 mm vom zweiten Sensor entfernt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Im Referenzdesign EVAL-CN0569-PMDZ dient ein einzelner 850nm-Emitter als IR-Lichtquelle. Die Lichtquelle befindet sich 6 mm vom ersten und 19 mm vom zweiten Sensor entfernt. (Bildquelle: Analog Devices)

Bitte das Licht ausschalten

Bei einer Anwendung wie z. B. einem Parkscheinautomaten reicht eine einfache Handbewegung vor dem Sensor aus, um das Gerät zu aktivieren. Andere Anwendungen erfordern jedoch möglicherweise separate Handbewegungen, um verschiedene Dinge zu tun. Bei einem berührungslosen Lichtschalter zum Beispiel muss man die Hand nach oben bewegen, um das Licht einzuschalten, und nach unten, um es auszuschalten.

Durch die Verwendung von zwei Sensoren kann das Referenzboard die Bewegung feststellen, wenn die Hand in den Erfassungsbereich der beiden Sensoren eindringt. Darüber hinaus können die Sensoren aber auch feststellen, welche Art von Handbewegung ausgeführt wird. So kann beispielsweise die Aufwärtsbewegung einer Hand verfolgt und leicht von einer Abwärtsbewegung unterschieden werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Winkelposition der Hand, die eine Aufwärts- und eine Abwärtsbewegung ausführt, wie sie von den IR-Sensoren des Evaluierungsboards erfasst wird. Beachten Sie, dass die horizontale Winkelbewegung (XSTART1 > XEND1 und XSTART2 > XEND2 in blau) begrenzt ist, während die vertikale Winkelbewegung (YSTART1 > YEND1 und YSTART2 > YEND2 in lila) eine Zunahme der Winkelposition bei der Aufwärtsbewegung und eine Abnahme bei der Abwärtsbewegung aufweist. (Bildquelle: Analog Devices)

Der nächste Schritt besteht darin, das Board an einen Computer anzuschließen und zu beobachten, wie bestimmte Gesten auf dem Bildschirm erscheinen. Jede dieser Gesten kann dann innerhalb der zugehörigen Entwicklungsplattform kodiert werden, um die berührungslose Schnittstelle anzuweisen, eine bestimmte Funktion auszuführen.

Fazit

Die berührungslose Gestenerkennung ist eine gute Wahl für eine Schnittstelle an lauten und überfüllten öffentlichen Orten, da die Designer dem Wunsch nach hygienischeren Möglichkeiten der Interaktion mit elektronischen Systemen nachkommen wollen. Wie gezeigt, ist es nicht notwendig, bei Null anzufangen. Stattdessen können Sie mit einem relativ preiswerten IR-LED- und Sensor-Design beginnen, das nicht nur Handbewegungen, sondern auch bestimmte Gesten erkennen kann, und zwar mit dem Evaluierungsboard „Gesture Sensor Pmod“ (EVAL-CN0569-PMDZ).