【CurieNano项目1】CuriePME 神经元手势识别

灯灯灯

本帖最后由灯灯灯于 2017-5-19 14:14 编辑

概述：
   Curie芯片本身就是为智能可穿戴设计，它内部自带加速度计陀螺仪(IMU)和模式识别引擎(PME，也可称为硬件神经网络)，我们可以采集来自CurieIMU的加速度计数据，对数据进行预处理后扔进模式识别引擎，对手势进行学习训练，训练后的模式识别引擎，可以在人做出手势后进行手势分类。手势识别功能在智能穿戴、智能手环上会获得很好的应用。    因为神经网络为我们提供了学习的灵活性，我们不需要任何对代码的改动就能让Curie学习任意手势。目前识别率高的手势有：上下左右滑动，顺逆时针划圈，双击，三击。
   另外，我这个代码的亮点还在于，它能区分静止和运动两种状态，自动识别人是否在做手势。我阅读了官网上给出的例程，它是需要外接一个按钮，人做手势的时候需要按下按钮。显然我提供的例程比它方便多了

目的：
      使用CurieNano实现手势的训练和识别。

硬件/软件需求：
   硬件需求： CurieNano/Arduino 101 、电脑
   软件需求： Arduino 101 2.x+库、 CuriePME库、 SerialFlash库

代码下载：
      请在帖子最后查看代码。       或前往我的git库下载：https://git.ustclug.org/WangXuan.c/gesture-learn/
      其中Arduino代码的路径为：gesture-learn/code/Gesture
      要想上传代码，首先确认你拥有Arduino 101的2.x版本的库，其次你需要两个第三方库：

Curie模式识别库：https://github.com/01org/Intel-Pattern-Matching-Technology
SerialFlash库：https://github.com/PaulStoffregen/SerialFlash

      以上两个库下载解压后需要放在这个目录下：Arduino目录\libraries

展示视频：
      视频也在git库里，克隆git库后，视频路径为：gesture-learn/video/5-11***


目前功能：
支持：
   1、不需要任何其他外设，只需要一台电脑和一个CurieNano，自动捕捉动态手势，对若干个任意的手势进行训练。
   2、可以自定义任意手势，目前识别率较高的有：左移并返回、右移并返回、上移并返回、下移并返回、顺时针画圈、逆时针画圈、左右摇晃、双击、三击
   3、将训练的数据存入板载SPI FLASH，断电不丢失
   4、从SPI FLASH里读取上次训练的数据，一次学习，多次使用。
局限性：
   因为只使用了一个CurieNano，因此只支持3个自由度的手势识别（比如绑在手腕上），不支持负责的手指动作识别。

使用方法：
   下载程序后，打开串口，如果你是第一次运行，则直接进入手势训练模式，请在串口提示信息下做手势，对CurieNano进行训练。训练结束后，串口会提示是否将数据存储到板载Flash芯片，请在串口监视器上打y/n进行选择。之后就进入识别模式，你每做一个手势，101会给出识别结果。
   若你已经保存了一份手势数据，上电运行时可以在提示下按y读取，然后直接进入识别模式。
   请注意CurieNano板载的LED灯（13号引脚的LED灯），灯亮则认为用户在做手势，灯灭则代表进入基本静止（无手势）的状态。当你开始做一个手势时，请等待板载LED灯熄灭后再开始。当你做完一个手势时，也请确保LED灯熄灭。
   一个手势不能太长，也不能太短。以0.8秒到3秒为宜。

编程思路：
   主要参考论文《基于加速度计的手势识别》代宏斌。大体思路相同，但具体实现有所不同，主要为以下几步：

加速度计数据采集
数据预处理： 1、删除相邻重复数据、平滑滤波 2、提取动作片段 3、时间轴归一化，压缩数据维数到固定值 4、三轴数据拼接为一个向量 5、幅度轴归一化，压缩数据使加速度值范围为0~255，均值为128，最小值和最大值相差128
预处理的数据交付神经网络进行训练或识别。

参考文献：
[1] 基于加速度计的手势识别代宏斌

代码：

/*
* Author : 灯灯
* HardWare : Intel Curie
* Description : Hand Gesture Training and classifing
*/
#include <CurieIMU.h>
#include <CuriePME.h>
#include <SerialFlash.h>
// 注意：
// 做所有手势前必须保持静止，手势做完也有保持静止，程序会自动从两个静止中提取动作数据。
// 不要连续做两个动作，动作中间一定要有至少半秒的停顿
// 一个动作不能太长也不能太短，控制在半秒到2秒之内
// 做动作的时候尽量保持101指向一个方向，不要翻转它
// 在此处添加更多的手势
char *gestures[] = {
"Right shift and go back", // 右划并返回原位
"Left shift and go back", // 左划并返回原位
"Up shift and go back",
"Down shift and go back",
"Draw circle anticlockwise", // 逆时针画圈
"Draw circle clockwise", // 顺时针画圈
"Double click",
"Triple click"
};
const int GESTURE_CNT = ( sizeof(gestures) / sizeof(*gestures) ) ;
// 板载LED灯控制
// 当101识别到手势时，LED灯亮
#define LED_PIN 13
#define LED_READY { pinMode(LED_PIN, OUTPUT);digitalWrite(LED_PIN, LOW); }
#define LED_ON digitalWrite(LED_PIN, HIGH)
#define LED_OFF digitalWrite(LED_PIN, LOW)
#define DEBUG_PRT(x) Serial.print(x)
#define DEBUG_CRLF Serial.println()
#define ASSERT(x,msg) { if(!(x)) {Serial.print("*** Error! "); Serial.println(msg); } }
// 在WSIZE次采样内极差不超过THRESHODE，认为无手势
#define WSIZE 30
// 支持的最长手势片段
#define LEN 230
// 支持的最短手势片段
#define MINLEN 30
// 时间归一化后的向量长度
#define LLEN 30
// 认为无手势的门限
#define THRESHODE 2000
// 单个手势的学习次数
#define LEARN_CNT 12
const int FlashChipSelect = 21;
// 数据预处理类
// 功能：手势片段截取、平滑滤波、时间归一化、幅值归一化、数据量精简、三轴数据拼接
// 预处理后的数据才能扔进神经网络
class dataPreProcessor{
private:
int index;
int x, y, z;
int lx, ly, lz;
int xWindow[WSIZE], yWindow[WSIZE], zWindow[WSIZE];
int xBuffer[ LEN ], yBuffer[ LEN ], zBuffer[ LEN ];
int xMax, xMin, yMax, yMin, zMax, zMin;
int xAvg, yAvg, zAvg;
// 读取三轴加速度计数据
void readRawData(){
do{
CurieIMU.readAccelerometer(x, y, z);
}while(x==lx && y==ly && z==lz);
lx = x; ly = y; lz = z;
}
// 数据放入循环数组，并计算是否存在手势动作，存在则返回true，否则返回false
bool push(){
readRawData();
xWindow[index] = x; yWindow[index] = y; zWindow[index] = z;
index = (index+1) % WSIZE;
xMax=xWindow[0], xMin=xWindow[0], yMax=yWindow[0], yMin=yWindow[0], zMax=zWindow[0], zMin=zWindow[0];
xAvg = 0; yAvg = 0; zAvg = 0;
for(int i=1; i<WSIZE; i++){
xAvg += xWindow[i];
yAvg += yWindow[i];
zAvg += zWindow[i];
if(xMax<xWindow[i]) xMax = xWindow[i];
if(xMin>xWindow[i]) xMin = xWindow[i];
if(yMax<yWindow[i]) yMax = yWindow[i];
if(yMin>yWindow[i]) yMin = yWindow[i];
if(zMax<zWindow[i]) zMax = zWindow[i];
if(zMin>zWindow[i]) zMin = zWindow[i];
}
xAvg /= WSIZE; yAvg /= WSIZE; zAvg /= WSIZE;
return ( (xMax-xMin) + (yMax-yMin) + (zMax-zMin) ) > THRESHODE ;
}
// 填满窗口
void restart(){
index = 0;
for(uint16_t cnt=WSIZE; cnt>0; cnt--){
push();
}
}
public:
// 存放预处理结果，即神经网络用于训练的向量
uint8_t data[LLEN*3];
// 识别下一个动作，若动作不合法则返回false，合法则返回true，同时更新data向量。
bool nextGesture(){
restart();
// 等待直到持续无动作
while( push()==true );
// 等待直到出现动作
while( push()==false );
int xA = xAvg, yA = yAvg, zA = zAvg;
int xMa=x, xMi=x, yMa=y, yMi=y, zMa=z, zMi=z;
int len = 0;
LED_ON;
while( push()==true ){
xBuffer[len] = x; yBuffer[len] = y; zBuffer[len] = z;
if( (++len) >= LEN )
return false;
if(xMa<x) xMa = x;
if(xMi>x) xMi = x;
if(yMa<y) yMa = y;
if(yMi>y) yMi = y;
if(zMa<z) zMa = z;
if(zMi>z) zMi = z;
};
LED_OFF;
len -= WSIZE;
if( len < MINLEN ) return false;
int delta = max( max( (xMa-xMi) , (yMa-yMi) ) , (zMa-zMi) );
xA = (xA+xAvg)/2; yA = (yA+yAvg)/2; zA = (zA+zAvg)/2;
// 进行均值滤波、时间归一化、幅度归一化，得到预处理的最终步骤
for(int i=0; i<LLEN; i++){
int j = (i*len) / LLEN ;
int k = ((1+i)*len) / LLEN ;
data[i] = 128; data[i+LLEN] = 128; data[i+LLEN*2] = 128;
for(int s=j; s<k; s++){
data[i] += ( (xBuffer[s]-xA) * 128 ) / delta / (k-j);
data[i+LLEN] += ( (yBuffer[s]-yA) * 128 ) / delta / (k-j);
data[i+LLEN*2] += ( (zBuffer[s]-zA) * 128 ) / delta / (k-j);
}
}
/*
// 可在“串口绘图器”上显示不同的手势经预处理后的数据
for(int i=0; i<(LLEN*3); i++){
DEBUG_PRT(data[i]); DEBUG_CRLF;
}
*/
return true;
}
};
// 实例化数据预处理类
dataPreProcessor processor;
// 校正3轴加速度计值
void resetAccelerometer(){
CurieIMU.autoCalibrateAccelerometerOffset(X_AXIS, 0);
CurieIMU.autoCalibrateAccelerometerOffset(Y_AXIS, 0);
CurieIMU.autoCalibrateAccelerometerOffset(Z_AXIS, 1);
}
bool ask(const char* question){
Serial.print(question);
Serial.println(" (y|n)");
int c;
do{
c = Serial.read();
}while(c!='y' && c!='n');
return c=='y';
}
#define FILE_NAME "NeurData.dat"
void setup() {
LED_READY;
Serial.begin(115200);
while(!Serial);
CurieIMU.begin();
CurieIMU.setAccelerometerRange(5);
Serial.println("Initialized CurieIMU!");
// 校正3轴加速度计值（可选）
// resetAccelerometer();
CuriePME.begin();
Serial.println("Initialized CuriePME!");
bool flashAvailable = SerialFlash.begin(FlashChipSelect);
if (!flashAvailable) {
Serial.println("Unable to access SPI Flash chip. You can only train new gestures");
}else{
Serial.println("Initialized CurieSerialFlash!");
if( SerialFlash.exists(FILE_NAME) && ask("Old trained data found! Do you want to load learned data?(y) or train new gestures?(n)") ){
restoreNetworkKnowledge();
Serial.println("\nNow do gestures. Arduino 101 will classify them.");
Serial.println();
return;
}
}
// 倒计时过程中，用户把Arduino 101拿在手里，准备学习
Serial.println("Start Training after 5s, prepare to keep your Arduino 101 in static...");
for(int i=5;i>0;i--){
Serial.print(i);Serial.println("...");
delay(1000);
}
Serial.println();
// 开始进行训练
for(int i=0; i<GESTURE_CNT; i++){
Serial.print("Learn gesture "); Serial.print(i+1); Serial.print("/"); Serial.println(GESTURE_CNT);
Serial.print("gesture name: "); Serial.println(gestures[i]);
for(int j=0; j<LEARN_CNT; j++){
Serial.print(j+1); Serial.print("/"); Serial.print(LEARN_CNT); Serial.print(" Now do this gesture...");
while(processor.nextGesture()==false){
Serial.print("invalid gesture,try again...");
};
CuriePME.learn(processor.data, 3*LLEN, i+1);
Serial.println("OK!");
}
Serial.println("Done with this gesture!");
Serial.println();
}
if(!flashAvailable)
flashAvailable = SerialFlash.begin(FlashChipSelect);
if( flashAvailable && ask("Do you want to save trained data? this may cover the old trained data.") ){
saveNetworkKnowledge();
}
// 训练结束，在loop函数里进行手势识别
Serial.println("Now do gestures. Arduino 101 will classify them.");
Serial.println();
}
// 持续手势识别...
void loop(){
while(processor.nextGesture()==false);
int answer = CuriePME.classify(processor.data, 3*LLEN);
if( answer == CuriePME.noMatch ){
Serial.println("Unknown Gesture");
}else{
Serial.println(gestures[answer-1]);
}
}
void saveNetworkKnowledge(){
const char *filename = "NeurData.dat";
SerialFlashFile file;
Intel_PMT::neuronData neuronData;
uint32_t fileSize = 128 * sizeof(neuronData);
Serial.print( "File Size to save is = ");
Serial.print( fileSize );
Serial.print("\n");
create_if_not_exists( filename, fileSize );
// Open the file and write test data
file = SerialFlash.open(filename);
file.erase();
CuriePME.beginSaveMode();
if (file) {
// iterate over the network and save the data.
while( uint16_t nCount = CuriePME.iterateNeuronsToSave(neuronData)) {
if( nCount == 0x7FFF)
break;
Serial.print("Saving Neuron: ");
Serial.print(nCount);
Serial.print("\n");
uint16_t neuronFields[4];
neuronFields[0] = neuronData.context;
neuronFields[1] = neuronData.influence;
neuronFields[2] = neuronData.minInfluence;
neuronFields[3] = neuronData.category;
file.write( (void*) neuronFields, 8);
file.write( (void*) neuronData.vector, 128 );
}
}
CuriePME.endSaveMode();
Serial.print("Knowledge Set Saved. \n");
}
bool create_if_not_exists(const char *filename, uint32_t fileSize){
if (!SerialFlash.exists(filename)) {
Serial.println("Creating file " + String(filename));
return SerialFlash.createErasable(filename, fileSize);
}
Serial.println("File " + String(filename) + " already exists");
return true;
}
void restoreNetworkKnowledge(){
const char *filename = "NeurData.dat";
SerialFlashFile file;
int32_t fileNeuronCount = 0;
Intel_PMT::neuronData neuronData;
// Open the file and write test data
file = SerialFlash.open(filename);
CuriePME.beginRestoreMode();
if (file) {
// iterate over the network and save the data.
while(1) {
Serial.print("Reading Neuron: ");
uint16_t neuronFields[4];
file.read( (void*) neuronFields, 8);
file.read( (void*) neuronData.vector, 128 );
neuronData.context = neuronFields[0] ;
neuronData.influence = neuronFields[1] ;
neuronData.minInfluence = neuronFields[2] ;
neuronData.category = neuronFields[3];
if (neuronFields[0] == 0 || neuronFields[0] > 127)
break;
fileNeuronCount++;
// this part just prints each neuron as it is restored,
// so you can see what is happening.
Serial.print(fileNeuronCount);
Serial.print("\n");
Serial.print( neuronFields[0] );
Serial.print( "\t");
Serial.print( neuronFields[1] );
Serial.print( "\t");
Serial.print( neuronFields[2] );
Serial.print( "\t");
Serial.print( neuronFields[3] );
Serial.print( "\t");
Serial.print( neuronData.vector[0] );
Serial.print( "\t");
Serial.print( neuronData.vector[1] );
Serial.print( "\t");
Serial.print( neuronData.vector[2] );
Serial.print( "\n");
CuriePME.iterateNeuronsToRestore( neuronData );
}
}
CuriePME.endRestoreMode();
Serial.print("Knowledge Set Restored. \n");
}

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