操小文，薄華

　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W(xué) 信息工程學(xué)院，上海201306）

　　摘要：傳統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)由特征提取和分類器組成,，需要人工設(shè)計(jì)特征,，但很難達(dá)到足夠滿意的效果且耗費(fèi)大量的時(shí)間。將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別,，能直接把圖像數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò),，且不用進(jìn)行復(fù)雜的前期預(yù)處理。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有很強(qiáng)的魯棒性和較低的復(fù)雜性,，通過大量的仿真實(shí)驗(yàn),，證明了該識(shí)別方法具有很好的識(shí)別效果，相比現(xiàn)有方法有較大的優(yōu)勢(shì),。

　　關(guān)鍵詞：特征提??；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；手勢(shì)識(shí)別,；魯棒性

0引言

　　隨著現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，機(jī)器人技術(shù)［1］將會(huì)給人類帶來很大的便利，而人機(jī)交互［2］則是其中最重要的一環(huán),。因此,，要讓機(jī)器人根據(jù)人的指示完成相應(yīng)的動(dòng)作，就必須要讓機(jī)器人“明白”人的指示,。人們平時(shí)運(yùn)用最多的就是手勢(shì),，而基于視覺的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)涉及到模式識(shí)別［3］、圖像處理以及計(jì)算機(jī)視覺［4］等許多領(lǐng)域,，是現(xiàn)在非常熱門的研究課題,。目前國(guó)內(nèi)對(duì)基于視覺的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)已展開了許多的研究工作。

　　關(guān)于手勢(shì)識(shí)別［5］的常用算法有以下三種：（1）基于幾何特征［6］的手勢(shì)識(shí)別,。將手勢(shì)的區(qū)域和邊緣特征用作待識(shí)別的特征,，并采用各種距離公式進(jìn)行模板匹配。該方法有較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性,，但是學(xué)習(xí)能力不足且效率不高,，有很明顯的不足。（2）基于隱馬爾可夫模型的手勢(shì)識(shí)別,。這是一種統(tǒng)計(jì)分析模型,，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一般性，能夠很好地描述手勢(shì)信號(hào)的時(shí)空變化,，適用于動(dòng)態(tài)手勢(shì)的識(shí)別,，但是計(jì)算量過于龐大且速度緩慢，不能很好地滿足當(dāng)前應(yīng)用的需要,。（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7］的手勢(shì)識(shí)別,。具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和抗干擾能力，而且網(wǎng)絡(luò)能很好地?cái)M合各類非線性映射,，在擁有更快的計(jì)算速度的同時(shí)還有很強(qiáng)的魯棒性和泛化能力,，但由于其對(duì)時(shí)間序列的處理能力不強(qiáng)，主要應(yīng)用于靜態(tài)手勢(shì)識(shí)別［8］,，而對(duì)于動(dòng)態(tài)手勢(shì)的識(shí)別［9］則效果不佳,。

　　由以上分析可知，現(xiàn)有算法都有或多或少的缺陷,，因此未能得到很好的應(yīng)用,。而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Ｃonvolutional Neural Network,CNN）在二維圖像處理中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在手勢(shì)識(shí)別中的研究也漸漸開展。

1卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　傳統(tǒng)圖像識(shí)別［10］的分類模型如圖1所示,。人工設(shè)計(jì)特征是一件非常耗時(shí)耗力的事情,，必須要有非常深厚的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)才能確定出能用于正確分類的特征。然而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［11］則不需要人工設(shè)計(jì)特征,，它能夠?qū)D像數(shù)據(jù)直接輸入網(wǎng)絡(luò)中,，然后在輸出端即可給出分類結(jié)果。其分類模型如圖2所示,。

　　1.1CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　CNN包含有兩種特殊的神經(jīng)元層,，分別是卷積層和下采樣層［12］，其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由卷積層（C）和下采樣層（S）交替出現(xiàn)最后與全連接層（F）相連所構(gòu)成,，并在最后的輸出層給出結(jié)果,。本文的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　卷積操作其實(shí)是用一個(gè)卷積核［13］（即特征矩陣）在圖像矩陣上移動(dòng),，卷積核與圖像上相對(duì)位置的元素作乘積,，最后將所得結(jié)果相加得到一個(gè)值。當(dāng)卷積核移動(dòng)完畢,，所有值就構(gòu)成了一個(gè)新的圖像矩陣,，即完成了對(duì)上一層的特征抽取。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如（1）所示：

　　其中,，f為激活函數(shù),，一般為sigmoid或tanh；b為偏置項(xiàng),。

　　下采樣則相當(dāng)于對(duì)特征進(jìn)行二次提取,，這樣做是為了對(duì)上一層的特征進(jìn)行降維，減少計(jì)算量并且避免因特征過多導(dǎo)致出現(xiàn)過擬合,。經(jīng)過降維后的特征更能刻畫出圖像的一般性,，更加適用于分類［14］，并可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)位移的魯棒性,。

　　下采樣的一般形式如式（2）：

　　xij=down(xi-1j）(2)

　　down(·) 為下采樣函數(shù),，與卷積操作類似，其也是對(duì)一個(gè)區(qū)域的加權(quán)求和,，若用n×n大小的窗口進(jìn)行下采樣,，最終的圖像大小將會(huì)是輸入圖像的1/n。

　　1.2基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法及訓(xùn)練過程

　　本文所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有8層,，包含輸入層,、3層卷積層,、3層下采樣層,、1層全連接層。與參考文獻(xiàn)［8］相比，本文所用網(wǎng)絡(luò)多了一層卷積層和一層下采樣層,，且卷積核大小設(shè)置也不一樣,。本文將網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率（alpha）設(shè)置為0.2，批次大?。╞atchsize）設(shè)置為20,，迭代次數(shù)（numepochs）設(shè)置為150。且卷積核和各偏置等參數(shù)的初始值均隨機(jī)產(chǎn)生,，輸入樣本后通過前向傳播和反向傳播算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練來更新參數(shù),。其中每層所做的操作如下：

　　(1)輸入層是已經(jīng)歸一化為48×48的圖像，經(jīng)二值化處理后即可輸入網(wǎng)絡(luò),。

　　(2)C1網(wǎng)絡(luò)層是對(duì)輸入圖像進(jìn)行卷積所得結(jié)果,，本文使用7×7的卷積核對(duì)輸入圖像進(jìn)行特征抽取，該層特征圖為3張,，大小為42×42,。

　　(3)S2網(wǎng)絡(luò)層是對(duì)C1層進(jìn)行的抽樣，抽樣窗口大小為2×2,，此時(shí)特征圖數(shù)量仍為3張,，大小為21×21。

　　(4)C3是對(duì)S2的卷積操作,，卷積核大小設(shè)置為6×6,，特征圖為5張，大小為16×16,。

　　(5)S4網(wǎng)絡(luò)層（同S2）,，為第二個(gè)下采樣層，抽樣窗口仍是2×2,，特征圖為5張,，大小為8×8。

　　(6)C5是第三個(gè)卷積層,，卷積核大小為5×5,，此時(shí)圖像大小為4×4，特征圖數(shù)量設(shè)置為7張,。

　　(7)S6是第三個(gè)下采樣層,，經(jīng)2×2的抽樣窗口后大小是2×2，圖像數(shù)量為7張,。

　　(8)F7層是全連接層,，是把S6層的特征數(shù)據(jù)向量化后連接到輸出層。根據(jù)分類的類別數(shù),，本文的輸出層有三個(gè)神經(jīng)元,，即分三類。

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定后，利用前向傳播（fp）,、反向傳播（bp）等算法確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù),，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就訓(xùn)練完畢。

2仿真實(shí)驗(yàn)

　　2.1手勢(shì)圖像的預(yù)處理

　　雖然CNN可以直接輸入原始圖像,，但是簡(jiǎn)單的預(yù)處理可以使最終識(shí)別效果更好而又不耗費(fèi)太多時(shí)間,。

　　本文將圖像進(jìn)行灰度和二值化處理，最終歸一化到48×48作為試驗(yàn)的最終輸入數(shù)據(jù),，如圖4所示,。

　　2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為作者自己拍攝，手勢(shì)總共有3種,，分別是指向手勢(shì)1,、勝利手勢(shì)2、搖滾手勢(shì)3,，如圖5所示,。當(dāng)用設(shè)備拍攝時(shí)，保持設(shè)備與手的位置基本不變,，在限制范圍內(nèi),，手可以任意旋轉(zhuǎn)、平移,，方向不定,。

　　對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，樣本的多少對(duì)最終學(xué)習(xí)效果有很大的影響,。樣本過少會(huì)使網(wǎng)絡(luò)無法學(xué)習(xí)到圖像的有效特征,，降低識(shí)別效率。因此本文拍攝了大量的樣本來進(jìn)行試驗(yàn),，從各類手勢(shì)中選取2 500個(gè)訓(xùn)練樣本和500個(gè)測(cè)試樣本,。取其迭代10次的平均識(shí)別率作為該方法的最終識(shí)別率。

　?。?）分別用圖像的灰度圖和二值圖進(jìn)行試驗(yàn),，結(jié)果如表1、表2所示,。

　　由以上結(jié)果可知,，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在手勢(shì)識(shí)別中擁有較高的識(shí)別率，且在單一背景下因手的灰度與周圍環(huán)境的反差,，用二值圖像能獲得更好的識(shí)別率,。后續(xù)試驗(yàn)均采用二值化圖像進(jìn)行。

　?。?）為了驗(yàn)證該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的魯棒性,，模擬真實(shí)情況下的場(chǎng)景,，給圖像加上3種不同程度的噪聲和3種不同程度的運(yùn)動(dòng)模糊。如圖6所示,。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3~表8所示。

　　由上述結(jié)果可知,，給圖像加了噪聲和運(yùn)動(dòng)模糊后,，各類手勢(shì)的識(shí)別率均有所下降，且受影響最大的為手勢(shì)3,，可能因?yàn)槭謩?shì)3最復(fù)雜,，所包含的特征數(shù)最多，在噪聲和模糊的影響下所掩蓋的特征最多,，導(dǎo)致識(shí)別率下降最快,。但是在一定程度內(nèi)，識(shí)別率雖有所下降但依舊維持在一個(gè)較高的水準(zhǔn),，表明該網(wǎng)絡(luò)確實(shí)有很強(qiáng)的魯棒性,，沒有因?yàn)樵肼暫湍：拇嬖诙霈F(xiàn)較大的異常，完全可以滿足現(xiàn)有的應(yīng)用需要,。

3結(jié)論

　　卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避免了對(duì)圖像前期復(fù)雜的預(yù)處理,，不用去人工設(shè)計(jì)和提取特征，節(jié)省了大量的時(shí)間和人工成本,。其獨(dú)特的卷積-下采樣結(jié)構(gòu)使其擁有很強(qiáng)的容忍畸變的能力,，而獨(dú)有的權(quán)值共享則極大地縮減了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練參數(shù)，大大降低了計(jì)算量,，且使其擁有更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的適應(yīng)能力,，給圖像處理領(lǐng)域帶來了極大的方便。

　　本文通過大量的仿真實(shí)驗(yàn),，驗(yàn)證了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在手勢(shì)識(shí)別中的高效性和強(qiáng)魯棒性,，具有很好的應(yīng)用前景。后續(xù)可以通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和算法的一些改進(jìn),，進(jìn)一步降低其在手勢(shì)識(shí)別中的誤識(shí)率,。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 劉江華,程君實(shí),陳佳品.基于視覺的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別及其在仿人機(jī)器人交互中的應(yīng)用［J］. 機(jī)器人,， 2002,，24(3):4651.

　　［2］ 王茂吉.基于視覺的靜態(tài)手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)［D］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),，2006.

　?。?］ 孫世輝.基于視覺的復(fù)雜背景下手勢(shì)識(shí)別方法的研究［D］. 大連：大連海事大學(xué)，2014.

　?。?］ 王振,高茂庭.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī),，2015,，34(7):6166.

　　［5］ 張圓圓.基于視覺的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用研究［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,，2015,，34(1):131135.

　　［6］ 殷倩倩.基于計(jì)算機(jī)視覺的靜態(tài)手勢(shì)識(shí)別［D］. 上海：復(fù)旦大學(xué),，2014.

　?。?］ 陳先昌.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法與應(yīng)用研究［D］.杭州：浙江工商大學(xué),2013.

　　［8］ 劉飛飛.基于視覺的實(shí)時(shí)手勢(shì)識(shí)別及應(yīng)用［D］. 西安：長(zhǎng)安大學(xué),，2015.

　?。?］ 王西穎,戴國(guó)忠,張習(xí)文,等.基于HMMFNN模型的復(fù)雜動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別［J］. 軟件學(xué)報(bào)， 2008,，19(9):2529.

　?。?0］ 楊耿,和衛(wèi)星.運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005,，13(3):267269.

　?。?1］ LECUN Y, BOTTOU L, BENGIO Y, et al. Gradientbased learning applied to document recognition［J］. Proceedings of the IEEE, 1998,86(11):22782324.

　　［12］ 趙志宏,楊紹普,馬增強(qiáng).基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LeNet5的車牌字符識(shí)別研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2010,22(3):638641.