楊連池+林春婷

摘 要：文中提出了一種智能家居人機(jī)交互控制設(shè)備的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法。通過空間相對位置關(guān)系，結(jié)合圖像識別實(shí)現(xiàn)對多種設(shè)備進(jìn)行智能控制。該智能遙控器綜合應(yīng)用圖像識別技術(shù)、加速度傳感器、陀螺儀、指南針實(shí)現(xiàn)了定位功能和手勢控制，可自行配對并調(diào)出對應(yīng)控制界面；可以自我學(xué)習(xí)，并根據(jù)用戶使用習(xí)慣優(yōu)化控制界面。該遙控器可應(yīng)用于智能家居設(shè)備控制，用戶可以在電子設(shè)備種類繁多的情況下，實(shí)現(xiàn)“多個遙控器整合成一個遙控器”的目標(biāo)，擺脫按鍵復(fù)雜和易用性差的煩惱。

關(guān)鍵詞：智能家居；人機(jī)交互；圖像識別；傳感技術(shù)；手勢控制；自我學(xué)習(xí)

中圖分類號：TP722 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

現(xiàn)在幾乎每家每戶都有電視、機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)盒子、音響、空調(diào)、風(fēng)扇等電器。這些電器設(shè)備所配備的遙控器種類繁多，使用及管理極其不便，容易出現(xiàn)遙控器混淆和丟失等問題。

目前市場上存在的智能遙控器，可實(shí)現(xiàn)一個遙控器替代多個遙控器控制多個電器的功能，但這種遙控器按鍵繁多，使用復(fù)雜，容易誤操作。在不同設(shè)備之間使用需要通過按鍵頻繁切換。且隨著設(shè)備增多，切換愈加繁瑣。

部分電器采用內(nèi)置App的智能手機(jī)作為智能家居控制終端。但使用過程需要解鎖，打開App，切換控制界面等，操作復(fù)雜，且存在網(wǎng)絡(luò)延遲，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)較差，同時在使用過程中存在手機(jī)私密性無法得到較好保護(hù)等問題。

本文提出了一種自動識別多種設(shè)備的智能遙控器實(shí)現(xiàn)方案，它具有空間相對位置計算功能和圖像識別功能，可實(shí)現(xiàn)對電子設(shè)備的快速識別定位，無需進(jìn)行復(fù)雜的按鍵切換操作即可控制電器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能遙控器的總體框圖如圖1所示。

紅外收發(fā)模塊可實(shí)現(xiàn)遙控器與電子設(shè)備的學(xué)習(xí)配對與控制；加速度傳感器、陀螺儀、指南針等用于遙控器移動偵測以及空間矢量位移計算，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電子設(shè)備的預(yù)判斷；攝像頭位于遙控器前端，用于圖像拍攝和識別；觸摸顯示屏用于顯示控制界面和快捷按鍵；物理按鍵便于快速操作。系統(tǒng)采用鋰電池供電。

系統(tǒng)各功能模塊的布局如圖2所示。

2 學(xué)習(xí)配對方式

2.1 傳統(tǒng)的遙控器紅外對碼方式

紅外對碼框圖如圖3所示。

系統(tǒng)由MCU協(xié)調(diào)各單元，紅外接收電路用以接收要學(xué)習(xí)的紅外信號，紅外發(fā)射電路用以發(fā)射控制電器的紅外信號。MCU根據(jù)鍵盤按鍵是否按下所產(chǎn)生的數(shù)字信號判斷系統(tǒng)處于紅外接收狀態(tài)或紅外發(fā)射狀態(tài)。當(dāng)處于紅外接收狀態(tài)時，MCU將接收到的紅外信號存儲于存儲器中，當(dāng)MCU處于紅外發(fā)射狀態(tài)時，可通過MCU依照對象選擇鍵按下所產(chǎn)生的不同信號，將存儲器當(dāng)中相應(yīng)地址的信號取出。

2.2 攝像頭掃描識別

利用攝像頭拍攝設(shè)備條形碼、銘牌、設(shè)備品牌Logo或設(shè)備特征，或手工錄入設(shè)備品牌型號等相關(guān)信息，然后通過云端數(shù)據(jù)庫檢索到相應(yīng)設(shè)備，下載對應(yīng)的控制代碼，并將控制代碼和設(shè)備特征信息存儲到本地，方便下次使用該電子設(shè)備時直接調(diào)出。

3 設(shè)備圖像識別

3.1 圖像識別的基本過程

遙控器通過圖像識別匹配電子設(shè)備機(jī)型包含兩個階段，分別為學(xué)習(xí)階段和實(shí)現(xiàn)階段，學(xué)習(xí)階段如前所述。實(shí)現(xiàn)階段在遙控器每次使用過程中，將攝像頭提取的電子設(shè)備圖像特征信息和本地保留的圖像信息進(jìn)行比對，調(diào)出相應(yīng)的控制界面。使用若干次后，每次的圖像識別無需詳細(xì)逐一比對各個細(xì)節(jié)，只需識別設(shè)備間的相對位置關(guān)系，結(jié)合控制設(shè)備的典型特征，即可提供相應(yīng)的控制界面。

3.2 圖像識別的實(shí)現(xiàn)

圖像識別過程可以看作是一個圖像的標(biāo)記過程，這種方法無需了解攝像頭提取圖像的具體文字知識或其他相關(guān)知識，只需根據(jù)特征信息比對即可。圖像識別利用Canny算法對圖像進(jìn)行邊緣檢測，再利用Snake模型進(jìn)行輪廓提取[1]。圖4所示為輪廓提取程序流程。

此外，當(dāng)光線傳感器在檢測到環(huán)境照度較低，或遙控器攝像頭拍攝的圖片亮度較低，影響設(shè)備識別時，可通過啟動紅外線發(fā)射單元作為閃光燈進(jìn)行亮度補(bǔ)償，提升圖像識別準(zhǔn)確性。

4 空間定位方式

定位方式基于陀螺儀、加速度傳感器和指南針傳感器。首次使用時，將對房間的空間環(huán)境進(jìn)行全景掃描。通過圖像解析，結(jié)合加速度傳感器、陀螺儀、指南針等的計算，賦予每個典型物品或環(huán)境特征獨(dú)立的坐標(biāo)編碼，并存儲到本地圖像-坐標(biāo)庫。

當(dāng)加速度傳感器偵測到遙控器被拿起時，攝像頭啟動。此時，攝像頭將拍攝前方，識別對應(yīng)的典型物品或環(huán)境特征，比對本地存儲的圖像-坐標(biāo)庫，調(diào)取對應(yīng)的坐標(biāo)作為遙控器初始位置。當(dāng)遙控器停止移動或用戶指向要控制的目標(biāo)設(shè)備時，計算出移動過程的移動矢量，得出目標(biāo)設(shè)備的空間位置，即坐標(biāo)。然后比對本地存儲圖像-坐標(biāo)庫，判斷用戶所指向的設(shè)備，并讀取相應(yīng)的控制信息，使之處于就緒狀態(tài)。然后通過攝像頭識別拍攝的圖像，輔助確認(rèn)控制對象，減少對設(shè)備或環(huán)境變化的誤判，并提供相應(yīng)的控制界面。圖5所示為空間定位流程。

該方式可以事先“推測”可能的控制對象，避免僅依靠圖像識別帶來的大量數(shù)據(jù)計算，從而降低系統(tǒng)功耗，提升設(shè)備響應(yīng)速度，改善用戶體驗(yàn)。

5 智能控制界面

以圖6為運(yùn)用場景，介紹該智能遙控器的使用。

當(dāng)遙控器的攝像頭采集對象為單一對象時，且該設(shè)備周圍并無其他被控制設(shè)備。經(jīng)過空間相對位置關(guān)系的計算和圖像識別輔助確認(rèn)，準(zhǔn)確調(diào)取對應(yīng)電器設(shè)備控制界面。控制界面如圖7所示。

當(dāng)攝像頭采集時遇到控制對象聚集，如對準(zhǔn)電視，但電視周圍有其他電子設(shè)備如機(jī)頂盒，網(wǎng)絡(luò)盒子，功放等，則采用如下方式處理：

（1）之前都將最上方的設(shè)備設(shè)為默認(rèn)控制對象，然后通過相對位置關(guān)系切換到下方其他設(shè)備。默認(rèn)設(shè)備可以根據(jù)用戶使用習(xí)慣進(jìn)行調(diào)整（用戶可自行設(shè)定，或設(shè)備自我學(xué)習(xí)設(shè)定）。endprint

（2）彈出這些設(shè)備相應(yīng)的選擇界面，以供用戶自行選擇。該界面的布局可以根據(jù)用戶習(xí)慣進(jìn)行調(diào)整（用戶可自行設(shè)定，或設(shè)備自我學(xué)習(xí)設(shè)定）。

在前期用戶未形成使用習(xí)慣時，可提供等面積的方塊界面，進(jìn)行單項(xiàng)設(shè)備選擇及相應(yīng)控制界面調(diào)出，也可以對多臺設(shè)備同時開啟或關(guān)閉。達(dá)到多臺設(shè)備之間快速切換和同時控制的目標(biāo)?？刂平缑嫒鐖D8所示。

在用戶形成使用習(xí)慣后，自動將用戶常用設(shè)備調(diào)整至操作最佳位置，并增大其界面占有面積，以提供更快捷、舒適的操作?？刂平缑嫒鐖D9所示。

6 手勢識別控制

利用集成在遙控器里的加速度傳感器結(jié)合陀螺儀，通過分析手勢的運(yùn)動學(xué)特征，在線實(shí)時提取手勢的各傳感器特征量以識別手勢[2]。用戶可將揮舞劃動遙控器，轉(zhuǎn)化成手勢操作來切換并控制不同電子設(shè)備。圖10所示為手勢識別流程。

以圖11所示的應(yīng)用場景為例。用戶可事先為每個設(shè)備定義唯一的手勢，建立手勢-設(shè)備庫，并存儲到本地。當(dāng)用戶劃出某一手勢時，遙控器內(nèi)置的傳感器記錄該手勢，并比對手勢-設(shè)備庫，然后通過遙控器切換到對應(yīng)設(shè)備。比如畫“V”代表控制電視。使用過程如圖12所示。

7 結(jié) 語

以上設(shè)計實(shí)現(xiàn)了智能家居人機(jī)交互控制的簡單化與便捷化。同時系統(tǒng)具備自我學(xué)習(xí)功能，可“推斷”用戶意圖，并根據(jù)用戶習(xí)慣改善設(shè)計，極大地提升了用戶體驗(yàn)，具有廣闊的市場前景。

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