楊連池+林春婷

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

關鍵詞：智能家居；人機交互；圖像識別；傳感技術；手勢控制；自我學習

中圖分類號：TP722 文獻標識碼：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、機頂盒、網(wǎng)絡盒子、音響、空調、風扇等電器。這些電器設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，使用復雜，容易誤操作。在不同設備之間使用需要通過按鍵頻繁切換。且隨著設備增多，切換愈加繁瑣。

部分電器采用內置App的智能手機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，操作復雜，且存在網(wǎng)絡延遲，導致用戶體驗較差，同時在使用過程中存在手機私密性無法得到較好保護等問題。

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

1 系統(tǒng)總體設計

智能遙控器的總體框圖如圖1所示。

紅外收發(fā)模塊可實現(xiàn)遙控器與電子設備的學習配對與控制；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，實現(xiàn)目標電子設備的預判斷；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 學習配對方式

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)調各單元，紅外接收電路用以接收要學習的紅外信號，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生的不同信號，將存儲器當中相應地址的信號取出。

2.2 攝像頭掃描識別

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

3 設備圖像識別

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備機型包含兩個階段，分別為學習階段和實現(xiàn)階段，學習階段如前所述。實現(xiàn)階段在遙控器每次使用過程中，將攝像頭提取的電子設備圖像特征信息和本地保留的圖像信息進行比對，調出相應的控制界面。使用若干次后，每次的圖像識別無需詳細逐一比對各個細節(jié)，只需識別設備間的相對位置關系，結合控制設備的典型特征，即可提供相應的控制界面。

3.2 圖像識別的實現(xiàn)

圖像識別過程可以看作是一個圖像的標記過程，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算法對圖像進行邊緣檢測，再利用Snake模型進行輪廓提取[1]。圖4所示為輪廓提取程序流程。

此外，當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，影響設備識別時，可通過啟動紅外線發(fā)射單元作為閃光燈進行亮度補償，提升圖像識別準確性。

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)境進行全景掃描。通過圖像解析，結合加速度傳感器、陀螺儀、指南針等的計算，賦予每個典型物品或環(huán)境特征獨立的坐標編碼，并存儲到本地圖像-坐標庫。

當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，識別對應的典型物品或環(huán)境特征，比對本地存儲的圖像-坐標庫，調取對應的坐標作為遙控器初始位置。當遙控器停止移動或用戶指向要控制的目標設備時，計算出移動過程的移動矢量，得出目標設備的空間位置，即坐標。然后比對本地存儲圖像-坐標庫，判斷用戶所指向的設備，并讀取相應的控制信息，使之處于就緒狀態(tài)。然后通過攝像頭識別拍攝的圖像，輔助確認控制對象，減少對設備或環(huán)境變化的誤判，并提供相應的控制界面。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，提升設備響應速度，改善用戶體驗。

5 智能控制界面

以圖6為運用場景，介紹該智能遙控器的使用。

當遙控器的攝像頭采集對象為單一對象時，且該設備周圍并無其他被控制設備。經(jīng)過空間相對位置關系的計算和圖像識別輔助確認，準確調取對應電器設備控制界面?？刂平缑嫒鐖D7所示。

當攝像頭采集時遇到控制對象聚集，如對準電視，但電視周圍有其他電子設備如機頂盒，網(wǎng)絡盒子，功放等，則采用如下方式處理：

（1）之前都將最上方的設備設為默認控制對象，然后通過相對位置關系切換到下方其他設備。默認設備可以根據(jù)用戶使用習慣進行調整（用戶可自行設定，或設備自我學習設定）。endprint

（2）彈出這些設備相應的選擇界面，以供用戶自行選擇。該界面的布局可以根據(jù)用戶習慣進行調整（用戶可自行設定，或設備自我學習設定）。

在前期用戶未形成使用習慣時，可提供等面積的方塊界面，進行單項設備選擇及相應控制界面調出，也可以對多臺設備同時開啟或關閉。達到多臺設備之間快速切換和同時控制的目標。控制界面如圖8所示。

在用戶形成使用習慣后，自動將用戶常用設備調整至操作最佳位置，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合陀螺儀，通過分析手勢的運動學特征，在線實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，轉化成手勢操作來切換并控制不同電子設備。圖10所示為手勢識別流程。

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

7 結 語

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

參考文獻

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