CN101615032A - 一种自动调节电视机角度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调节电视机角度的装置，该装置通过摄取电视机前一定范围内的景物并根据摄取到的图像识别出所有正在观看电视节目的用户，从而将电视机调节到所有用户都满意的观看角度，属于数字家庭人机信息交互技术领域。该装置包括红外探测装置、摄像装置、内存单元、中央处理单元、控制模块和计时器。利用此发明实现了对电视机角度控制的自动化，避免了手动或遥控调节的麻烦，体现了数字家庭中家电设备的人性化。

Description

一种自动调节电视机角度的装置

技术领域

本发明属于数字家庭人机信息交互技术领域，特别是涉及一种数字家庭设备的自动控制技术。

背景技术

电视机作为现代家庭中最主要的娱乐方式之一，极大地丰富了人们的家庭文化生活。特别是数字电视问世之后，其功能越来越强大，节目内容极大丰富，电视机已成为人们日常生活不可或缺的一部分。目前大部分电视机都是固定在一个台面，不能自由转动。当用户观看电视节目的时候，有时候为了舒适自然，需要用户手动搬动电视机调整其可视角度以获得较好的观赏效果。这样做既费时又费力，使用起来很不方便。

公开号为CN2731871的专利提出了一种遥控电动旋转电视机座的方案，省去了用户搬动电视机的麻烦，但也有其不足之处。首先它没有考虑到当用户相对电视机所在方向与屏幕夹角很小的时候，红外遥控器发射出的红外信号不易被遥控装置接收，因此用户很难用遥控器调节电视机角度；其次，当多个用户同时观看电视节目时，用遥控器难于将电视机调节到每个用户都满意的角度。

发明内容

针对以上情况的不足，本发明提出了一种自动调节电视机角度的装置。使用该装置用户无须使用遥控器就能够在任何方位都收到满意的观看效果，而且电视还能够随着用户的移动自动改变其角度，使得人与电视机之间的交互更加人性化。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种自动调节电视机角度的装置，其特征在于该装置包括红外探测装置、摄像装置、内存单元、中央处理单元、控制模块和计时器。该装置采用存储-控制结构。中央处理单元控制并协调红外探测装置、摄像装置、内存单元和控制模块工作；红外探测装置和摄像装置先将获取的数据存储到内存单元中，中央处理单元与内存单元进行数据交互，指挥控制模块工作；计时器则定时发送一个脉冲信号要求中央处理单元控制相应模块工作。

红外探测装置用于感应电视机前一定范围内所有用户的相对坐标。

摄像装置用于摄取电视机前一定范围内的图像。

内存单元用于存储摄像装置摄取的图像数据、每个用户的信息和对图像进行预处理所需要的数据。

中央处理单元用于协调各模块工作并处理各个模块提供的信息，包括提取所有用户的脸部图像块，计算用户的相对坐标和相对角度，确定哪些用户正在观看电视节目以及确定电视机的最佳角度。

控制模块根据中央处理单元计算的结果将电视机调节到最佳角度。

计时器用于计时，使得该装置每隔一段时间t(t一般取5s-60s之间的值，由用户设定)就摄取一张图像进行处理，并根据计算结果重新调节电视机角度。

所述摄像装置的光轴在水平面上，并能够根据红外探测装置感应得到的用户相对坐标作相应的旋转，使得所有用户都位于摄像范围内。

所述相对坐标是指用户在以摄像装置光心为原点，光轴为Z轴，水平和竖直方向分别为X，Y轴的左手直角坐标系中的坐标。

所述相对角度是指用户相对坐标与摄像装置光心的连线在水平面内的射影与光轴正向的夹角，用户相对坐标的X分量在X轴正半轴时相对角度为正，在X轴负半轴时为负。

红外探测装置测得用户的相对角度后，还需根据摄像装置摄取的图像确定该用户是否正在观看电视节目。

所述自动调节电视机角度的装置的控制过程为：

1)根据红外探测装置感应得到的用户相对坐标旋转摄像装置，使得所有用户都位于摄像范围内，把摄取到的图像和此时电视机屏幕中轴的相对角度θ记录在内存单元中；

2)对所有用户的相对坐标进行坐标变换，得到用户在摄取到的图像中的大致位置；

3)利用肤色检测方法获得用户脸部图像块并逐个写入内存单元中；

4)对其中一个脸部图像块进行一系列的预处理，包括灰度化，二值化和去噪；

5)对于预处理后的脸部图像块，用穷举匹配法判断该用户是否正在观看电视节目，若是则将该用户的相对角度α_i记录在内存单元中，否则不处理。然后检查内存单元中是否存在其它的脸部图像块，如果有则对下一个脸部图像块重复步骤4)，否则转向步骤6)；

6)找出所有正在观看电视节目的用户的最大相对角度α_max和最小相对角度α_min，计算它们的平均值α＝(α_max+α_min)/2；

7)控制装置将电视机旋转α-θ角度；

8)计时器经过时间t后向中央处理单元发送一个脉冲信号，重新转向执行步骤1)。

本发明具有如下几个特点：

1)利用人机交互的思想，用户可以在室内自由移动而无须手动或使用遥控器调节电视机角度以获得最佳观看效果，体现了数字家庭中家电设备的人性化。

2)在用红外探测装置感应用户方位的基础上利用数字图像处理技术增加了对用户是否正在观看电视节目的判断，排除在感应范围内但并未观看电视节目的用户的干扰，提高了电视机角度调节的准确率。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为针孔模型下相对坐标和相对角度的示意图；

图3为中央处理单元控制自动调节电视机角度装置的流程图；

图4为本发明中判断用户是否正在观看电视节目的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本装置进行进一步介绍。

本发明的自动调节电视机角度的装置如图1所示，包括红外探测装置、摄像装置、内存单元、中央处理单元、控制模块和计时器。该装置采用存储-控制结构。中央处理单元控制并协调红外探测装置、摄像装置、内存单元和控制模块工作；红外探测装置和摄像装置先将获取的数据存储到内存单元中，中央处理单元与内存单元进行数据交互，指挥控制模块工作；计时器则定时发送一个脉冲信号要求中央处理单元控制相应模块工作。

各模块的功能描述如下：

1)红外探测装置

红外探测装置用于感应电视机前一定范围内所有用户的相对坐标。如图2所示，相对坐标是指用户在以摄像装置光心为原点，光轴为Z轴，水平和竖直方向分别为X，Y轴的左手直角坐标系中的坐标。一般在室内安装若干红外线传感器，当用户进入感应区域时，人体发出的红外线被这些传感器所感应，从而探测装置将得到用户的三维世界坐标(x_w，y_w，z_w)。假设用户的相对坐标是P(x，y，z)，则有变换公式

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R\·\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]+T$

其中R为3×3旋转矩阵，T为3×1平移矩阵。从而可算得用户的相对角度α＝arctan(x/z)。

2)摄像装置

摄像装置用于摄取电视机前一定范围内的图像。摄像装置可固定在电视机正上方，摄像范围为角度大小120°的扇形区域，如果存在相对角度大于60°的用户，摄像装置顺时针方向旋转；反之若存在相对角度小于-60°的用户则逆时针方向旋转。当所有用户都位于摄像范围内时，把摄取到的图像和电视屏幕中轴的相对角度θ记录在内存单元中。

为了找到在三维空间中的用户在图像中对应的大致位置，需要确定三维的相对坐标与图像中的二维坐标之间的映射。由于只需要确定大致位置，可采用针孔模型进行分析，如图2所示。设用户相对坐标为P(x，y，z)，P′(x_f，y_f)是对应的图像坐标，以像素为单位，则两者之间的映射关系为

$x_f=c_x-s_x\·\frac{f\·x}{z}$

$y_f=c_y-s_y\·\frac{f\·y}{z}$

其中f是图像平面与光心的距离，O′(c_x，c_y)是图像中心坐标，(s_x，s_y)为图像平面上单位距离的像素个数。

3)内存单元

内存单元用于存储摄像装置摄取的图像数据、每个用户的信息和对图像进行预处理所需要的数据。其中用户的信息包括用户的脸部图像块，相对坐标，相对角度和标记变量(用于标记用户是否正在观看电视节目)。

4)中央处理单元

中央处理单元用于协调各模块工作并处理各个模块提供的信息，包括提取所有用户的脸部图像块，计算用户的相对坐标和相对角度，确定哪些用户正在观看电视节目以及确定电视机的最佳角度。图3所示是中央处理单元控制自动调节电视机角度装置的流程图。

在摄取到的图像中提取用户的脸部图像块，可采用肤色检测方法。由于已经得到用户在图像中的大致位置，可以在以该坐标为中心的一定范围的图像区域内进行肤色检测，获取用户的脸部图像块并写入内存中。

图4所示是判断用户是否正在观看电视节目的流程图。得到用户的脸部图像块后，为了确定用户是否正在观看电视节目，需要对脸部图像块进行一系列的预处理。预处理包括灰度化，二值化和去噪。其中灰度化的目的是为了去除图像块中的下一步处理无关的色度信息；二值化把图像块中的像素根据一定的标准分化成两种颜色，其目的也是为了减少要处理的数据量；由于图像本身有噪声，经过上述步骤处理后图像块中会呈现杂乱散布的黑点或白点，因此需要对图像块进行去噪处理。

经过预处理后，脸部图像块中仅显示双眼、鼻子和嘴四个颜色比较暗淡的图像区域。而正在观看电视节目的用户的脸部在图像中通常都是正面或者近似正面，根据人的左右眼睛对称并且鼻子和嘴都在两只眼睛的中垂线上的特点，对这四个图像区域的排列进行穷举匹配，如果有任一排列符合上述特征，则认为用户正在观看电视节目，如果所有排列都不符合，则忽略该用户进而处理下一个脸部图像块。当然如果上述图像区域数大于或小于四个，可能该用户脸部并未面向电视机屏幕或者利用肤色检测方法检测到的图像块并非人脸，这些情况下均应忽略该图像块。

对这四个图像区域的排列进行穷举匹配的目的是为了确保所有正在观看电视节目的用户都能被检测出。比如躺在沙发上观看电视节目的用户，两只眼睛并不在同一水平线上，因此不能确定哪一个图像区域就是某个器官。用穷举匹配的方法可有效地解决这个问题。

5)控制模块

控制模块根据中央处理单元计算的结果将电视机调节到最佳角度。中央处理单元找出所有正在观看电视节目的用户的最大相对角度α_max和最小相对角度α_min，并计算它们的平均值α＝(α_max+α_min)/2，通过控制装置将电视机旋转α-θ角度。

6)计时器

计时器用于计时，每隔时间t就向中央处理单元发送一个脉冲信号，使得该装置每隔一段时间t就摄取一张图像进行处理，并根据计算结果重新调节电视机角度。当红外探测装置在较长时间内都未发现有用户在红外感应区域内，还可通过相关指令将电视机转到待机状态，达到省电的目的。

Claims (7)

1、一种自动调节电视机角度的装置，其特征在于该装置包括红外探测装置、摄像装置、内存单元、中央处理单元、控制模块和计时器：

红外探测装置用于感应电视机前一定范围内所有用户的相对坐标；

摄像装置用于摄取电视机前一定范围内的图像；

内存单元用于存储摄像装置摄取的图像数据、每个用户的信息和对图像进行预处理所需要的数据；

中央处理单元用于协调各模块工作并处理各个模块提供的信息，包括提取所有用户的脸部图像块，计算用户的相对坐标和相对角度，确定哪些用户正在观看电视节目以及确定电视机的最佳角度；

控制模块根据中央处理单元计算的结果将电视机调节到最佳角度；

计时器用于计时，使得该装置每隔一段时间t就摄取一张图像进行处理，并根据计算结果重新调节电视机角度，其中t的取值在5s-60s之间，由用户设定；

在本装置中采用存储-控制结构；中央处理单元控制并协调红外探测装置、摄像装置、内存单元和控制模块工作；红外探测装置和摄像装置先将获取的数据存储到内存单元中，中央处理单元与内存单元进行数据交互，指挥控制模块工作；计时器则定时发送一个脉冲信号要求中央处理单元控制相应模块工作。

2、根据权利要求1所述的自动调节电视机角度的装置，其特征在于所述摄像装置的光轴在水平面上。

3、根据权利要求1所述的自动调节电视机角度的装置，其特征在于所述摄像装置能够根据红外探测装置感应得到的用户相对坐标作相应的旋转，使得所有用户都位于摄像范围内。

4、根据权利要求1所述的自动调节电视机角度的装置，其特征在于所述相对坐标是指用户在以摄像装置光心为原点，光轴为Z轴，水平和竖直方向分别为X，Y轴的左手直角坐标系中的坐标。

5、根据权利要求1所述的自动调节电视机角度的装置，其特征在于所述相对角度是指用户相对坐标与摄像装置光心的连线在水平面内的射影与光轴正向的夹角，用户相对坐标的X分量在X轴正半轴时相对角度为正，在X轴负半轴时为负。

6、根据权利要求1所述的自动调节电视机角度的装置，其特征在于红外探测装置测得用户的相对角度后，还需根据摄像装置摄取的图像确定该用户是否正在观看电视节目。

7、根据权利要求1所述的自动调节电视机角度的装置，其特征在于所述自动调节电视机角度的装置的控制过程为：

1)根据红外探测装置感应得到的用户相对坐标旋转摄像装置，使得所有用户都位于摄像范围内，把摄取到的图像和此时电视机屏幕中轴的相对角度θ记录在内存单元中；

2)对所有用户的相对坐标进行坐标变换，得到用户在摄取到的图像中的大致位置；

3)利用肤色检测方法获得用户脸部图像块并逐个写入内存单元中；

4)对其中一个脸部图像块进行一系列的预处理，包括灰度化，二值化和去噪；

5)对于预处理后的脸部图像块，用穷举匹配法判断该用户是否正在观看电视节目，若是则将该用户的相对角度α_i记录在内存单元中，否则不处理，然后检查内存单元中是否存在其它的脸部图像块，如果有则对下一个脸部图像块重复步骤4)，否则转向步骤6)；

6)找出所有正在观看电视节目的用户的最大相对角度α_max和最小相对角度α_min，计算它们的平均值α＝(α_max+α_min)/2；

7)控制装置将电视机旋转α-θ角度；

8)计时器经过时间t后向中央处理单元发送一个脉冲信号，重新转向执行步骤1)。

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