CN107660039A - 一种识别动态手势的灯具控制系统 - Google Patents

Abstract

一种识别动态手势的灯具控制系统，涉及动态手势识别与灯具控制领域。解决了现有灯具开关控制设备的控制距离短及需要使用者移动位置进行高度配合，才能进行有效识别的问题。本发明通过动态手势采集装置捕获操作者的动态手势的视频数据，并将采集视频数据发送至动态手势处理模块；动态手势处理模块对接收的视频数据中的手部图像信息进行识别，当检测到手部图像信息后，对手部的运动轨迹进行跟踪，并记录手部的运动轨迹，进而将记录的手部的运动轨迹作为动态手势输入轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，最后将匹配结果发送至主控制器；主控制器根据匹配结果对灯具设备的开/关或灯具设备的亮度进行控制。本发明主要对灯具设备进行远距离控制。

Description

一种识别动态手势的灯具控制系统

技术领域

本发明涉及动态手势识别与灯具控制领域。

背景技术

灯具是日常生活及生产中最常用的电器之一，而控制开关是其重要的组成部分。基于手势识别的控制方式由于其非接触、操作简便及操作范围广等优点，成为当前的主要研究方向之一。目前，手势识别控制从原理上可分为基于电磁感应、基于穿戴设备、基于二维图像及基于三维图像四类方案。

其中，基于电磁感应的控制方案主要依赖于固定在墙面或灯体上的电磁感应设备，当人手接近后对设备原有电磁场产生扰动，通过对电磁场变化的监测实现手势控制。

基于穿戴设备的控制方案主要依赖于使用者在腕部或手部佩戴的具有信号发送功能或特殊颜色、形状标记的设备，通过接收该设备发送的状态信号或捕捉该设备相关特征来实现手势识别，进而对灯具进行控制。

基于二维图像的方案主要依赖于视频图像的处理与分析，通过从二维图像中提取手部色彩、形状、运动或边缘纹理特征，从而实现手势的识别。该方法无需使用者穿着额外装置，视频捕获及处理设备也相对简单。而目前已有的基于二维图像的控制方案多用于电视控制，控制模块集成于电视中，仅能对该电视进行控制，控制距离有限，同时低照度下识别效果有限。

基于三维图像的方案是在二维图像的基础上引入深度信息得到的。常用方式包括结构光、光飞时间及多角度成像等，通过计算目标与视频捕获装置间的距离信息，结合二维图像相关处理分析方法实现手势的识别，其装置相较仅基于二维图像的方法更为复杂。

传统灯具开关通常安装在墙壁、桌面、灯体外壳等固定位置，通过机械方式进行控制，因此，往往需要使用者离开原本位置靠近开关手动操作。而当室内空间较大时，这种控制方式或要求使用者移动距离较远，带来不便；或需要安装多组开关，当有多个使用者时可能造成操作冲突。

另一方面，目前市面的手势控制设备中，电磁感应方案与传统开关类似，需要使用者靠近开关进行操作；穿戴式控制方案依赖于手环、手套等设备，为使用者额外增加负担；而三维图像识别方案中，基于结构光和光飞时间的方案需采用特殊的深度摄像头，价格昂贵、控制距离短；多视角成像方案则需要多组放置于不同位置的成像设备，搭建及维护较为困难，因此，亟需提供一种可控距离远，无需使用者移动位置，使用简便的开关控制设备。

发明内容

本发明是为了解决现有灯具开关控制设备的控制距离短及需要使用者移动位置进行高度配合，才能进行有效识别的问题，本发明提供了一种识别动态手势的灯具控制系统。

一种识别动态手势的灯具控制系统，它包括主控制器、动态手势采集装置和动态手势处理模块；

动态手势采集装置，用于捕获操作者的动态手势的视频数据，并将采集的视频数据发送至动态手势处理模块；

动态手势处理模块的数据库内存储有预设手势轨迹模板；

动态手势处理模块，对接收的视频数据中的手部图像信息进行识别，当检测到手部图像信息后，对手部的运动轨迹进行跟踪，并记录手部的运动轨迹，并将记录的手部的运动轨迹作为动态手势输入轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，并将匹配结果发送至主控制器；

主控制器，根据匹配结果对灯具设备的开/关或灯具设备的亮度进行控制；

主控制器，还用于对动态手势采集装置的工作状态进行控制。

本发明带来的有益效果是：本发明提出一种识别动态手势的灯具控制系统，其主控制器与动态手势处理模块构成的嵌入式平台作为主控单元，用主控单元调用动态手势采集装置捕捉用户动态手势，并对捕获视频进行分析与识别，进而可通过有线或无线连接发出控制信号，操控灯具设备的开/关或灯具设备的亮度等。

相较于传统灯具设备的开关控制系统，本发明所述一种识别动态手势的灯具控制系统手势识别距离远，无需使用者移动位置，使用简便。同时主控单元具有优秀的扩展性，可根据实际需求自定义手势，并通过不同手势控制多组灯具。本发明所述一种识别动态手势的灯具控制系统采用单目灰度摄像头，相比于业内现有的控制方案，控制距离更远，成本低，可于低照度条件下使用，且易于搭建及维护。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于单目灰度动态手势识别的灯具控制系统的原理示意图；

图2为主控制器通过无线数据传输的方式对灯具进行控制的原理示意图；

图3为主控制器对多组灯具设备进行控制的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种识别动态手势的灯具控制系统，它包括主控制器1、动态手势采集装置2和动态手势处理模块3；

动态手势采集装置2，用于捕获操作者的动态手势的视频数据，并将采集的视频数据发送至动态手势处理模块3；

动态手势处理模块3的数据库内存储有预设手势轨迹模板；

动态手势处理模块3，对接收的视频数据中的手部图像信息进行识别，当检测到手部图像信息后，对手部的运动轨迹进行跟踪，并记录手部的运动轨迹，并将记录的手部的运动轨迹作为动态手势输入轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，并将匹配结果发送至主控制器1；

主控制器1，根据匹配结果对灯具设备4的开/关或灯具设备4的亮度进行控制；

主控制器1，还用于对动态手势采集装置2的工作状态进行控制。本发明中主控制器1与动态手势处理模块3构成的嵌入式平台作为主控单元，用主控单元调用动态手势采集装置2捕捉用户动态手势，并对捕获视频进行分析与识别，进而可通过有线或无线连接发出控制信号，操控灯具设备4的开/关或灯具设备4的亮度等。

本发明采用动态手势控制灯光，即通过手部运动轨迹，使主控制器1发出控制指令。通过对手部跟踪得到的轨迹与预设手势轨迹模板匹配识别用户指令，轨迹形状与相应指令一一对应，从而可由主控制器1分别向连接的不同灯具设备4发送指令或向同一灯具设备4发送多重指令控制其不同功能。

人手检测是整个跟踪过程的第一步，当检测到人手时进行后续操作，因此需要检测过程具备实时性和准确性。为满足算法跟踪实时性及夜间低照度情况下的使用需求，本发明采用运动检测和灰度特征模板匹配结合的检测方法。

本发明所述的一种识别动态手势的灯具控制系统在人手检测的过程中，可利用已有人手灰度特征模板直接配置，也可根据应用场景及控制需求有针对性地训练人手灰度特征模板。训练过程中选取手部图像作为正样本，并选取与应用场景相关的非手部图像，如工作间环境等作为负样本。其中，正样本在保证手型、指向基本统一的前提下，还要求具有一定差异性以避免样本过拟合，从而让手型大小、使用习惯不同的使用者均得到相近的使用体验；而负样本在保证场景信息尽量丰富的同时，还要与应用场景相关。通过对正负样本的边缘及纹理灰度特征统计值的计算得到手部特征模板。此外，手部特征模板也可在已有模板的基础上通过添加新的样本图片重新训练得到。

在检测过程中，对视频数据进行运动检测，确定目标ROI（Region Of Interest，感兴趣区域），在此基础上，在ROI中提取目标边缘及纹理特征并与预先训练的手部特征模板进行匹配检测，从而确定是否检测到人手，并确定人手的位置。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述一种识别动态手势的灯具控制系统的区别在于，所述动态手势处理模块3对手部的运动轨迹进行跟踪的过程，采用相关滤波跟踪算法实现。

本实施方式中，当检测到人手后，为获取动态手势需记录手部轨迹。本发明基于实时性和准确率要求，同时考虑到应用场景中手部尺度变化较小，本发明采用了基于相关滤波的跟踪算法实现手部轨迹的跟踪，该相关滤波的跟踪算法可利用手部灰度值实时训练特征模型，对手部进行跟踪。由于该过程中直接采用灰度值作为特征，运算量远小于检测过程，因此能够保证手部的快速跟踪，以完整获取手部运动轨迹。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述一种识别动态手势的灯具控制系统的区别在于，所述当检测到手部图像信息后，对手部的运动轨迹进行跟踪，并记录手部的运动轨迹，并将记录的手部的运动轨迹作为动态手势输入轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，并将匹配结果发送至主控制器1的具体过程为：

步骤一：根据手部初始位置确定初始目标框；

步骤二：在初始目标框内提取手部灰度特征，该手部灰度特征作为初始特征模板；

步骤三：读取下一帧视频图像，使初始特征模板历遍该帧全图，并与该帧中的手部灰度特征相匹配，根据匹配结果更新目标框位置；将更新后的目标框位置计入运动轨迹，并根据更新后的目标框内的手部灰度特征，更新特征模板；

步骤四：使更新后的特征模板历遍下一帧视频图像的全图，并与当前帧中的手部灰度特征匹配，根据匹配结果更新目标框位置，将更新后的目标框位置计入运动轨迹，并根据更新后的目标框内的手部灰度特征，更新特征模板；

步骤五：重复执行步骤四，并实时的将更新后的运动轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，并将匹配结果发送至主控制器（1）。本实施方式中，当检测到人手后，为获取动态手势需记录手部轨迹。基于本发明控制系统实时性和准确率要求，同时考虑到应用场景中手部尺度变化较小，本发明利用手部灰度值实时训练特征模型，对手部进行跟踪。由于该过程中直接采用灰度值作为特征，运算量远小于检测过程，因此能够保证手部的快速跟踪，以完整获取手部运动轨迹。

具体实施方式四：参见图1或图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述一种识别动态手势的灯具控制系统的区别在于，主控制器1通过有线或无线的方式对灯具设备4进行控制。

本实施方式中，首先对捕获视频进行分析与识别，进而可通过有线或无线连接发出控制信号，操控灯具设备4开启与关闭，具体参见图2。

具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述一种识别动态手势的灯具控制系统的区别在于，动态手势采集装置2包括单目摄像头和红外补光灯。

本实施方式，单目摄像头搭配红外补光灯，可在低照度条件下如暗室、夜间进行手势采集。

具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述一种识别动态手势的灯具控制系统的区别在于，所述无线的方式采用2.4GHz通信协议实现。

本实施方式中，无线传输采用2.4GHz通信协议，并可将主控制器1与多组灯光控制模块相连，从而使主控制器1可以控制多组灯具，具体参见图3。

具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述一种识别动态手势的灯具控制系统的区别在于，所述单目摄像头可同时捕获可见光及红外谱段信息，且焦距可调；红外补光灯具有自启动功能。

本发明所述一种识别动态手势的灯具控制系统的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (7)

1.一种识别动态手势的灯具控制系统，其特征在于，它包括主控制器（1）、动态手势采集装置（2）和动态手势处理模块（3）；

动态手势采集装置（2），用于捕获操作者的动态手势的视频数据，并将采集的视频数据发送至动态手势处理模块（3）；

动态手势处理模块（3）的数据库内存储有预设手势轨迹模板；

动态手势处理模块（3），对接收的视频数据中的手部图像信息进行识别，当检测到手部图像信息后，对手部的运动轨迹进行跟踪，并记录手部的运动轨迹，并将记录的手部的运动轨迹作为动态手势输入轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，并将匹配结果发送至主控制器（1）；

主控制器（1），根据匹配结果对灯具设备（4）的开/关或灯具设备（4）的亮度进行控制；

主控制器（1），还用于对动态手势采集装置（2）的工作状态进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种识别动态手势的灯具控制系统，其特征在于，所述动态手势处理模块（3）对手部的运动轨迹进行跟踪的过程，采用相关滤波跟踪算法实现。

3.根据权利要求1所述的一种识别动态手势的灯具控制系统，其特征在于，所述当检测到手部图像信息后，对手部的运动轨迹进行跟踪，并记录手部的运动轨迹，并将记录的手部的运动轨迹作为动态手势输入轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，并将匹配结果发送至主控制器（1）的具体过程为：

步骤一：根据手部初始位置确定初始目标框；

步骤二：在初始目标框内提取手部灰度特征，该手部灰度特征作为初始特征模板；

步骤三：读取下一帧视频图像，使初始特征模板历遍该帧全图，并与该帧中的手部灰度特征相匹配，根据匹配结果更新目标框位置；将更新后的目标框位置计入运动轨迹，并根据更新后的目标框内的手部灰度特征，更新特征模板；

步骤四：使更新后的特征模板历遍下一帧视频图像的全图，并与该帧中的手部灰度特征匹配，根据匹配结果更新目标框位置，将更新后的目标框位置计入运动轨迹，并根据更新后的目标框内的手部灰度特征，更新特征模板；

步骤五： 重复执行步骤四，并实时的将更新后的运动轨迹与预设手势轨迹模板进行匹配，并将匹配结果发送至主控制器（1）。

4.根据权利要求1所述的一种识别动态手势的灯具控制系统，其特征在于，主控制器（1）通过有线或无线的方式对灯具设备（4）进行控制。

5.根据权利要求1所述的一种识别动态手势的灯具控制系统，其特征在于，动态手势采集装置（2）包括单目摄像头和红外补光灯。

6.根据权利要求4所述的一种识别动态手势的灯具控制系统，其特征在于，所述无线的方式采用2.4GHz通信协议实现。

7.根据权利要求5所述的一种识别动态手势的灯具控制系统，其特征在于，所述单目摄像头可同时捕获可见光及红外谱段信息，且焦距可调；红外补光灯具有自启动功能。