Đặt vấn đề Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị điện tử đang dần phát triển theo hướng tự động hóa, thông minh, càng hiểu biết được tư duy con người. Đặc biệt trong những năm gần đây, trí tuệ nhân tạo AI càng phát triển mạnh mẽ và cho thấy sự tiên tiến và tiện ích của mình khi ứng dụng vào các thiết bị điện phục vụ trong đời sống thường ngày của con người. Thậm chí ngày nay con người có thế thực hiện giao tiếp với thiết bị mà không cần qua các thiết bị trung gian, để hiểu và xử lí được các cử lệnh con người đưa ra các thiết bị cảm biến, thuật toán nhận dạng phải cang phát triển và càng chính xác, dễ sử dụng hơn. Chúng có thể nhận biết được các hoạt động, các cử chỉ khuôn mặt, bàn tay của con người và hoạt động đúng theo ý đồ của người lập trình.
Bài toán “Nhận dạng cử chỉ điều khiển thiết bị” là một trong số đó. Ngôn ngữ cơ thể, đặc biệt là ngôn ngữ tay được xem là một trong những phương pháp giao tiếp tự nhiên và dễ thực hiện nhất đối với con người. Hệ thống nhận dạng cử chỉ đã không còn quá xa lạ với con người hiện đại ngày nay, thậm chí các hệ thống này còn được đề xuất và phát triển rất mạnh mẽ trong thực tiễn cuộc sống hàng ngày cũng như các đề án nghiên cứu để tạo ra các giải thuật chuyên sâu có thể nhận diện chính xác hơn. Trong những năm qua có thể nhắc tới một số thành tựu nổi bật trong lĩnh vực nghiên cứu công nghệ nhận diện cử chỉ như: Nghiên cứu của Chen Chiung Hsieh và Dung Lua Liou về nhận dạng cử chỉ bằng chuyển động ảnh đã xãy ra.
Các khung hình được tích lũy trong các ảnh lịch sử chuyển động. Sử dụng các thuật toán để lọc ra các điểm ảnh da phát hiện nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. Hệ thống của họ được xây dựng và hoạt động dựa trên các khối: Digital Zoom, phát hiện màu da, nhận dạng cử chỉ. Nghiên cứu của Dharani Mazumdar, Kandapar Kumar Sarma và Anjan Kumar nghiên cứu nhận dạng cử chỉ găng tay cảm biến Data Glove.
Bằng việc sử dụng lối ra số của Sensor gia tốc MEMS gắn liền với các ngón tay và sử dụng vi điều khiển. Máy tính phân tích và xử lý thông tin dữ liệu và thực hiện các thuật toán. Trong nước có những đề tài như: “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật nhận dạng cử động của bàn tay người theo thời gian thực’ của nhóm nghiên cứu thuộc khoa Công nghệ Thông tin, Học viện Kỹ thuật Quân sự do TS. Trần Nguyên Ngọc làm chủ nhiệm đã mở ra nhiều hướng ứng dụng hiệu quả trong thực tế.
Những hiệu quả trong ứng dụng của đề tài như phát triển hệ thống hỗ trợ tra cứu thông tin và điều khiển thiết bị từ xa, điều khiển robot trợ giúp người khuyết tật, tích hợp điều khiển tivi, máy nghe nhạc,… Đê tài: ‘Nhận diện cử chỉ bàn tay sử dụng phân cụm K-MEANS và mạng NƠ- RON” do 2 sinh viên khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh được thực hiện năm 2014, giúp tìm hiểu tổng quan về xử lý ảnh, tìm hiểu được các phương pháp nhận dạng cử chỉ tay, mô phỏng các tập lệnh liên quan đến đề tài bằng phần mềm Matlab. Tuy nhiên đề tài này chỉ dừng lại ở mức lý thuyết và mô phỏng trên ứng dụng để kiểm chứng kết quả và còn nhiều hạn chế trên thực tế. Bên canh những đề tài xử lý ảnh ứng dụng trong nhận diện cử chỉ, còn có các đề tài ứng dụng xử lý ảnh để nhận diện khuôn mặt như: “Xây dựng hệ thống điểm danh bằng khuôn mặt” do Quang Minh, sinh viên khoa Công Nghệ Thông Tin, Học viện Kỹ Thuật Quân Sự thực hiện năm 2022. Đạt được kết quả nhận diện chính xác 93.7% trong khoảng cách 0.3m và môi trường ánh sáng bình thường.
Tuy nhiên còn hạn chế khi phải lấy mẫu đối chiếu thủ công tường đối tượng và tốc độ load model chậm lên tới 4 giây, xử lý còn hạn chế với các đối tượng có đeo phụ kiện hoặc ảnh bị thay đổi màu sắc. Đề tài: “Ứng dụng xử lý ảnh cảnh báo tài xế ngủ gật” do sinh viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thực hiện năm 2014, phát hiện được đúng 90% với khoảng cách 0.2m, những còn tồn tại nhược điểm: Không thể quay trái phải với góc lớn hơn 40 độ trên Window và 20 độ trên KIT, chưa đáp ứng được tốc độ hay xử lý có phần hạn chế với người đeo kinh,… Đề tài “Công nghệ nhận diện ứng dụng trong nhà thông minh” của nhóm được xây dựng với mong muốn thông qua việc tìm hiểu và kế thừa các thành tựu đã có từ các công trình nghiên cứu trước, góp phần cho sự phát triển trong nhận dạng cử chỉ. Về mặt kỹ thuật, qua đề tài con người không chỉ có thể tương tác với các thiết bị chỉ qua một trang Web hoặc ứng dụng trên điên thoại mà còn có thể điều khiển các thiết bị mà không bị hạn chế trong những cách tương tác truyền thống (như thông qua bàn phím, con chuột hoặc điện thoại…) bằng phương pháp giao tiếp trực tiếp bằng cử chỉ. Ngoài ra có thể giúp người khiếm thính nhận biết ngôn ngữ qua cử chỉ tay, người có vấn đề về cơ bắp có thể tự điều khiển được các thiết bị trong nhà một cách dễ dàng.
Về mặt khoa học, hệ thống nhận dạng cử chỉ của nhóm sử dụng phương pháp tối ưu và dữ liệu được huấn luyện thông qua các chương trình giúp nhận biết được chính xác các dạng cử chỉ, có khả năng đưa ra kết quả với độ chính xác cao. Mục tiêu đề tài Thực hiện điều khiển được các thiết bị trong nhà thông minh thông qua mạng Wifi một cách đơn giản và chính xác nhất. Từ đó kết hợp với lập trình phần mềm thu thập dữ liệu ảnh và xử lí ảnh cử chỉ bàn tay, điều khiển các thiết đã kết nối trước đó thông qua việc sử dụng những cử chỉ đã được thu thập trước đó. Thiết kế và hoàn thiệt sản phẩm mô hình điều khiển nhà thông minh thông qua ứng dung nhận dạng cử chỉ bàn tay.
Tổng quan về nhà thông minh 1. Nhà thông minh là gì? Nhà thông minh (Tiếng Anh: Home Automation, Domotics, Smart Home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hóa hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bẳng hoặc một giao diện web. Trong nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch… Các thiết bị này có thể đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được điều khiển và giám sát từ xa.
Sau đây là một số lời ích đem đến cho con người từ một hệ thống tự động hóa trong nhà thông minh.1: Điều khiển hệ thống đèn qua Smartphone - Lợi ích thứ 1: Tăng thêm sự an toàn qua việc điều khiển chiếu sang và thiết bị điện (Appliance and Lighting Control). Một lợi ích nữa của Home Automation đó là tăng thêm sự an toàn cho gia đình, ngôi nhà. Con người có thể kiểm soát các thiết bị điện dù nhỏ và cả việc chiếu sang, bằng một cái chạm nhẹ đầu ngón tay vào thiết bị công nghệ. Không chỉ tiết kiệm điện thông qua việc tự động tắt khi không có người, hệ thống kiểm soát ánh sang còn có thể tự động bật tắt đèn theo chu kỳ để tạo một cảm giác luôn có người ở tại ngôi nhà.
Điều này làm tăng độ an toàn và an ninh cho căn nhà. - Lợi ích thứ 2: Gia tăng quan sát thông qua Camera an ninh Chúng ta không thể có mặt mọi lúc mọi nơi tại một thời điểm, vì vậy hệ thống Camera an ninh trên toàn ngôi nhà giúp ta không bỏ lỡ những việc đang diễn ra tại bất kỳ đâu trong ngôi nhà. Với hệ thống tự động hóa nhà thông minh, có thể dễ dàng quan sát, phát hiện chuyển động và âm thanh lạ sau đó ghi lại chúng tại một thời điểm nhất định trong ngày.2: Giám sát ngôi nhà qua Camera an ninh - Lợi ích thứ 3: Gia tăng tiện nghi trong ngôi nhà Thường khi chúng ta vội vã tời khỏi nhà vào mỗi sáng sớm và quên tắt và chỉnh lại các thiết bị trong nhà. Kết quả là khi về thì chúng ta mới phát hiện ra được những việc này, và trong suốt thời gian chúng ta rời nhà đó khi các thiết bị vẫn đang được bật hoàn toàn có thể gây ra các sự cố.
Với hệ thống nhà thông minh chúng ta không cần lo về vấn đề đó nữa, khi ra khỏi nhà mà quên tắt hoặc điều chỉnh thiết bị trong nhà ta có thể thực hiện ngay trên máy tính hoặc điện thoại một cách đơn giản và nhẹ nhàng từ xa. - Lợi ích thứ 4: Tiết kiệm thời gian - Lợi ích thứ 5: Tiết kiệm chi phí 1. Nguyên tắc hoạt động của nhà thông minh Nhà thông minh được hiểu là hệ thống các thiết bị điện tử gia dụng được kết hợp với nhau thành mạng thiết bị và hoạt động theo kịch bản tùy biến nhằm tạo ra môi trường sống tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng. Một hệ thống nhà thông minh cơ bản bao gồm một máy tính điều khiển trung tâm, được gọi là máy chủ (Home Server), có nhiệm vụ kết nối các thiết bị với nhau và điều khiển toàn bộ hệ thống nhà.
Các thiết bị gia dụng đầu cuối là những vật dụng điện tử trong nhà như các thiết bị an ninh, hệ thống cửa, điều hòa, rèm mành, hệ thống đèn, quạt thông gió, ti vi, bếp gas… Các thiết bị này được kết nối với nhau trong hệ thống mạng thiết bị bằng công nghệ truyền dữ liệu, qua đường điện (Power line communication – PLC) hoặc không dây (Zigbee) và được kết nối trực tiếp đến Home Server. Cuối cùng là hệ thống các phần mềm điều khiển ngôi nhà cài đặt trên Home Server, trên các thiết bị điều khiển và các thiết bị điện tử gia dụng đầu cuối.