• Thứ Sáu, 03/06/2011 16:07 (GMT+7)

    Điều khiển “không chạm”

    Hồng Vy
    Sự tương tác giữa con người và máy móc đã phát triển đáng kể trong nhiều thập niên qua nhờ hàng loạt cải tiến ở giao diện người dùng và thiết kế thông minh.

    Cùng với xu hướng điều khiển cảm ứng, giải pháp điều khiển vật thể/máy móc không dùng tay đang từng bước khẳng định trí tuệ nhân tạo có khả năng “làm chủ” mọi thứ. Trước tiên, phải kể đến sự xuất hiện dẫu hơi muộn song đầy tiếng vang của màn hình cảm ứng nói riêng và công nghệ cảm ứng nói chung. Có thể khẳng định, rất nhiều thay đổi trong thiết kế, phần mềm và cả phần cứng đã và đang tập trung vào giao tiếp màn hình cảm ứng – một phần là sự xuất hiện đại trà của loại màn hình cảm ứng chính xác và ít tốn điện năng trên các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, máy nghe nhạc, máy chơi game và gần đây là thế hệ máy tính bảng như Apple iPad, Samsung Galaxy Tab, Dell Streak... Chưa dừng lại ở đó, lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) ngày nay còn cho phép con người nghĩ đến những mô hình điều khiển thiết bị thú vị hơn, thuận tiện hơn và gần với thực tế hơn (Tham khảo thêm www.pcworld.com.vn/T1221207 hoặc /A1010_10). 

    Hiện tại, thông qua các cải tiến về mặt công nghệ và thiết kế giao tiếp với con người (human interface), cảm biến hồng ngoại cự ly ngắn (infrared proximity sensor) đã được khai thác để đưa ra một giao tiếp mới đầy sáng tạo trong việc điều khiển thiết bị, đó chính là điều khiển không cần dùng tay hay còn được gọi với cái tên khá "kêu" là điều khiển không chạm (touchless gesturing).

    Thông thường, cảm biến hồng ngoại cự ly ngắn được tích hợp trong các thiết bị để phát hiện sự hiện diện hay vắng mặt của con người trong một không gian cần quan sát nào đó, từ đó tạo ra xung kích hoạt một lệnh hoặc tập lệnh cần thiết. Loại cảm biến này thường được trang bị trên hệ thống cửa ra vào hay van nước tự động, tuy nhiên việc áp dụng thực tế của loại cảm biến này bị giới hạn đáng kể bởi kích thước, điện năng và khả năng cấu hình. Trong vài năm trở lại đây, thế hệ cảm biến tích cực cự ly ngắn mới đã cung cấp nhiều tính năng hơn, đồng thời hứa hẹn nhiều cải tiến cho các thiết bị điện tử dân dụng và thiết bị công nghiệp.

    Theo đó, cảm biến hồng ngoại thế hệ tiếp theo không chỉ nhỏ gọn và hiệu quả hơn về mặt điện năng tiêu thụ mà còn có khả năng điều khiển nhiều đèn LED hồng ngoại, bằng cách đó cho phép xử lý các tín hiệu điều khiển nâng cao ở nhiều kích thước.

    Từ một LED đến nhiều LED

    Một ví dụ cụ thể là cảm biến cự ly ngắn điều khiển đèn LED đã được sử dụng trong các thiết bị cầm tay với màn hình cảm ứng từ nhiều năm nay. Cảm biến cự ly ngắn đã được sử dụng để vô hiệu hóa (deactive) màn hình cảm ứng của điện thoại di động trong suốt thời gian thực hiện cuộc gọi để không loại trừ những cú chạm vô ý từ "gò má" của người dùng. Nếu một chiếc điện thoại không có giải pháp này thì nhiều khả năng khi người dùng đang gọi thì đột nhiên bị tắt tiếng (mute), ngưng cuộc gọi (end call), mở danh bạ hay bất kỳ tính năng nào có thể. Vậy tại sao hệ thống cảm biến cự ly ngắn có phần đơn giản lại thường xuyên hành xử bất thường (malfunction)? Câu trả lời nằm ở khâu thiết kế và cấu hình của cảm biến, cũng như nguyên tắc “ứng xử” được lập trình sẵn trên chúng. Một khi dữ liệu thô được các cảm biến ghi nhận bị sai (hay tín hiệu xuất từ cảm biến có lỗi) cũng sẽ làm cho hệ thống vận hành không ổn định hay chệch với thiết kế ban đầu. Do tự thân cảm biến cự ly ngắn không "thông minh" ngay trên bo mạch để loại trừ tín hiệu nhiễu từ dữ liệu đầu vào nên chúng sẽ hoạt động sai trong môi trường có cường độ sóng hồng ngoại cao như trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời hay trong phòng làm việc với đèn mở sáng choang. Ngày nay, trước đòi hỏi ngày càng cao của khâu thiết kế các hệ thống điện tử hiện đại, cảm biến cự ly ngắn gần như không còn thích hợp để vận hành trong các môi trường rất tối mà ở đó hạn chế sự quan sát và khả năng truyền phát tín hiệu từ đèn LED đến các cảm biến. 

    Do đó, thế hệ cảm biến cự ly ngắn mới đã được các hãng phát triển nhằm khắc phục các nhược điểm kể trên. Ví dụ, dòng cảm biến Silicon Labs Si114x với kiến trúc mới trang bị nhiều đi-ốt dò ánh sáng độ có nhạy cao cùng bộ chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số với độ chính xác cao. Điều này cho phép thực hiện các phép "đo" LED hồng ngoại ở trạng thái bật/tích cực trong một quãng thời gian ngắn (chừng 25,6 micro giây). Thời gian tích cực ngắn của LED cho phép cảm biến xác định và cân bằng các cấp độ hồng ngoại xung quanh trong môi trường, đồng thời giúp phân biệt từng tín hiệu hiệu quả hơn.

    Khả năng tính toán nhanh trên thế hệ cảm biến mới cũng giúp giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ vì LED hồng ngoại chính là nơi tiêu hao năng lượng nhiều nhất trên hệ thống cảm biến cự ly ngắn. Giảm thiểu thời gian sáng của LED là điều cần thiết để tiết kiệm điện năng cho toàn hệ thống. Với nhiều cấp độ sáng có thể điều chỉnh tùy thuộc vào độ sáng của môi trường bên ngoài, LED hồng ngoại là lựa chọn thích hợp. Bên cạnh đó, hệ thống cảm biến hồng ngoại cự ly ngắn thế hệ mới cũng trang bị nhiều đi-ốt dò ánh sáng độ nhạy cao hơn, qua đó cho phép cảm biến hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường tốt, vì thế thiết bị điện tử có thể "ẩn mình" trước sự tìm kiếm của người dùng.

    Khai thác ưu điểm của LED hồng ngoại, các hệ thống cảm biến cự ly ngắn mới đang hướng đến giải pháp sử dụng nhiều đèn LED để có được sự chính xác hơn trong việc xử lý hình ảnh và tương tác với người dùng. 

    Các hệ thống cảm biến sử dụng 2 đèn LED cho phép tiếp nhận, xử lý các cử chỉ lật và chọn đối với nhu cầu sử dụng trong các ứng dụng như trình đọc e-book, chọn album trên các thiết bị giải trí hay cuộn trên máy tính bảng. Trong khi đó, giải pháp cảm biến sử dụng 3 đèn LED được sử dụng trong các hệ thống tính toán, định vị 3D và xử lý các thao tác "đa trục", hay nói đơn giản hơn là trong không gian thực. Hệ thống cảm biến hồng ngoại cự ly ngắn với 3 đèn LED có thể được sử dụng cho nhu cầu điều khiển "không chạm" giao diện người dùng như chọn biểu tượng hay ảnh, phóng to/thu nhỏ trong ứng dụng bản đồ, hay thậm chí trong điều khiển trò chơi. Có thể khẳng định, việc áp dụng giải pháp cảm biến nhiều đèn LED chỉ bị giới hạn bởi khả năng thiết kế cũng như tư duy lập trình. 

    "Nút thắt" ứng dụng

    Về cơ bản, một hệ thống điều khiển không chạm cần tối thiểu 4 thành phần: cảm biến ghi nhận không gian quan sát, hệ điều hành (HĐH) hay firmware, ứng dụng xử lý hành vi và các thiết bị phần cứng liên quan. Một ví dụ tiêu biểu cho lập luận này là bộ phụ kiện Microsoft Kinect dành cho máy chơi game Xbox 360.

    Hệ thống cảm biến trước tiên có chức năng vẽ ra một lưới (grid) giám sát cho toàn bộ vùng không gian mà người dùng thiết lập hay mặc định thiết bị có khả năng quan sát, đó có thể là không gian 2D hay 3D tùy thiết bị hỗ trợ. Sau đó, hệ thống cảm biến sẽ xác định đối tượng cần quan sát - tay người dùng hay cả cơ thể - và bắt đầu giám sát ở chế độ thời gian thực nhằm ghi nhận mọi thay đổi về mặt hình ảnh để gửi về HĐH hay firmware để phân tích. Tiếp đến, tùy vào cơ sở dữ liệu và kịch bản được cài sẵn, ứng dụng trên thiết bị sẽ phối hợp với các thiết bị phần cứng liên quan thực hiện các phản hồi đến người dùng thông qua giao diện, màn hình hay sự tương tác của phần cứng như phát nhạc, mở đèn hay kích hoạt tính năng tương ứng.

    Bên cạnh LED hồng ngoại, nhiều hệ thống cảm biến trong các giải pháp xử lý điều khiển không chạm cũng có thể sử dụng một hay nhiều camera với tốc độ quét nhanh - tốc độ quét càng nhanh thì độ nhạy càng cao. Vấn đề đặt ra ở đây là, liệu HĐH và ứng dụng có đủ "thông minh" và "tốc độ" để giải mã mọi cử chỉ của người dùng?

    Giống điện toán xúc giác (tham khảo thêm tại www.pcworld.com.vn/A1101_75), điều khiển không chạm ngay từ buổi đầu đã gặp phải nhiều khó khăn, từ xây dựng thư viện hành vi, sự khác biệt về nền tảng giữa các phần cứng cho đến tính chính xác của hệ thống cảm biến tương tác. Các lập trình viên và nhà phát triển khi xây dựng các giải pháp điều khiển không chạm chắc chắn sẽ gặp phải lúng túng khi không thể kiểm soát được mọi cử chỉ của người dùng cũng như sự đa dạng về kích thước, tốc độ của đối tượng tham gia điều khiển thiết bị. Nhưng dù sao chăng nữa, trong phạm vi hẹp, điều khiển không chạm đã mở ra hướng phát triển mới cho việc điều khiển các thiết bị điện tử.
    Hy vọng rằng, trong một ngày không xa, sau khi chúng ta nhìn vào màn hình và mỉm cười thật tươi, máy tính sẽ khởi động.

    Từ khóa: Hồng Vy
    ID: A1104_86