Thiết bị phát hiện chuyển động

Thiết bị phát hiện chuyển động (motion detector) là một thiết bị điện sử dụng cảm biến để nhận biết sự chuyển động gần đó (motion detection). Thiết bị này thường được tích hợp như một thành phần của một hệ thống tự động thực hiện một nhiệm vụ hoặc cảnh báo người dùng về chuyển động trong một khu vực. Chúng giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống an ninh, điều khiển chiếu sáng tự động, điều khiển nhà thông minh, tiết kiệm năng lượng và các hệ thống hữu ích khác. Việc này có thể đạt được bằng các phương pháp cơ học hoặc điện tử. Khi việc này được thực hiện bởi các sinh vật tự nhiên, nó được gọi là nhận thức chuyển động (motion perception).

Tổng quan
Thiết bị phát hiện chuyển động chủ động (active) là thiết bị điện tử có chứa cảm biến (quang học, vi ba hoặc âm học) đồng thời có bộ phát tín hiệu. Ngược lại, thiết bị thụ động (passive) chỉ bao gồm cảm biến và chỉ ghi nhận "dấu hiệu" của vật thể đang chuyển động thông qua sự phát xạ hoặc phản xạ năng lượng. Những thay đổi trong trường quang học, vi ba hoặc âm thanh xung quanh thiết bị sẽ được mạch điện tử phân tích và diễn giải dựa trên các công nghệ khác nhau. Phần lớn các thiết bị phát hiện chuyển động giá rẻ có thể phát hiện chuyển động trong phạm vi khoảng . Các hệ thống chuyên dụng thường có chi phí cao hơn, nhưng bù lại có độ nhạy cao hơn hoặc tầm hoạt động xa hơn. Hệ thống phát hiện chuyển động dạng chụp cắt lớp vô tuyến (tomographic) có khả năng bao phủ khu vực rộng hơn nhiều, do sử dụng sóng vô tuyến ở tần số có thể xuyên qua hầu hết tường và vật cản, đồng thời được thu nhận tại nhiều vị trí khác nhau.

Thiết bị phát hiện chuyển động được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thương mại. Một ứng dụng phổ biến là kích hoạt cửa tự động tại các cơ sở kinh doanh và công trình công cộng. Cảm biến chuyển động cũng thường được sử dụng thay cho cảm biến hiện diện (occupancy sensor) thực sự trong việc điều khiển đèn đường hoặc đèn trong các khu vực đi lại như sảnh và cầu thang. Trong các hệ thống chiếu sáng thông minh như vậy, năng lượng được tiết kiệm bằng cách chỉ bật đèn trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó đèn sẽ tự tắt khi người sử dụng được cho là đã rời khỏi khu vực. Thiết bị phát hiện chuyển động cũng có thể là một trong các cảm biến của hệ thống báo trộm dùng để cảnh báo chủ nhà hoặc dịch vụ an ninh khi phát hiện chuyển động của đối tượng xâm nhập tiềm năng. Ngoài ra, thiết bị này còn có thể kích hoạt camera an ninh để ghi lại sự xâm nhập nói trên.

Bộ điều khiển chuyển động cũng được sử dụng trong máy chơi trò chơi điện tử như một dạng tay điều khiển. Ngoài ra, camera có thể được dùng để ghi nhận chuyển động của cơ thể nhằm điều khiển trò chơi, chẳng hạn như trong hệ thống Kinect.

Công nghệ cảm biến
nhỏ|200x200px|Một cảm biến hồng ngoại thụ động được gắn trên bo mạch (bên phải), cùng với cảm biến quang điện trở dùng cho ánh sáng khả kiến (bên trái). Đây là loại thường gặp nhất trong các thiết bị phát hiện chuyển động dùng trong gia đình, được thiết kế để chỉ bật đèn khi phát hiện có chuyển động và khi môi trường xung quanh đủ tối.
Chuyển động có thể được phát hiện bằng cách theo dõi sự thay đổi của:

Bức xạ hồng ngoại (cảm biến thụ động và chủ động)
Ánh sáng khả kiến (hệ thống video và camera)
Năng lượng tần số vô tuyến (radar, vi ba và phát hiện chuyển động dạng chụp cắt lớp)
Âm thanh (micro và các cảm biến âm học khác)
Năng lượng động học (cảm biến ma sát điện, địa chấn và công tắc quán tính)
Từ trường (cảm biến từ và từ kế)
Tín hiệu Wi-Fi (cảm nhận Wi-Fi)

Hiện nay, nhiều loại công nghệ phát hiện chuyển động khác nhau đang được sử dụng rộng rãi:

Hồng ngoại thụ động (PIR)
Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR) nhạy với nhiệt độ da người thông qua bức xạ vật đen phát ra ở dải hồng ngoại trung, qua đó phân biệt với các vật thể nền ở nhiệt độ phòng. Cảm biến này không phát ra năng lượng, do đó được gọi là hồng ngoại thụ động. Điều này giúp phân biệt nó với các thiết bị như mắt điện (không thường được xem là thiết bị phát hiện chuyển động), trong đó việc một người hoặc phương tiện đi qua sẽ làm gián đoạn một chùm tia ánh sáng khả kiến hoặc hồng ngoại. Các thiết bị này có thể phát hiện vật thể, con người hoặc động vật bằng cách thu nhận bức xạ hồng ngoại do chúng phát ra.

Cơ học
Các hình thức phát hiện chuyển động cơ học cơ bản nhất sử dụng công tắc hoặc cơ cấu kích hoạt. Ví dụ, các phím của máy đánh chữ sử dụng phương pháp phát hiện chuyển động cơ học, trong đó mỗi phím là một công tắc có hai trạng thái bật hoặc tắt, và mỗi ký tự xuất hiện là kết quả trực tiếp từ chuyển động của phím đó.

Vi sóng
Các thiết bị này phát hiện chuyển động dựa trên nguyên lý radar Doppler, tương tự như súng bắn tốc độ radar. Một sóng liên tục của bức xạ vi ba được phát ra, và sự dịch pha của sóng vi ba phản xạ do vật thể chuyển động tiến về phía hoặc rời xa bộ thu sẽ tạo ra một tín hiệu phách (heterodyne) ở tần số âm thanh thấp.

Siêu âm
Một đầu phát siêu âm phát ra sóng siêu âm (âm thanh có tần số cao hơn ngưỡng nghe của tai người) và thu nhận các sóng phản xạ từ những vật thể xung quanh. Tương tự như trong radar Doppler, việc phát hiện tín hiệu phách của trường sóng thu được cho biết sự tồn tại của chuyển động. Độ dịch Doppler được phát hiện cũng nằm ở tần số âm thanh thấp (ở tốc độ di chuyển như khi đi bộ), do bước sóng siêu âm khoảng một xentimét, tương đương với các bước sóng được sử dụng trong các thiết bị phát hiện chuyển động bằng vi sóng. Một nhược điểm tiềm tàng của cảm biến siêu âm là chúng có thể nhạy với chuyển động ở những khu vực không mong muốn, chẳng hạn do sóng âm phản xạ quanh các góc. Phạm vi bao phủ mở rộng như vậy có thể phù hợp cho điều khiển chiếu sáng, nơi mục tiêu là phát hiện bất kỳ sự hiện diện nào trong khu vực, nhưng đối với các ứng dụng như mở cửa tự động, các cảm biến có khả năng chọn lọc chuyển động theo hướng tiếp cận cửa thường hiệu quả hơn.

Thiết bị phát hiện chuyển động chụp cắt lớp
Các hệ thống này phát hiện sự nhiễu loạn của sóng vô tuyến khi chúng truyền từ nút này sang nút khác trong một mạng lưới dạng mesh. Chúng có khả năng phát hiện trên phạm vi rộng hoàn toàn, do có thể nhận biết tín hiệu xuyên qua tường và các vật cản khác. Các hệ thống phát hiện chuyển động chụp cắt lớp bằng tần số vô tuyến (RF) có thể sử dụng phần cứng chuyên dụng, các thiết bị không dây thông thường, hoặc kết hợp cả hai. Những thiết bị có khả năng kết nối không dây khác cũng có thể hoạt động như các nút trong mạng mesh sau khi được cập nhật phần mềm.

Phần mềm camera video
Với sự phổ biến của máy ảnh số giá rẻ có khả năng quay video, có thể sử dụng dữ liệu đầu ra của camera để phát hiện chuyển động trong trường quan sát của nó thông qua phần mềm. Giải pháp này đặc biệt phù hợp trong các trường hợp ghi hình được kích hoạt bởi phát hiện chuyển động, vì không cần thêm phần cứng nào ngoài camera và máy tính. Do khu vực được quan sát thường đã có ánh sáng, phương pháp này có thể được xem là một dạng công nghệ thụ động khác. Tuy nhiên, nó cũng có thể được kết hợp với chiếu sáng hồng ngoại gần để phát hiện chuyển động trong bóng tối, tức là với nguồn sáng ở bước sóng không thể nhận biết bằng mắt người.

Trong những tình huống phức tạp hơn, chẳng hạn khi chính camera đang quay quét hoặc khi cần phát hiện chuyển động của một đối tượng cụ thể trong một khung cảnh có nhiều chuyển động không liên quan—ví dụ như một bức tranh được bao quanh bởi khách tham quan trong phòng trưng bày nghệ thuật—các thuật toán phức tạp hơn là cần thiết. Với camera quay quét, các mô hình dựa trên dòng quang học (optical flow) được sử dụng để phân biệt chuyển động nền biểu kiến do chuyển động của camera gây ra với chuyển động của các vật thể chuyển động độc lập.

Bộ phát hiện cử chỉ
Các cảm biến quang và nguồn chiếu sáng hồng ngoại có thể hỗ trợ màn hình số để phát hiện chuyển động và cử chỉ của bàn tay với sự hỗ trợ của các thuật toán học máy.

Xem thêm
Công tắc hoàng hôn, bật đèn khi trời tối và tắt khi trời sáng
Thiết bị phát hiện nhiệt, linh kiện nhạy với nhiệt, phản ứng với năng lượng nhiệt đối lưu, ví dụ dùng trong phát hiện cháy
Ghi hình chuyển động, theo dõi chuyển động và chuyển đổi thành dữ liệu số
Bộ điều khiển chuyển động dùng cho máy chơi trò chơi điện tử
Pickup (công nghệ nhạc), bộ chuyển đổi thu nhận dao động cơ học do nhạc cụ tạo ra
Cảm biến tiệm cận, cảm biến phát hiện sự hiện diện của vật thể gần đó mà không cần tiếp xúc vật lý
Camera từ xa, camera được đặt tại khu vực không có mặt người chụp
Thiết bị phát hiện khói, thiết bị phát hiện khói, thường được sử dụng như dấu hiệu của hỏa hoạn

Tham khảo

Liên kết ngoài

Phát hiện chuyển động tương quan
www.cs.rochester.edu/~nelson/research
Các thuật toán phát hiện chuyển động trong xử lý hình ảnh
Nghiên cứu nhận dạng và phát hiện chuyển động
Giải thích về phát hiện hiện diện và vắng mặt
Video hiện thực hóa thuật toán mẫu về phát hiện chuyển động