基于機(jī)器視覺技術(shù)的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)

李 震，李駢臻，鄒紹源，顏 旭，洪添勝

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州510642）

0 引 言

學(xué)校是重要的用電大戶，其用電量占社會(huì)總用電量的30%以上，而教室用電量在學(xué)校的用電總量中又占有較大比例。為解決教室照明用電浪費(fèi)問題，教學(xué)單位采取的節(jié)能措施主要包括：加強(qiáng)節(jié)能意識(shí)宣傳、規(guī)范教室用電相關(guān)規(guī)章制度、減少開放教室數(shù)量、派專人定期巡查等［1］。以上措施雖然在一定程度上節(jié)約照明能耗，但限制了可用教室數(shù)，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；開放的教室通常開啟所有照明設(shè)備，未根據(jù)室內(nèi)人員情況和光線強(qiáng)弱對照明燈具進(jìn)行自動(dòng)控制和智能化的科學(xué)管理，用電浪費(fèi)現(xiàn)象依然比較嚴(yán)重。

隨著計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺和視頻檢測技術(shù)已被應(yīng)用于交通監(jiān)測、織物檢測等領(lǐng)域［2－4］。基于已有視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制是近年來興起的一個(gè)新的研究方向，監(jiān)控設(shè)備根據(jù)人員情況、光線強(qiáng)弱、空氣溫濕度等信息，自動(dòng)開啟或關(guān)閉空調(diào)、照明及通風(fēng)設(shè)備。由于該技術(shù)可在小幅投入的同時(shí)，提高監(jiān)控設(shè)備利用率和降低能耗，已在空調(diào)節(jié)能和城市道路照明控制等方面得到應(yīng)用［5－6］。目前大多數(shù)教室安裝了視頻監(jiān)控設(shè)備，從攝像頭采集的教室圖像中可獲取室內(nèi)人員信息，根據(jù)該信息控制照明設(shè)備，在不影響教室正常使用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

本文基于教室現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和制作基于機(jī)器視覺的教室照明設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)硬件及通信網(wǎng)絡(luò)；研究基于背景差分進(jìn)行室內(nèi)人員識(shí)別所采用的背景重構(gòu)算法，提高重構(gòu)背景的適應(yīng)性；基于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，從教室監(jiān)控圖像中自動(dòng)獲取室內(nèi)人員信息，檢驗(yàn)系統(tǒng)對室內(nèi)人員的識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體框架

本研究所設(shè)計(jì)的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)硬件主要由圖像采集模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、電氣控制模塊及教室電氣線路等4部分組成，如圖1所示。圖像采集模塊為教室已安裝的攝像頭監(jiān)控設(shè)備及視頻傳輸線路；監(jiān)控計(jì)算機(jī)安放在教學(xué)樓或?qū)W校主監(jiān)控室，除具備傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控錄像功能外，本系統(tǒng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)還完成教室內(nèi)人員識(shí)別和電氣控制決策等任務(wù)；電氣控制模塊基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，主要完成接收來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制信息并根據(jù)此信息開啟或關(guān)閉教室內(nèi)的照明設(shè)備；教室電氣線路通過改裝教室內(nèi)已有的電氣線路，實(shí)現(xiàn)電氣控制模塊和手動(dòng)共同控制。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

1.2 圖像采集模塊及監(jiān)控計(jì)算機(jī)

本研究所采用的圖像采集模塊為湖北平安之星科技有限公司的C103E攝像頭，主要參數(shù)為：SONY 1／3"CCD傳感器，PAL制式有效像素?cái)?shù)為752×582pix，NTSC制式有效像素?cái)?shù)為768×492pix。攝像頭安裝位置為教室左前方，視頻信號(hào)傳輸采用教學(xué)樓內(nèi)原有監(jiān)控線路。

由于本研究的監(jiān)控軟件對計(jì)算機(jī)要求較高，實(shí)驗(yàn)中選用一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)替代監(jiān)控室原有的監(jiān)控計(jì)算機(jī)。所選便攜式計(jì)算機(jī)的主要配置為：英特爾酷睿2雙核處理器T6600，工作主頻2.20GHz，2GB的DDR3 1067MHz內(nèi)存。

1.3 電氣控制網(wǎng)絡(luò)

由于監(jiān)控室與教室間通信距離較遠(yuǎn)，常用的USB及RS232等通信協(xié)議受傳輸距離限制，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制信號(hào)傳輸。本系統(tǒng)采用RS－485總線實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與電氣控制模塊間的通信［7］。監(jiān)控計(jì)算機(jī)串行通信接口與教室電氣控制模塊之間的電平轉(zhuǎn)換通過RS－232C／RS－485轉(zhuǎn)換器（UT－201，宇泰科技，中國深圳）實(shí)現(xiàn)，電氣控制網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2所示。

圖2 電氣控制網(wǎng)絡(luò)框架

控制板主要由AT89C51單片機(jī)、MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片和繼電器模塊組成，繼電器模塊與教室內(nèi)的照明設(shè)備相連。MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片將來自控制室的控制信號(hào)由RS－485電平轉(zhuǎn)換為TTL電平送至AT89C51單片機(jī)的UART接口，單片機(jī)根據(jù)所接收的控制信號(hào)控制相應(yīng)的繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉教室內(nèi)的照明設(shè)備。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)概述

安裝在監(jiān)控計(jì)算機(jī)的主程序基于Matlab（Version 7.01，Mathworks，USA）開發(fā)，按功能可分為圖像獲取、圖像處理、串口雙向傳輸、圖形用戶界面及數(shù)據(jù)庫等5部分，各部分間關(guān)系如圖3所示。系統(tǒng)軟件與計(jì)算機(jī)硬件間的訪問通過調(diào)用Matlab相應(yīng)的內(nèi)建函數(shù)實(shí)現(xiàn)，所調(diào)用的主要函數(shù)包括：創(chuàng)建視頻輸入對象函數(shù) （videoinput）、獲取視頻圖像（getsnapshot）、打開、查詢、關(guān)閉和讀寫串口函數(shù)等［8］。

2.2 分段收斂的背景重構(gòu)算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)圖像處理部分采用幀差分與背景差分疊加的方法分離背景和識(shí)別室內(nèi)人員。幀差分法用前一幀圖像作為當(dāng)前幀的背景模型，其優(yōu)點(diǎn)為：相鄰兩幀間的時(shí)間間隔較短、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、背景不積累、更新速度快、算法簡單、計(jì)算量小等；其不足在于對環(huán)境噪聲和閾值選擇較為敏感，對于比較大的、顏色較一致的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，有可能在目標(biāo)內(nèi)部產(chǎn)生空洞而影響背景分離效果［9－10］。背景差分法利用背景的參數(shù)模型來近似背景圖像，將當(dāng)前幀與背景圖像進(jìn)行差分比較實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的檢測。其中區(qū)別較大的像素區(qū)域被認(rèn)為是目標(biāo)區(qū)域，而區(qū)別較小的像素區(qū)域被認(rèn)為是背景區(qū)域［11－12］。背景差分法的關(guān)鍵是背景重構(gòu)及其隨光照或外部環(huán)境的變化而實(shí)時(shí)更新的算法。

為實(shí)現(xiàn)較好的背景差分，本研究提出分段收斂的背景重構(gòu)算法：視頻圖像處理程序以預(yù)先采集好的空教室圖像作為背景重構(gòu)的第1幀，前50幀以1%的速率收斂，使初步重構(gòu)背景與真實(shí)時(shí)刻背景相近；50幀后以0.5%的速率收斂，以得到較好的背景適應(yīng)性?；诜侄问諗康谋尘爸貥?gòu)法遞推關(guān)系如下

式中：bg（x）——當(dāng)前重構(gòu)的背景，sf——第1幀既預(yù)先采集好的空教室背景，cf（x）——當(dāng)前幀，x——幀序號(hào)，t——啟動(dòng)快速收斂的閾值幀數(shù)，r1、r2——不同區(qū)間段的收斂速率。本研究中t的取值為50，既從第50幀開始啟動(dòng)快速收斂。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)r1取1%，r2取0.5%時(shí)，算法取得較好的起始背景重構(gòu)效果。截取教室監(jiān)控錄像中某一幀為起點(diǎn)，對其之后的連續(xù)600幀圖片按式 （1）進(jìn)行背景重構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 分段收斂法背景重構(gòu)效果

此外，為了避免燈光的開啟與關(guān)閉等擾動(dòng)對所采集圖像的影響，本算法中如果當(dāng)前幀與上一幀相比有較大的差分余量時(shí)，將提高重建背景的收斂速率，以得到更好的背景適應(yīng)性。為此，背景重建的收斂速度應(yīng)能根據(jù)差分余量自適應(yīng)調(diào)整。收斂速度r2的計(jì)算如下

式中：r2——收斂速率，取值范圍為0～1；re——兩幀之間已歸一化的有效像素變化率；σ——方差，μ為峰值。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)σ取0.35，μ取1時(shí)，本算法能夠較好地根據(jù)室內(nèi)照明情況調(diào)整收斂速率，進(jìn)一步提高背景重構(gòu)的效果?；谑?（2）計(jì)算得到的有效像素變化率及收斂速率間關(guān)系如圖5所示。

圖5 有效像素變化率與重構(gòu)背景收斂速率關(guān)

2.3 室內(nèi)人員識(shí)別算法設(shè)計(jì)

由于教室內(nèi)人員活動(dòng)頻率較低，背景與目標(biāo)間區(qū)別較小，采用單一的背景差分方法難以從監(jiān)控視頻中準(zhǔn)確識(shí)別人員目標(biāo)。針對以上問題，本研究采用幀差分與背景差分疊加的方法，具體算法如下：

（1）將當(dāng)前圖像和前一幀圖像歸一化后作幀差分處理，提取人員目標(biāo)；

（2）將當(dāng)前圖像和重構(gòu)背景歸一化后作差分處理，提取人員目標(biāo)；

（3）將前兩幅差分輸出圖像加權(quán)疊加，進(jìn)一步增強(qiáng)所提取的人員目標(biāo)；

（4）將疊加后的圖像經(jīng)過高斯低通濾波器作平滑處理，具體方法為：調(diào)用Matlab提供的fspecial函數(shù)，構(gòu)建高斯低通濾波器：

H＝fspecial（′gaussian′，hsize，sigma）

其中：hsize表示模板尺寸，本研究選用其默認(rèn)值 ［3，3］，sigma為濾波器標(biāo)準(zhǔn)值，單位為pix，本研究選用其默認(rèn)值0.5；濾波器構(gòu)建完成后，調(diào)用 MATLAB中的imfilter函數(shù)對差分疊加輸出圖像進(jìn)行線性空間濾波，實(shí)現(xiàn)平滑處理；

（5）將平滑處理后的圖像進(jìn)行二值化，并通過形態(tài)學(xué)操作進(jìn)一步去除噪聲和分割目標(biāo)，所調(diào)用的MATLAB函數(shù)為 ［L，num］＝bwlabel（BW，n），其中BW為待處理的二值化圖像矩陣，n為連通區(qū)域搜索時(shí)的像素?cái)?shù)，本研究中n的值為8，返回值L為與BW大小相同的矩陣，L中包含了標(biāo)記了BW中每個(gè)連通區(qū)域的類別標(biāo)簽，num為聯(lián)通區(qū)域的個(gè)數(shù)；

（6）搜索形態(tài)學(xué)處理后圖像中各連通區(qū)域，獲取室內(nèi)人員連通區(qū)域的最小外接矩形，完成監(jiān)控圖像中的目標(biāo)識(shí)別。

該算法各步驟處理及基于該算法的室內(nèi)人員識(shí)別效果如圖6所示。

2.4 基于串行通信的控制信號(hào)傳輸

本系統(tǒng)通過在Matlab中調(diào)用計(jì)算機(jī)串行口對象支持函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)串口屬性設(shè)置、數(shù)據(jù)加載與讀取等功能。主要使用的Matlab內(nèi)建函數(shù)包括：創(chuàng)建串行口對象函數(shù)scom＝serial（com＿n）、啟動(dòng)串口函數(shù)fopen（scom）、查詢串口函數(shù)str＝get（scom，′TransferStatus′）以及讀／寫串口函數(shù)text＝fread （obj，n，′uchar′）和fwrite （scom，val，′uint8′，′async′）等［13－14］。

2.5 系統(tǒng)圖形用戶界面的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的圖形用戶界面如圖7所示，該界面基于Matlab的GUI編輯器GUIDE開發(fā)［15］，整合軟件各部分功能并提供友好的圖形化人機(jī)接口。通過該界面，用戶可設(shè)置系統(tǒng)對各教室內(nèi)監(jiān)控錄像進(jìn)行人員識(shí)別的間隔，保存和調(diào)用監(jiān)控錄像，手動(dòng)開啟或關(guān)閉各教室內(nèi)的照明設(shè)備等。

3 室內(nèi)人員識(shí)別效果實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)系統(tǒng)對室內(nèi)人員的識(shí)別效果，應(yīng)用該系統(tǒng)對晚間教室監(jiān)控錄像進(jìn)行人員識(shí)別。實(shí)驗(yàn)場地為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)第三教學(xué)樓教室，所選取的視頻情況為：時(shí)長15min，NTSC制式，分辨率768×492，各幀間時(shí)差為3s，共300幀，其中78幀不含室內(nèi)人員，222幀含室內(nèi)人員。運(yùn)行系統(tǒng)識(shí)別各幀中室內(nèi)人員，并與人工觀察結(jié)果進(jìn)行對比，計(jì)算系統(tǒng)的正確識(shí)別率，計(jì)算方法如下

式中：R——正確識(shí)別率，Mc、Fc——系統(tǒng)識(shí)別人數(shù)和該情況所占幀數(shù)，Mt、Ft——人工觀察人數(shù)和該情況所占幀數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：識(shí)別平均耗時(shí)0.2s，即系統(tǒng)能對5幀／s以下的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)室內(nèi)人員識(shí)別；當(dāng)幀中不包含室內(nèi)人員時(shí)正確識(shí)別率為100%，既系統(tǒng)不會(huì)將教室背景誤檢測為室內(nèi)人員；當(dāng)幀中包含室內(nèi)人員時(shí)，根據(jù)室內(nèi)人員數(shù)量差異，識(shí)別結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)對含室內(nèi)人員幀識(shí)別結(jié)果

由表1可得：①當(dāng)包含室內(nèi)人員時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別的人數(shù)小于或等于實(shí)際人數(shù)，既未出現(xiàn)將背景誤識(shí)別為人員的情況；②當(dāng)幀內(nèi)所含人員為1、3和4人時(shí)，系統(tǒng)仍能夠正確識(shí)別室內(nèi)人員，正確識(shí)別率達(dá)到100%；③當(dāng)幀內(nèi)所含人員較多且間距離較小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將距離較近的人員識(shí)別為同一人，既表1中當(dāng)幀內(nèi)人員為7人時(shí)，系統(tǒng)對某些幀識(shí)別人數(shù)為6人；④系統(tǒng)對包含室內(nèi)人員幀的總體正確識(shí)別率為93%。

4 結(jié)束語

為解決教室照明用電浪費(fèi)現(xiàn)象，本文研究了基于機(jī)器視覺的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用教室已安裝的監(jiān)控設(shè)備采集室內(nèi)監(jiān)控錄像，采用幀差分與背景差分疊加的方法從監(jiān)控錄像中分割和識(shí)別室內(nèi)人員，并根據(jù)人員情況控制教室內(nèi)照明設(shè)備的開啟或關(guān)閉。系統(tǒng)能對5幀／s以下的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)室內(nèi)人員識(shí)別，對不包含和包含室內(nèi)人員幀的檢測準(zhǔn)確率分別為100%和93%。隨著公共場所監(jiān)控設(shè)備的普及率越來越高，基于機(jī)器視覺的能耗控制利用已有的監(jiān)控系統(tǒng)，在提高監(jiān)控設(shè)備利用率的同時(shí)降低能耗，具有較好的普及應(yīng)用前景。

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