基于視頻檢測(cè)技術(shù)的照明控制系統(tǒng)研究

羅志遠(yuǎn)

(深圳機(jī)械院建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518027)

基于視頻檢測(cè)技術(shù)的照明控制系統(tǒng)研究

羅志遠(yuǎn)

(深圳機(jī)械院建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518027)

將支持向量機(jī)分類器的視頻檢測(cè)技術(shù)用于建筑智能照明系統(tǒng)，搭建硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并?duì)基于GIS的智能照明控制軟件進(jìn)行簡單分析，討論了一套基于視頻檢測(cè)技術(shù)控制的建筑智能照明系統(tǒng)研究方案。

建筑 照明 視頻檢測(cè) 控制 GIS

0 引言

隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，建筑照明系統(tǒng)對(duì)智能化的要求也越來越高。本文主要研究了基于圖像處理技術(shù)的智能照明系統(tǒng)，采用視頻檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)燈具進(jìn)行開關(guān)控制，對(duì)建筑照明的智能化和節(jié)能應(yīng)用具有重要的研究意義。

1 系統(tǒng)概況

系統(tǒng)采用紅外視頻人體識(shí)別模式對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，以達(dá)到人來燈亮，人走燈滅，實(shí)現(xiàn)照明控制系統(tǒng)的智能化。系統(tǒng)將每張紅外視頻圖像分為多個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)于一些走廊或辦公及教學(xué)場(chǎng)所固定位置，若視頻檢測(cè)器分辨出有人員進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，結(jié)合環(huán)境光強(qiáng)程度決定是否開啟所對(duì)應(yīng)檢測(cè)區(qū)域燈具，如圖1。

圖1 系統(tǒng)方框圖

2 視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 支持向量機(jī)原理

SVM(supporting vector machine，支持向量機(jī))分類器方法的思想可以總結(jié)為以下兩個(gè)方面[1]：

1) 僅針對(duì)線性可分情況采取分析，對(duì)于線性不可分情況，通過轉(zhuǎn)化將其轉(zhuǎn)化為線性可分情況，再對(duì)其進(jìn)行分析。具體轉(zhuǎn)化方法為將空間低維轉(zhuǎn)化為空間高維，使得空間高維趨于線性化，可分析化。

2) 它基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化理論之上在特征空間中建構(gòu)最優(yōu)分割超平面,使得學(xué)習(xí)器得到全局最優(yōu)化,并且在整個(gè)樣本空間的期望風(fēng)險(xiǎn)以某個(gè)概率滿足一定上界。

2.2 基于向量機(jī)的人體檢測(cè)

1) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的提取

圖像從前端視頻經(jīng)光端機(jī)編碼傳送，再解碼，最終利用視頻采集卡獲取，此過程中必定產(chǎn)生噪聲干擾等。另外，為了能夠有效的進(jìn)行后期處理，在對(duì)視頻圖像中的目標(biāo)進(jìn)行提取之前要將所采集到的圖形預(yù)處理。預(yù)處理過程包括采用中值濾波，圖像灰度化等等。目標(biāo)提取方式采用背景差分法，即用采集到的實(shí)時(shí)圖像減去提取的背景圖像，這樣就能得到圖中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域。為了提高精度，系統(tǒng)要求對(duì)背景圖像進(jìn)行不斷更新。

對(duì)背景的實(shí)時(shí)更新，主要采用差分法。提前先設(shè)定一張圖像A，A圖像要求能最客觀地反映出所要提取的背景，再重復(fù)拍多張圖像，與A圖像對(duì)比后，把特征值相同的圖形進(jìn)行差分，最后留下差分結(jié)果比設(shè)定上限值小的圖片B，并將B作為背景圖像，否則取消對(duì)圖像的處理。

2) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的特征向量化

通常采用降維法預(yù)先對(duì)圖像進(jìn)行處理，因?yàn)橹械却笮∫陨系膱D像都屬于高維圖像，這就已經(jīng)給分類和學(xué)習(xí)帶來極大的困難。為了提高分類和學(xué)習(xí)效率，簡化分類學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，采取對(duì)圖像降低圖像維數(shù)的方法?？梢酝ㄟ^提取圖像主要信息，將冗余信息刪除，得到便于SVM機(jī)分類和學(xué)習(xí)的圖像。降低圖像空間維數(shù)、提取圖像主要特征有多種方法，但現(xiàn)階段最為常用的幾種方法存在計(jì)算量大，復(fù)雜程度高等特點(diǎn)。因此這里采用星型向量表示法對(duì)圖像進(jìn)行降維，提取出圖片的主要特征向量。如此，處理目標(biāo)輪廓以外，其余的信息都與所要提取信息無關(guān)，從而也就簡化了圖像的提取，即僅有目標(biāo)輪廓才是所要提取的特征向量。

3) 向量機(jī)判別器的訓(xùn)練及分類器構(gòu)成

SVM分類器主要依據(jù)小樣本原理構(gòu)造，因此所采用的樣本集對(duì)分類器的性能起著決定性的作用。通常樣本集包括人體樣本和非人體樣本兩種。兩種樣本是通過不同的手段去提取的，其中人體樣本有兩種獲取方式，一是采用前面所述的人體目標(biāo)提取方法從拍攝的圖片集中提取得到；二是選取各種含有人體的圖像，用手工方式分割出人體[1]。而非人體樣本由于其種類的多樣性，通常其提取過程是非常麻煩的。需要獲得非人體樣本，需要通過大量的非人體樣本測(cè)試，由于非人體樣本數(shù)量巨大，迭代次數(shù)也隨之增大，相應(yīng)測(cè)試手鏈速度也極具降低。要克服這個(gè)困難，必須減少樣本量，可以采用自舉方式。如選出各類型的非人體樣本，并與人體樣本組成樣本集。將其余的非人體樣本作為測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果中的非人體測(cè)試樣本再與前面的各類型非人體樣本同人體樣本一起作為樣本集，然后再將一部分非人體測(cè)試樣本送入SVM機(jī)中訓(xùn)練等等，反復(fù)此過程，直到獲得所需要的非人體樣本[2]。

在訓(xùn)練分類器時(shí)，樣本是以向量的形式表示，經(jīng)查相關(guān)文獻(xiàn)，16維向量時(shí)表示的精度效果較好，因此，可選擇16維向量來表示人體;將確定的樣本集，包含人體樣本，非人體樣本，以16維的向量形式表示，優(yōu)化約束條件C=100，送入SVM訓(xùn)練，最終構(gòu)成SVM分類器[2]。

3 系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件拓?fù)?/p>

如圖2，整個(gè)硬件拓?fù)洳捎萌龑咏Y(jié)構(gòu)，第一層為管理層設(shè)置視頻檢測(cè)工作站一臺(tái)；第二層為傳輸層，包括交換機(jī)、串口服務(wù)器、視頻檢測(cè)處理器及光端機(jī)；第三層為現(xiàn)場(chǎng)層，包括前端視頻，現(xiàn)場(chǎng)照明控制器。整個(gè)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)組成，方便其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及聯(lián)動(dòng)控制，而且穩(wěn)定性較好。在上位機(jī)與控制器通信時(shí)設(shè)置串口服務(wù)器一臺(tái)，將以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為串口RS-485信號(hào)，有效最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1 200m，實(shí)現(xiàn)了前端管理機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)控制器的遠(yuǎn)距離通信，且穩(wěn)定性較好；系統(tǒng)為了提高視頻畫面質(zhì)量，保證視頻儀分析效率，采用光纖傳輸，在視頻傳輸中間分別采用一對(duì)光端機(jī)，視頻信號(hào)在經(jīng)視頻檢測(cè)儀器分析后，將檢測(cè)結(jié)果通過以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行綜合分析，然后與現(xiàn)場(chǎng)照明控制器進(jìn)行通信，并對(duì)燈具的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。如此實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的硬件傳輸與通信。視頻檢測(cè)工作站是系統(tǒng)的核心，是整個(gè)系統(tǒng)的主服務(wù)器，橋接了其他的各個(gè)服務(wù)模塊。主要用于管理系統(tǒng)平臺(tái)所有的設(shè)備和與其他的管理服務(wù)器進(jìn)行通訊和同步。串口服務(wù)器是為RS-232/485到TCP/IP 之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口轉(zhuǎn)換器。將RS-232/485終端串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，有效地實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)到終端照明控制器的數(shù)據(jù)通信。終端照明控制器1至控制器n可采用51系列單片機(jī)，單片機(jī)通信方式選擇串口通信，外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)三極管組成，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)三極管，三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷決定線圈是否帶電，從而控制繼電器的閉合與關(guān)斷。原理見圖3。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3 終端照明控制電路原理

3.2 軟件分析設(shè)計(jì)

為了便于控制照明系統(tǒng)中的設(shè)備，可以利用GIS技術(shù)將照明控制系統(tǒng)中設(shè)備的空間信息和屬性信息一一對(duì)應(yīng)的結(jié)合起來，從而以一種直觀，形象，精確的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和管理。

軟件設(shè)計(jì)原則：

1)安全性原則，防止軟件不被隨意篡改，保證軟件安全運(yùn)行；

2)實(shí)時(shí)性原則，保證軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明及照度情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)照度進(jìn)行分析，決定是否允許開啟燈具；

3)用戶好友性原則，保證軟件界面的易接觸性，操作簡單化；

4)穩(wěn)定性原則，保證軟件使用過程中穩(wěn)定，不誤操作、不失控；

5)擴(kuò)展性原則，在用戶對(duì)軟件功能提出更高要求時(shí)，軟件開發(fā)者應(yīng)對(duì)軟件的后續(xù)開發(fā)提供擴(kuò)展性支持。

GIS設(shè)計(jì)的主要功能如下：

1)圖面和文字結(jié)合方式顯示所需要的信息；

2)可以縮放顯示地圖上任意對(duì)象或一點(diǎn)的詳細(xì)信息；

3)可通過鼠標(biāo)操作，查看每一個(gè)設(shè)備的相關(guān)書序及檢測(cè)信息，也可向被控對(duì)象發(fā)出控制命令；

4)可通過編碼查詢對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)圖標(biāo)，并能夠突出提示查詢結(jié)果；

5)可對(duì)地圖界面進(jìn)行基本的縮放、移動(dòng)等操作；

6)可通過不同顏色顯示設(shè)備的不同狀態(tài)，紅色：表示目前該設(shè)備故障；黃色：表示該設(shè)備通信中斷；綠色：表示該設(shè)備工作正常。

為了方便物業(yè)人員管理，照明軟件設(shè)計(jì)模塊化，如圖4。

圖4 照明系統(tǒng)軟件架構(gòu)

用戶管理模塊是基于安全性的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，由用戶登陸、權(quán)限設(shè)置、修改密碼、用戶注銷四個(gè)子模塊組成，防止非管理人員對(duì)軟件的任意修改或者發(fā)錯(cuò)誤命令。其中用戶登陸流程圖見圖5。權(quán)限設(shè)置可根據(jù)不同身份的人員設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，比如Admin權(quán)限用戶具有最高優(yōu)先級(jí)，可創(chuàng)建、修改和刪除系統(tǒng)管理員等，并對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行寫入、刪除和修改；比其低一級(jí)的系統(tǒng)管理員則只可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，無法完成對(duì)系統(tǒng)程序的寫入和刪除等操作。

圖5 用戶登陸軟件流程圖

數(shù)據(jù)通信模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及命令發(fā)送，主要收集前端視頻畫面監(jiān)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)，綜合分析后，發(fā)送命令控制下端照明設(shè)備。數(shù)據(jù)通信模塊主要由串口通信及網(wǎng)絡(luò)通信兩個(gè)子模塊組成。其中串口通訊采用MSComm控件，其能夠提供一系列標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以建立我們所需的串口通信，能夠發(fā)出命令，并在交換數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信中的不同錯(cuò)誤和事件。因此可以通過MSComm控件建立全雙工、事件驅(qū)動(dòng)的高效且比較實(shí)用的通信程序。此通信控件也有許多的屬性，如：CommPort、Settings、PortOpen、Input、Output等。網(wǎng)絡(luò)通信子模塊用來接收并反饋每個(gè)照明區(qū)域內(nèi)的基本數(shù)據(jù)，如接收本地檢測(cè)數(shù)據(jù)、反饋軟件分析后處理結(jié)果數(shù)據(jù)等等。網(wǎng)絡(luò)通信可以采用CSocket類技術(shù)，創(chuàng)建CSocket對(duì)象，然后進(jìn)行編程。

本數(shù)據(jù)控模塊由兩部分組成，一是用戶數(shù)據(jù)子模塊，包含用戶的資料、光照強(qiáng)度資料和視頻圖像資料。二是GIS數(shù)據(jù)庫，由屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫組成，包含了有關(guān)GIS界面的數(shù)據(jù)。

在基于視頻檢測(cè)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)中，可以采用GIS地理信息技術(shù)將前端檢測(cè)設(shè)備與末端控制器及照明燈具的物理位置和設(shè)備的信息制成照明系統(tǒng)的地理信息。對(duì)于GIS模塊可以由4個(gè)子模塊組成，見圖6。GIS模塊中對(duì)地理要素進(jìn)行分層，如前所述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層一樣，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)放于不同的層，對(duì)于不同層中的每一個(gè)對(duì)象賦予一個(gè)編碼，這樣照明控制系統(tǒng)中的所有設(shè)備可以在地圖中按地理要素層形成一個(gè)編碼集合，通過查詢編碼方便地查找每一個(gè)對(duì)象，所有對(duì)象信息放于GIS數(shù)據(jù)庫，GIS數(shù)據(jù)庫兩部分組成，屬性數(shù)據(jù)庫，空間數(shù)據(jù)庫；屬性數(shù)據(jù)庫主要存放的設(shè)備及線路的屬性(攝像機(jī)，光端機(jī)，視頻分析儀，交換機(jī)，串口服務(wù)器，控制器，燈具)，空間數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)是各設(shè)備及線路地理要素的位置，坐標(biāo)等。如此查詢時(shí)可方便的瀏覽到各個(gè)對(duì)象的所有信息。GIS模塊可為整個(gè)照明控制系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來方便，大大提高了照明管理水平。GIS工作流程圖如圖7所示。

圖6 GIS模塊結(jié)構(gòu)

圖7 GIS工作流程

圖8 對(duì)象查詢流程圖

查詢模塊可以對(duì)單個(gè)對(duì)象及多個(gè)對(duì)象進(jìn)行查詢，根據(jù)地理要素編碼查詢到相應(yīng)設(shè)備線路要素，并對(duì)其進(jìn)行控制，以單個(gè)對(duì)象查詢?yōu)槔?，其流程圖如圖8所示。

光線分析模塊是對(duì)外部光線數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，做出需要啟動(dòng)燈或者不需要啟動(dòng)燈的判斷，它是與視頻檢測(cè)結(jié)果結(jié)合做出判斷的，比如在視頻檢測(cè)有人情況下，光線較好時(shí)，不需要啟動(dòng)燈具，在夜間或者重陰天光線不好時(shí)，需要做出啟燈命令。

特殊處理模塊是針對(duì)建筑內(nèi)特殊需要情況，對(duì)全部燈具進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)閉或者強(qiáng)制啟動(dòng)，或者對(duì)單個(gè)燈或者一組燈進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)閉或者強(qiáng)制啟動(dòng)，同時(shí)也作為智能化控制與手動(dòng)控制的切換方式模塊。

4 結(jié)束語

本文討論了視頻檢測(cè)技術(shù)在智能照明系統(tǒng)中的應(yīng)用，采用支持向量機(jī)的分類器原理對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理，將處理結(jié)果送于視頻檢測(cè)工作站，工作站通過軟件管理自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明燈具開關(guān)控制；同時(shí)提出了基于GIS界面下的軟件模塊方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑照明系統(tǒng)的智能化，特別適合于人員密集的辦公室及教學(xué)樓智能照明控制，通過自動(dòng)開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅，對(duì)于照明節(jié)能具有重要的意義。

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羅志遠(yuǎn)

本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于深圳機(jī)械院建筑設(shè)計(jì)有限公司，主要從事建筑電氣設(shè)計(jì)與研究。

Study on Lighting Control System Based on Video Detection Technology

Luo Zhiyuan

Using video detection technique supporting vector machine classifier for building intelligent lighting system and building the hardware network topology, this paper analyzes the intelligent lighting control software based on the GIS, and discusses the research program based on the video detection technology for the building intelligent lighting system.

Construction, lighting, video detection, control, GIS