基于OpenCV的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉銳　何志毅

【摘 要】為提高室內(nèi)照明控制的靈活性和降低家庭安防的成本，結(jié)合照明控制與視頻監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計了一種基于OpenCV的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)。使用USB攝像頭采集實時視頻信號，結(jié)合MFC與OpenCV設(shè)計上位機控制軟件，單片機作為照明控制MCU，PC與單片機采用串口通信。上位機可設(shè)置視頻監(jiān)控ROI（感興趣區(qū)域），并進行運動物體檢測。系統(tǒng)根據(jù)不同的檢測結(jié)果，控制照明狀態(tài)的改變，從而實現(xiàn)對特定照明區(qū)域的照明智能控制。

【關(guān)鍵詞】OpenCV；視頻監(jiān)測；照明控制；串口通信

0 引言

隨著經(jīng)濟和數(shù)字信息技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機、通信和自動控制技術(shù)不斷進步并相互滲透，人民對燈光照明控制的要求不斷提高，室內(nèi)照明的智能化控制受到越來越廣泛的關(guān)注。同時，人們對信息的需求和安全保障的渴望與日俱增[1]，在家庭安防領(lǐng)域，視頻監(jiān)控也日益興起。目前國內(nèi)的視頻監(jiān)控也逐步向數(shù)字化、多功能化、智能化方向發(fā)展[2]。日常生活中，照明控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常作為兩個獨立的系統(tǒng)被分別使用，不僅使用不便、成本較高且難以維護。本課題的主要目的是結(jié)合當(dāng)下流行的照明控制技術(shù)與視頻監(jiān)控技術(shù)開發(fā)出經(jīng)濟、可靠的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)，同時兼有視頻監(jiān)控功能，實現(xiàn)室內(nèi)照明控制的人性化和個性化[3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于OpenCV的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)如圖1所示。USB攝像頭采集視頻信號，經(jīng)數(shù)據(jù)線傳送到PC端。系統(tǒng)PC端上位機使用基于MFC與OpenCV開發(fā)的視頻監(jiān)控-照明控制軟件，可實現(xiàn)監(jiān)控畫面的實時顯示、運動物體檢測和照片拍照等功能。上位機根據(jù)視頻中運動物體的不同檢測結(jié)果，給出相應(yīng)的照明控制信號，并通過串口傳送到下位機照明控制MCU，MCU依據(jù)接收的控制信號控制照明模塊照明狀態(tài)的改變。其中，照明模塊采用單片機開發(fā)板上8個LED模擬實際室內(nèi)照明燈。

圖1 照明智能控制系統(tǒng)

圖2 視頻監(jiān)測-照明控制軟件界面

在Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境下，結(jié)合MFC應(yīng)用框架和OpenCV計算機視覺庫，編寫上位機視頻監(jiān)控-照明控制軟件，界面如圖2所示。界面分為以下幾個主要功能區(qū)：“畫面顯示”、“本地資源”、“信息顯示”、“攝像頭視頻采集”、“檢測結(jié)果”和“串口通信”等。當(dāng)打開本地圖片、視頻文件，或USB攝像頭采集實時視頻，都顯示到“畫面顯示”中；“本地資源”可以打開本地保存的圖片、視頻資源；“信息顯示”中“圖片信息”顯示打開的本地圖片的文件路徑，“視頻信息”顯示正在播放視頻的視頻信息，如幀數(shù)、幀寬和幀高；“攝像頭視頻采集”包含了對USB攝像頭的相關(guān)操作，如打開/關(guān)閉攝像頭、獲取攝像頭幀圖像、保存/停止保存視頻等；“檢測結(jié)果”用來顯示視頻中運動物體檢測的結(jié)果信息；“串口通信”是關(guān)于串口通信參數(shù)的設(shè)置，也包括打開/關(guān)閉串口功能。

2 串口通信

串行通信，數(shù)據(jù)的各位在一根傳輸線上按照時間順序依次傳送，具有實現(xiàn)簡單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點，在許多行業(yè)中得到大量應(yīng)用[4，5]。

基于OpenCV的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)中PC與單片機之間采用串口通信。首先對串口參數(shù)初始化，確定串口的工作方式、波特率、數(shù)據(jù)位以及停止位等。系統(tǒng)串口通信參數(shù)設(shè)置為：波特率9600bit/s、無校驗位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

3 視頻監(jiān)控與照明智能控制

3.1 視頻運動物體檢測

鑒于USB攝像頭在視頻采集過程中處于固定狀態(tài)，同時考慮到運動物體檢測的靈敏度和算法的復(fù)雜度，系統(tǒng)采用幀差法檢測運動物體。幀差法是用一幀圖像減去另一幀，然后把足夠大的差別標記為前景目標，能夠很好的捕捉到運動物體的邊緣。利用幀差法進行運動物體檢測流程如圖3所示。

圖3 幀差法運動物體檢測

運行PC端視頻監(jiān)控-照明控制軟件，在顯示的視頻畫面上繪制監(jiān)控ROI，同時彈出兩個ROI同大小的視頻顯示窗口“camera1”和“camera2”，分別用于顯示ROI視頻畫面和用幀差法處理后的ROI二值圖像，如圖4（a）、（b）所示。可以看出，對視頻圖像采用幀差法處理，可以很好的得到運動物體的邊緣輪廓，從而檢測出運動物體，且當(dāng)超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的判別閾值，系統(tǒng)會對有運動物體的視頻畫面進行拍照保存。

（a）ROI視頻圖像 （b）ROI二值圖像

圖4 ROI視頻幀間差分法效果圖

USB攝像頭朝向某一固定方向采集實時視頻信號，對于像室內(nèi)窗戶、門口、樓梯口等特殊地方的視頻監(jiān)控，系統(tǒng)PC端可以自主設(shè)置ROI。根據(jù)實際應(yīng)用的需要設(shè)置不同的ROI，可提高視頻監(jiān)控的效率和針對性。

3.2 照明智能控制

系統(tǒng)對運動物體檢測的不同結(jié)果設(shè)置了相應(yīng)的判別閾值。規(guī)定幀差法處理后的一幀ROI二值圖像中總像素點個數(shù)為N，非零像素點的個數(shù)為num；據(jù)此設(shè)置判別閾值：分別記為0、N*0.2、N*0.4、N*0.6、N*0.8，則得出五個不同的判別范圍：0-N*0.2、N*0.2- N*0.4、N*0.4- N*0.6、N*0.6- N*0.8及N*0.8-N；當(dāng)num處于不同的判別范圍內(nèi)時，系統(tǒng)給出相應(yīng)的警告信息，分別為：“Alert1_LED0”、“Alert2_LED1”、“Alert3_LED2”、“Alert4_LED3”、“Alert5_LED3”。其中警告級別分別從一級到五級，對應(yīng)點亮不同的LED燈。第一級中num相對很小，有可能是其他非行人等物體所致，故不點亮LED燈；第四、五級時，說明num值足夠大，同時點亮3個LED燈；對于第二到五級別，點亮LED燈的同時，系統(tǒng)對ROI視頻畫面拍照并保存，以供后期查看。

視頻中運動物體的檢測結(jié)果對應(yīng)哪個判別范圍內(nèi)，系統(tǒng)就給出相應(yīng)的警告信息和照明控制信號，其中，警告信息顯示在上位機軟件界面的“檢測結(jié)果”中，照明控制信號經(jīng)串口傳送給單片機。單片機接收到控制信號后，控制LED燈照明狀態(tài)的改變，進而在視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上實現(xiàn)照明智能控制。

4 結(jié)束語

本文利用VS2013中的MFC應(yīng)用框架與OpenCV計算機視覺庫編寫上位機視頻監(jiān)控-照明控制軟件，與下位機MCU進行串口通信，結(jié)合USB攝像頭和照明模塊組成室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)。通過設(shè)置視頻監(jiān)控ROI，可實現(xiàn)對特定區(qū)域的視頻監(jiān)控與照明控制。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)可以準確檢測出ROI區(qū)域內(nèi)的運動物體，并且必要時拍照保存視頻畫面，實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能；同時，下位機在接收照明控制信號后，相應(yīng)的改變照明狀態(tài)，實現(xiàn)照明智能控制功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，安全、可靠，兼具視頻監(jiān)控與照明智能控制的功能，提高了照明控制的靈活性的同時也降低了家庭安防的成本，為基于視頻監(jiān)控的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計提供了一套完整方案。

【參考文獻】

[1]張曉情.多功能遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2015（12）：41-42.

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[3]梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學(xué)報.2014（02）：15-26.

[4]王正強.VC中應(yīng)用MSComm控件實現(xiàn)串口通信[J].電子測試，2010（05）：73-76.

[5]龔新文.串口通信在VS2008中的實現(xiàn)與應(yīng)用[J].電腦與電信，2011（03）：47-48.

[責(zé)任編輯：湯靜]