基于圖像識(shí)別技術(shù)的高校教室智能照明控制應(yīng)用研究

吳少俊　宋樑杰

摘要：目前高校教室普遍存在“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象，管理不科學(xué)，本文根據(jù)高校教室的現(xiàn)狀，利用普通攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像采集，采用灰度值比對(duì)的方法識(shí)別照明度，采用Haar級(jí)聯(lián)分類器的檢測(cè)方法識(shí)別學(xué)生人數(shù)和分布位置，得出每個(gè)照明設(shè)備的所需狀態(tài)。在照明設(shè)備原有的線路的基礎(chǔ)上提出改造方案，并利用STC89C52單片機(jī)和繼電器來智能控制每個(gè)照明設(shè)備，以達(dá)到降低成本，節(jié)能減排的良好效果。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別；智能照明；Haar；教室

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0001-02

當(dāng)前高校對(duì)于教室照明普遍采用專人看管的方式，然而教室特別是24小時(shí)自習(xí)教室數(shù)量日益增加，使得依靠人力無法及時(shí)有效地在時(shí)間上和空間上進(jìn)行管理。在自然光線充足的情況下，教室中依然全部開啟照明設(shè)備；在室內(nèi)人數(shù)較少或者人數(shù)較多但集中在某一區(qū)域時(shí)，也會(huì)普遍開燈；更有甚者，在離開教室后依然不熄燈，導(dǎo)致“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象的屢禁不止。[1]這些不僅不符合國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，也增加了高校的辦學(xué)成本。

智能照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)教室中實(shí)際的光照度決定是否需要開燈，同時(shí)根據(jù)教室中學(xué)生實(shí)際人數(shù)以及所在的位置信息，按需調(diào)整各個(gè)照明設(shè)備的開閉狀態(tài)；通過系統(tǒng)設(shè)定電壓，避免照明設(shè)備被高電壓的沖擊，延長(zhǎng)燈具壽命，提高可用性；讓大學(xué)生親身體驗(yàn)高科技帶來的便利生活和對(duì)環(huán)境保護(hù)的影響，潛移默化地向廣大師生宣傳推廣節(jié)能減排、發(fā)展高新科技的理念。

1 智能控制關(guān)鍵技術(shù)分析

智能照明系統(tǒng)是否“智能”首先體現(xiàn)在能否準(zhǔn)確識(shí)別出教室內(nèi)的人數(shù)情況、分布情況和當(dāng)前的照明情況等信息。目前的識(shí)別技術(shù)主要由兩種：一種是基于各種傳感器來識(shí)別，第二種是基于圖像處理技術(shù)來識(shí)別。

1.1 基于傳感器智能控制

目前常見的傳感器主要由紅外線、微波、光感和無線傳感器組成，可以簡(jiǎn)單快速地實(shí)現(xiàn)光照和人數(shù)的檢測(cè)，但是容易受到外界環(huán)境的影響，并且提高識(shí)別的正確率，必須在各個(gè)不同的地方安裝多個(gè)傳感器，成本高，工作量大。[2]

1.2 基于圖像處理技術(shù)智能控制

基于圖像處理技術(shù)的智能控制是對(duì)同一區(qū)域不同時(shí)段的圖像進(jìn)行比對(duì)。首先將圖像分割成細(xì)小的區(qū)域，通過判斷區(qū)域內(nèi)某個(gè)像素的變化值是否在域值內(nèi)，得出當(dāng)前的照明情況和人員分布情況。[3]此外，相鄰像素具有相關(guān)性，可以快速分離出明暗的邊界，提高控制的反映速度，其精度主要取決于識(shí)別算法，硬件成本低，改造升級(jí)比較簡(jiǎn)單。當(dāng)前高校每個(gè)教室一般都已配備高清的或者是自帶深度圖像識(shí)別模式的攝像頭，在此基礎(chǔ)上配合圖像識(shí)別算法，可以達(dá)到較高的識(shí)別正確率。

2 智能控制關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 光照亮度識(shí)別技術(shù)

首先對(duì)教室拍攝以300lx為標(biāo)準(zhǔn)的圖片，以此作為標(biāo)準(zhǔn)樣張。由于彩色圖片信息量過大，為提高運(yùn)算速度，可將其轉(zhuǎn)換成灰度圖（如對(duì)運(yùn)算速度有更高要求，可進(jìn)一步降低精度，采用二值化圖像），并編號(hào)保存。其次對(duì)教室實(shí)時(shí)進(jìn)行拍攝，并同樣轉(zhuǎn)換成灰度圖。最后將樣張圖和實(shí)時(shí)圖按教室的不同區(qū)域進(jìn)行灰度值比較，當(dāng)兩者的差值大于一定的設(shè)定值時(shí)，則可判定教室中某區(qū)域自然光線亮度不足，需要實(shí)時(shí)打開相應(yīng)位置的照明設(shè)施，否則實(shí)時(shí)關(guān)閉。為消除攝像頭由于光照變化、陰影以及物體遮擋等外界因素的干擾，可對(duì)圖像進(jìn)行一個(gè)預(yù)處理，如使用直方圖均衡或高斯濾波等方式。如圖1所示。

2.2 人員數(shù)量和分布識(shí)別技術(shù)

當(dāng)前多數(shù)攝像頭已經(jīng)具有一定智能的識(shí)別功能，當(dāng)教室的攝像頭可能由于經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等方面的考慮，并沒有完全啟用智能攝像頭，因此本文基于普通攝像頭來識(shí)別人數(shù)和分布情況。由于是普通攝像頭，因此可能清晰度不能很好，但教室環(huán)境不像其他的公共場(chǎng)所，位置相對(duì)固定不變，且學(xué)生大多活動(dòng)在一定區(qū)域內(nèi)，活動(dòng)類型比較單一。因此本文采用基于Haar級(jí)聯(lián)分類器的檢測(cè)方法。此方法原理為將多個(gè)分類器級(jí)聯(lián)形成一個(gè)復(fù)合分類器，被檢測(cè)目標(biāo)如果能夠通過每個(gè)級(jí)聯(lián)器，則表示人臉識(shí)別成功。[4]基于相同原理，將教室空閑狀態(tài)下的照片作為樣張，與實(shí)時(shí)拍攝的照片做差分來識(shí)別學(xué)生的分布情況。先用mask選擇感興趣區(qū)域，由于人的頭發(fā)多是黑色，因此可以由二值化得到人頭的初篩，進(jìn)行形態(tài)學(xué)變換后，設(shè)定面積閾值進(jìn)行篩選。而后根據(jù)Hough變換檢測(cè)近似的圓形區(qū)域，同時(shí)用累計(jì)幀差法得到活動(dòng)區(qū)域，與Hough檢測(cè)結(jié)果結(jié)合得到最終結(jié)果。[5]根據(jù)學(xué)生分布情況，經(jīng)過處理分析得到教室照明設(shè)備編號(hào)和樣張像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而得出當(dāng)前每個(gè)照明設(shè)備的開閉狀態(tài)，后期作為控制信號(hào)輸入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)設(shè)備的單獨(dú)控制和節(jié)能效果。如圖2所示。

3 電路改進(jìn)

教室照明設(shè)施目前常見的控制方式為一個(gè)開關(guān)控制一排或一列燈具，為實(shí)現(xiàn)智能控制，需對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。單片機(jī)具有低功耗，高性能的特點(diǎn)，符合降低能耗的要求。[5]在電路中為每個(gè)燈具增加繼電器開關(guān)，通過控制繼電器的開合來實(shí)現(xiàn)每個(gè)燈具的單一控制。[6]具體方式是在原先級(jí)聯(lián)的三個(gè)燈具的高壓端與相應(yīng)的繼電器開關(guān)連接。前期圖像采集和識(shí)別以后的信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)，輸入到單片機(jī)的P0口，然后經(jīng)P1口輸出，發(fā)送給各個(gè)繼電器。如圖3所示。

4 結(jié)語

相對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，使用智能控制系統(tǒng)更節(jié)省成本，無需專人值守，節(jié)省人力資源；可根據(jù)當(dāng)前自然光線明暗和人員分布狀態(tài)智能控制調(diào)節(jié)照明設(shè)備的開啟和關(guān)閉；可通過平臺(tái)管理每一個(gè)照明設(shè)備，便于管理。特別是目前高校規(guī)模日益擴(kuò)大，教室數(shù)量越來越多，對(duì)原有照明電路加以改造，引入智能控制模塊，可以方便有效地對(duì)每一個(gè)照明設(shè)備加以管理，提升利用效率，降低成本，減少浪費(fèi)，對(duì)高校節(jié)能減排、創(chuàng)建智慧校園有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃濤.高校公共教室照明控制的智能化研究[D].山東：山東大學(xué)，2016.

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[3]柳有權(quán).基于普通攝像頭的人數(shù)檢測(cè)技術(shù)的討論[J].陜西：價(jià)值工程，2011，（3）：45-47.

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