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基于机器视觉技术的教室照明节能控制系统

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2012年4月 计算机工程与设计 COMPUTER ENGINEERING AND DESIGN Apr.2012 第33卷第4期 Vo1.33 No.4 基于机器视觉技术的教室照明节能控制系统 李震,李骈臻,邹绍源,颜旭,洪添胜 (华南农业大学工程学院,广东广州510642) 摘要:为解决教室照明用电浪费问题,设计和制作了基于机器视觉技术的教室照明节能控制系统。该系统在监控计算机 端采用帧差分与分段收敛的背景差分叠加法从监控录像中识别教室人员,并根据室内人员情况控制教室照明设备的开启或 关闭。系统硬件主要由图像采集模块、监控计算机、电气控制模块及教室电气线路等4部分组成;系统软件基于Matlab开 发,按功能可分为图像获取、图像处理、串口双向传输、图形用户界面及数据库等5部分。室内人员检测实验结果表明, 系统识别平均耗时0.2s,进行实时室内人员识别的帧速上限为5帧/s;当图像中不包含和包含人员时,系统对室内人员的 检测准确率分别为100 和93 。 关键词:机器视觉;节能控制;照明控制;图像处理;视频监控 中图法分类号:TP391 文献标识号:A 文章编号:1000 7024(2012)04—1648—05 Classroom lightening energy—saving control system based on machine vision techniques LI Zhen,LI Pian-zhen,ZOU Shao—yuan,YAN Xu,H()NG Tian—sheng (College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China) Abstract:In order to solve the energy waste problem of classroom lightening,a classroom lightening energy-saving control sys tem based on machine vision techniques is designed and developed.People inside a classroom could be identified from surveillance video using the superposition of frame difference and sectional convergence based background difference algorithms at the system’S monitoring computer.Lightening equipments within the classroom could be lightened or shut down according to the room personnel situation.The system hardware is composed of image acquisition module,monitoring computer,electrical control module and classroom electrical wiring.The system software is developed using MATI AB and could be divided into five parts as image acquisition,image processing,serial transmission,graphical user interface and data base according to their functions. Room personnel detection accuracy experimental results indicate that:averaged system detection time is 0.2s,the frame speed limit for personnel detection is five frames per second,when the video frame did not contain and included personnel,the system’S room personnel detection accuracy is 100 and 93 ,respectively. Key words:machine vision;energy-saving contro1;lightening control;image processing;video surveillance 0引 言 学校是重要的用电大户,其用电量占社会总用电量的 3O 以上,而教室用电量在学校的用电总量中又占有较大 规章制度、减少开放教室数量、派专人定期巡查等l _。以 上措施虽然在一定程度上节约照明能耗,但了可用教 室数,不利于调动学生的学习积极性;开放的教室通常开 启所有照明设备,未根据室内人员情况和光线强弱对照明 比例。为解决教室照明用电浪费问题,教学单位采取的节 能措施主要包括:加强节能意识宣传、规范教室用电相关 灯具进行自动控制和智能化的科学管理,用电浪费现象依 然比较严重。 收稿日期:2O11一O7 28;修订日期:2011 O9—29 基金项目:广东省科技计划基金项目(2011B020308009);华南农业大学博士启动基金项目(4500 K10056) 作者简介:李震(1981一),男,广东广州人,博士,讲师,研究方向为电子与信息技术应用;李骈臻(1989一),男,广东佛山人,研究方 向为计算机图像处理;邹绍源(1988),男,广东佛山人,研究方向为计算机图像处理;颜旭(1989一),男,广东茂名人,研究方向为电 子线路设计;+通讯作者:洪添胜(1955一),男,广东梅州人,博士,教授,博士生导师,研究方向为机电一体化和信息技术应用。 E mail:tshong@scan.edu.cn 第33卷第4期 李震,李骈臻,邹绍源,等:基于机器视觉技术的教室照明节能控制系统 ・1649・ 随着计算机和图像处理技术的发展,机器视觉和视频 检测技术已被应用于交通监测、织物检测等领域_2_4]。基于 已有视频监控设备进行节能控制是近年来兴起的一个新的 研究方向,监控设备根据人员情况、光线强弱、空气温湿 度等信息,自动开启或关闭空调、照明及通风设备。由于 该技术可在小幅投入的同时,提高监控设备利用率和降低 能耗,已在空调节能和城市道路照明控制等方面得到应 用 ]。目前大多数教室安装了视频监控设备,从摄像头采 集的教室图像中可获取室内人员信息,根据该信息控制照 明设备,在不影响教室正常使用的同时实现节能的目的。 图1 系统设计框架 本文基于教室现有视频监控系统,设计和制作基于机 器视觉的教室照明设备节能控制系统硬件及通信网络;研 1.2图像采集模块及监控计算机 究基于背景差分进行室内人员识别所采用的背景重构算法, 本研究所采用的图像采集模块为湖北平安之星科技有 提高重构背景的适应性;基于计算机图像处理技术,从教 限公司的C103E摄像头,主要参数为:SONY 1/3”CCD传 室监控图像中自动获取室内人员信息,检验系统对室内人 感器,PAL制式有效像素数为752×582 pix,NTSC制式 员的识别准确率和识别效率。 有效像素数为768×492 pix。摄像头安装位置为教室左前 方,视频信号传输采用教学楼内原有监控线路。 1系统硬件设计 由于本研究的监控软件对计算机要求较高,实验中选用 1.1系统硬件总体框架 一台便携式计算机替代监控室原有的监控计算机。所选便携 本研究所设计的教室照明节能控制系统硬件主要由图 式计算机的主要配置为:英特尔酷睿2双核处理器T66OO, 像采集模块、监控计算机、电气控制模块及教室电气线路 工作主频2.20GHz,2GB的DDR3 1067MHz内存。 等4部分组成,如图1所示。图像采集模块为教室已安装 1.3电气控制网络 的摄像头监控设备及视频传输线路;监控计算机安放在教 由于监控室与教室间通信距离较远,常用的USB及 学楼或学校主监控室,除具备传统的视频监控录像功能外, RS232等通信协议受传输距离,无法实现稳定的控制 本系统的监控计算机还完成教室内人员识别和电气控制决 信号传输。本系统采用RS-485总线实现监控计算机与电气 策等任务;电气控制模块基于单片机设计,主要完成接收 控制模块间的通信[7]。监控计算机串行通信接口与教室电 来自监控计算机的控制信息并根据此信息开启或关闭教室 气控制模块之间的电平转换通过RS-232C/RS-485转换器 内的照明设备;教室电气线路通过改装教室内已有的电气 (UT-201,宇泰科技,中国深圳)实现,电气控制网络框 线路,实现电气控制模块和手动共同控制。 图如图2所示。 RS一 232C,RS一 120 120 485转换器 欧 欧 TxD RxD B A B A B A RS一232 MAX485 MAX485 MAX485 RO/RE DEDI RO/RE DE DI RO,RE DE DI PC机 RxD Pl 7 TxD RxD P1.7 TxD RxD P1-7 TxD l# 2# N# 控制板 图2 电气控制网络框架 控制板主要由AT89C5 1单片机、MAX485电平转换芯 RS-485电平转换为TTL电平送至AT89C51单片机的 片和继电器模块组成,继电器模块与教室内的照明设备相 UART接口,单片机根据所接收的控制信号控制相应的继 连。MAX485电平转换芯片将来自控制室的控制信号由 电器模块,实现开启或关闭教室内的照明设备。 计算机工程与设计 2012伍 2系统软件设计 2.1软件设计概述 安装在监控计算机的主程序基于Matlab(Version 7.O1, Mathworks,usA)开发,按功能可分为图像获取、图像处 理、串口双向传输、图形用户界面及数据库等5部分,各部 分问关系如图3所示。系统软件与计算机硬件间的访问通过 凋用Matlab相应的内建函数实现,所调用的主要函数包括: 创建视频输入对象函数(videoinput)、获取视频图像 (getsnapshot)、打开、查询、关闭和读写串口函数等[f']。 查看 T 固 图3 系统软件设计框架 2.2分段收敛的背景重构算法设计 系统图像处理部分采用帧差分与背景差分叠加的方法 分离背景和识别室内人员。帧差分法用前一帧图像作为当 前帧的背景模型,其优点为:相邻两帧间的时间间隔较短、 实时性较强、背景不积累、更新速度快、算法简单、计算 量小等;其不足在于对环境噪声和阈值选择较为敏感,对 于比较大的、颜色较一致的运动目标,有可能在目标内部 产生空洞而影响背景分离效果l9 。背景差分法利用背景 的参数模型来近似背景图像,将当前帧与背景图像进行差 分比较实现目标区域的检测。其中区别较大的像素区域被 认为是目标区域,而区别较小的像素区域被认为是背景区 域 “ 。背景差分法的关键是背景重构及其随光照或外部 环境的变化而实时更新的算法。 为实现较好的背景差分,本研究提出分段收敛的背景 重构算法:视频图像处理程序以预先采集好的空教室图像 作为背景重构的第1帧,前5O帧以1 的速率收敛,使初 步重构背景与真实时刻背景相近;50帧后以0.5 的速率 收敛,以得到较好的背景适应性。基于分段收敛的背景重 构法递推关系如下 r ( 一1) ( ))一一 J 恃1 1+ " 1 (…一1<z≤ 1 (1) lI 上-l1 ( > ) l 1 T2 一 式巾:bg( )一一当前重构的背景, / 第1帧既预先 采集好的空教室背景,cf( )一一当前帧,z——帧序号, £——启动快速收敛的阈值帧数,r'、r。~不同区间段的 收敛速率。本研究中 的取值为5O,既从第5O帧开始启动 快速收敛。经验证,当r 取l ,/.2取0.5 时,算法取 得较好的起始背景重构效果。截取教室监控录像中某一帧 为起点,对其之后的连续600帧图片按式(1)进行背景重 构,结果如图4所示。 (aj起始帧图像 豳圜 (h)第600帧图像 (c)重构的背景 图4分段收敛法背景重构效果 此外,为了避免灯光的开启与关闭等扰动对所采集图 像的影响,本算法中如果当前帧与上一帧相比有较大的差 分余量时,将提高重建背景的收敛速率,以得到更好的背 景适应性。为此,背景重建的收敛速度应能根据差分余量 自适应调整。收敛速度/.2的计算如下 /'2一一——  d。 (2) 式中:/'2——收敛速率,取值范围为0~1; ——两帧之 间已归一化的有效像素变化率; 方差,/x为峰值。实 验表明,当 取0.35, 取1时,本算法能够较好地根据室 内照明情况调整收敛速率,进一步提高背景重构的效果。 基于式(2)计算得到的有效像素变化率及收敛速率间关系 如图5所示。 静 盆 畦 釉 窭 图5有效像素变化率与重构背景收敛速率关 2.3室内人员识别算法设计 由于教室内人员活动频率较低,背景与目标问xlX,%较 ・ 1652 ・ 计算机工程与设计 2012拄 表1 系统对含室内人员帧识别结果 由表1可得:①当包含室内人员时,系统识别的人数小 于或等于实际人数,既未出现将背景误识别为人员的情况; ②当帧内所含人员为1、3和4人时,系统仍能够正确识别 室内人员,正确识别率达到100 ;③当帧内所含人员较多 且间距离较小时,系统会将距离较近的人员识别为同一人, 既表1中当帧内人员为7人时,系统对某些帧识别人数为6 人;④系统对包含室内人员帧的总体正确识别率为93 。 4结束语 为解决教室照明用电浪费现象,本文研究了基于机器 视觉的教室照明节能控制系统。该系统利用教室已安装的 监控设备采集室内监控录像,采用帧差分与背景差分叠加 的方法从监控录像中分割和识别室内人员,并根据人员情 况控制教室内照明设备的开启或关闭。系统能对5帧/s以 下的视频进行实时室内人员识别,对不包含和包含室内人 员帧的检测准确率分别为100 和93 。随着公共场所监 控设备的普及率越来越高,基于机器视觉的能耗控制利用 已有的监控系统,在提高监控设备利用率的同时降低能耗, 具有较好的普及应用前景。 参考文献: [1]ZHA0 Hong.Discussion of university teaching roonl lightening energy saving management[J].Internet Forture,2009,18 (4):30—31(in Chinese).[赵洪.高校教室照明节电管理探讨 [J].网络财富,2009,18(4):30 31.] [2]ZHAO Daxing,ZHU Jinlei,LI Jiuling,et a1.Research of textile detecting method based on machine vision[J]. Computer Engineering and Design,2008,29(1):99—101(in Chinese). [赵大兴,朱锦雷,李九灵,等.基于机器视觉的织物检测方法 的研究lJ].计算机工程与设计,2008,29(1):99 101.] [3]YING Chekuo,PAl Nengsheng,LI Yenfeng.Vision based vehicle detection for a driver assistance system-J .Computers &Mathematics with Applications,2011,61(8):2096 2100. [4]I.UO Jinman,ZHU Juan Research on highway vehicle detection algorithms based on video iamge[J].Computer Engineering and Design,2011,32(2):642 645(in Chinese).[罗金满,朱娟. 基于视频图像的高速公路车辆检测算法研究[J].计算机工程 与设计,2011,32(2):642 645.] [5]MA Hongyu.Intelligent lightening controlling system based on image processing technologies[J].Technology Information,2007, 21(7):80 81(in Chinese).[马红玉.基于图像处理技术的智能 照明控制系统EJ].科技信息,2007,21(7):80—81.] [6]GAO Feng,wU Qing.Design of the video based intelligent lighting control system on city road[J].Traffic Information and Safety,2009,27(6):107 109(in Chinese).[高峰,吴 青.基于视频的城市道路智能照明控制系统设计[J].交通信 息与安全,2009,27(6):107—109.] [7]CHEN Zaiping,DU Jinli.Communication between single-chip micro—controller and PC for configuration the RS485 protocol [J].Journal of Tianjin University of Technology,2009,25 (2):78 80(in Chinese).[陈在平,杜金利.面向RS485协 议配置应用的单片机与PC机之间的通信[J].天津理工大学 学报,2009,25(2):78—80.] [8]WAN(;Qi.A video image signal acquisition method based on MATLAB口].Public Technology,2008,10(4):56 57(in Chinese).[王琪.一种基于MATI AB的视频图像信号提取方 法F-j].大众科技,2008,10(4):56 57.] [9]I I Aijun.The study upon the traffic image morphological filter disposal methods based on frame difference[D].Shenyang: Shenyang University ofTechnology,2006:35—38(inChinese). [李爱军.基于帧差法的交通图像形态学滤波处理方法的研究 [D].沈阳:沈阳工业大学,2006:35—38.] [1O]GUAN Xiangrong,REN Jinchang.Automatic extraction and update of background images in video surveillance[J].Micro— Electronics and Computer,2005,22(1):95—97(in Chi— nese).[关向荣,任金昌.视频监视中背景的提取与更新算 法[J].微电子学与计算机,2005,22(1):95—97.] [11]YU Chengzhong,ZHU Jun,YUAN Xiaohui.Video object detection based on background subtraction[J].Journal of Southeast University(Natural Science Edition),2005,35 (S2):l 3(in Chinese).[于成忠,朱骏,袁晓辉.基于背景 差法的运动目标检测[J].东南大学学报(自然科学版), 2005,35(s2):1-3.] [12]DONG Wenming,WU Lehua,J1ANG Delei.Moving object detection algorithm based on background reconstruction[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunica tions(Natural Science Edition)2008,20(6):754—757(in Chinese).[董文明,吴乐华,姜德雷.基于背景重构的运动 目标检测算法[J].重庆邮电大学学报(自然科学版), 2008,20(6):754 757.] r13]CHEN Mei.Serial communication between PC and intelligence data acquisition module in MATI AB and its application[J]. Science Mosaic,2009,17(1):65 66(in Chinese).[陈梅. MATI AB环境下PC机与智能数据采集模块的串行通信及应 用_J].科技广场,2009,17(1):65—66.] [14]LI Yongle,YUAN Yi,ZHU Yunjiang,et a1.Study of intelligent vehicle velocity control based on MATI AB serial asynchronous ocmmunication lJ].Journal of Academy of Military Trausporta— tion,2009,11(3):67—70(in Chinese).[李永乐,袁一,朱 云江,等.基于MATLAB串行通信的智能车车速控制算法研 究[J_J.军事交通学院学报,2009,11(3):67—70.] [15]WANG Qiaohua,YE Ping,HUANG Min.Design of GUI based on MATLAB[J].Mining Machines,2005,26(3): 6O 62(in Chinese).[王巧花,叶平,黄民.基于MATI AB 的图形用户界面(GUI)设计[J].煤矿机械,2005,26 (3):6O 62.] 

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