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，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)控圖像中自動獲取室內(nèi)人員信息，檢驗(yàn)系統(tǒng)對室內(nèi)人員的識別準(zhǔn)確率和識別效率。

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：相鄰兩幀間的時間間隔較短、實(shí)時性較強(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，t——啟動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幀開始啟動快速收斂。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)r1取1%，r2取0.5%時，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，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，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)人員識別算法設(shè)計(jì)

由于教室內(nèi)人員活動頻率較低，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中每個連通區(qū)域的類別標(biāo)簽，num為聯(lián)通區(qū)域的個數(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)識別。

該算法各步驟處理及基于該算法的室內(nèi)人員識別效果如圖6所示。

2.4 基于串行通信的控制信號傳輸

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)行人員識別的間隔，保存和調(diào)用監(jiān)控錄像，手動開啟或關(guān)閉各教室內(nèi)的照明設(shè)備等。

3 室內(nèi)人員識別效果實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)系統(tǒng)對室內(nèi)人員的識別效果，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：時長15min，NTSC制式，分辨率768×492，各幀間時差為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)的正確識別率，計(jì)算方法如下

式中：R——正確識別率，Mc、Fc——系統(tǒng)識別人數(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：識別平均耗時0.2s，即系統(tǒng)能對5幀／s以下的視頻進(jìn)行實(shí)時室內(nèi)人員識別；當(dāng)幀中不包含室內(nèi)人員時正確識別率為100%，既系統(tǒng)不會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，根據(jù)室內(nèi)人員數(shù)量差異，識別結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)對含室內(nèi)人員幀識別結(jié)果

由表1可得：①當(dāng)包含室內(nèi)人員時，系統(tǒng)識別的人數(shù)小于或等于實(shí)際人數(shù)，既未出現(xiàn)將背景誤識別為人員的情況；②當(dāng)幀內(nèi)所含人員為1、3和4人時，系統(tǒng)仍能夠正確識別室內(nèi)人員，正確識別率達(dá)到100%；③當(dāng)幀內(nèi)所含人員較多且間距離較小時，系統(tǒng)會將距離較近的人員識別為同一人，既表1中當(dāng)幀內(nèi)人員為7人時，系統(tǒng)對某些幀識別人數(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)時室內(nèi)人員識別，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)備利用率的同時降低能耗，具有較好的普及應(yīng)用前景。

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