實(shí)現(xiàn)智能照明控制系統(tǒng)的定位設(shè)計(jì)

1 引言

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷發(fā)展，照明控制的智能化要求也越來越高。采用智能照明控制系統(tǒng)不僅能為照明提供多種藝術(shù)效果，更能帶來節(jié)約能源和降低運(yùn)行費(fèi)用的好處。

在圖書館、大型商場、室內(nèi)運(yùn)動場、長廊等大型照明場合，很多時(shí)候其區(qū)域可劃分為有人區(qū)域和無人區(qū)域，如果所有區(qū)域的照明亮度都相同，則在無人區(qū)域的照明根本沒有作用，為無效照明。如果智能照明控制系統(tǒng)能對人員位置進(jìn)行檢測，動態(tài)地確定出有人區(qū)域和無人區(qū)域，則可以對有人區(qū)域?qū)嵭姓５妮^高亮度照明，而對無人區(qū)域則降低照度或者關(guān)閉燈具。隨著人體的移動，系統(tǒng)動態(tài)地調(diào)整有效照明區(qū)域，以達(dá)到減少無效照明，在保證良好照明效果的同時(shí)節(jié)約能源的目的。

人體位置的正確判斷是實(shí)現(xiàn)智能照明的首要前提，目前有人提出了利用紅外與激光探測、射頻卡結(jié)合身份識別、地板壓力傳感器等技術(shù)手段來確定人體位置的方法。但是這些方法在照明區(qū)域較大的場合應(yīng)用時(shí)，存在無合適的傳感器安裝位置、布線復(fù)雜等問題，因此實(shí)施起來有一定困難，可靠性也難以進(jìn)一步提高。實(shí)際上目前上述大型照明場合中安裝視頻監(jiān)控探頭非常普及，如果能充分利用這些視頻監(jiān)控圖像，結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)，從視頻監(jiān)控圖像中提取人體圖像，判斷人體位置，則可以實(shí)現(xiàn)真正的智能化照明。本文采用數(shù)字視頻圖像目標(biāo)定位與跟蹤技術(shù)和PLC-Bus 技術(shù)構(gòu)建智能照明控制系統(tǒng)，直接從視頻圖像中確定人體位置，而且燈具開閉控制信號直接通過電力線傳輸，不需要另外布線。因此能有效地克服傳感器安裝及布線方面的諸多困難問題，達(dá)到照度的自動調(diào)節(jié)、燈具的自動開關(guān)以及局部區(qū)域照明的良好控制效果，并且其可靠性也很高。

2 智能照明控制系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖1 所示，從功能上來劃分，由三部分構(gòu)成： 圖像采集模塊、圖像處理模塊和照明控制模塊。

圖1 智能照明控制系統(tǒng)的組成

2.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊主要由攝像頭和光學(xué)玻璃鏡頭組成。其中，攝像頭采用韓國現(xiàn)代HV7131R， 它是目前主流產(chǎn)品中效果較好的一種。HV7131R 采用0.3？？m的CMOS 工藝，有效像素為30 萬，功耗低于90mW， 具有曝光控制、增益控制和白平衡處理等功能，最大幀率30fps@VGA.通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C 接口設(shè)置HV7131R的內(nèi)部寄存器，可以調(diào)節(jié)圖像的曝光時(shí)間、分辨率、幀率、RGB 增益、鏡像等，輸出10 位的RGB 原始數(shù)據(jù)。

光學(xué)玻璃鏡頭采用遠(yuǎn)攝鏡頭，視角為20°，焦距可達(dá)幾米至幾十米。攝像頭的架設(shè)應(yīng)該盡量保證能夠觀測到整個(gè)監(jiān)視區(qū)域，因此，在攝像頭的安裝位置和角度調(diào)節(jié)過程中，一般使監(jiān)視區(qū)域設(shè)置在從圖像底端開始。并且為了避免在提取人體圖像時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的粘連現(xiàn)象，攝像頭要有盡量大的俯視角度。

2.2 圖像處理模塊

該模塊由DSP 和數(shù)據(jù)緩存器組成。DSP 主要采用TI 公司的TMS320LF2407.DSP 主要完成的功能有： 加電自主、完成初始化，通過I2C 接口設(shè)置攝像頭的寄存器，對由圖像采集模塊獲得的照明區(qū)監(jiān)控圖像進(jìn)行預(yù)處理、完成對圖像中的人體邊緣提取、人體位置判斷計(jì)算以及作出照明控制決策等功能。

2.3 照明控制模塊與PLC Bus 技術(shù)

照明控制模塊采用分布式控制方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)視區(qū)域照明燈具的分散控制和集中管理。上位DSP根據(jù)圖像分析結(jié)果作出照明設(shè)備控制決策，下位照明控制器接受上位機(jī)的通訊指令，控制相應(yīng)燈具的開關(guān)，并具備調(diào)光功能。上位DSP 發(fā)出的控制指令通過PLC Bus 傳給下位照明控制器執(zhí)行。

PLC Bus 技術(shù)是近年來由荷蘭ATS 電力線通信有限公司（ ATS.， CO） 研發(fā)出來的一種新的電力載波通訊技術(shù)。采用該技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是控制信號通過電力線傳送，因此不需要額外布置控制線，節(jié)省大量線材消耗，控制系統(tǒng)安裝方便，易于維護(hù)。

PLC Bus 系統(tǒng)主要由三部分組成，即發(fā)射器、接收器和系統(tǒng)配套設(shè)備。發(fā)射器的主要作用是通過電力線發(fā)射PLC Bus 控制信號給接收器，通過對接收器的控制，從而達(dá)到間接控制燈及電器設(shè)備的目的。接收器的主要作用是接收來自電力線的PLC Bus 控制信號，并執(zhí)行相關(guān)控制命令，從而達(dá)到燈及電器控制的目的。系統(tǒng)配套設(shè)備包括信號轉(zhuǎn)換器、三相耦合器、吸波器等，主要是為了配合發(fā)射器及接收器設(shè)備輔助實(shí)現(xiàn)控制目的。

PLC Bus 采用Pulse Posit ion Modulation（ PPM） 脈沖相位調(diào)制法，利用電力線的正弦波作為同步信號，通過在四個(gè)固定的時(shí)序中發(fā)送瞬間電脈沖來傳遞信號。

在50Hz 的電力線上，1 秒鐘可以傳輸200 比特的數(shù)據(jù)，這樣的通訊速率是不能夠傳輸類似計(jì)算機(jī)的寬帶數(shù)據(jù)，但對傳送動作或者指令性的通訊已經(jīng)足夠了。

由于PLC Bus 的PPM 通訊方式的特殊性，接收器可以很輕松簡單地還原出PLC Bus 的編碼。在PLC Bus里，接收數(shù)據(jù)用的地址碼有NID（ Network ID） 和DID（ Destinat ion ID） 兩種，NID 和DID 分別有8 比特，兩者合起來最多可以組成216個(gè)不同的地址，控制216個(gè)不同的設(shè)備。

PLC Bus 的主要特點(diǎn)：

（1） 無需布線，即插即用。

PLC Bus 技術(shù)主要通過電力線來傳輸控制信號，所以無需要重新布線，適用于所有已建成或正在安裝的照明場所的智能控制工程。

（2） 超級速度，即控即現(xiàn)。

PLC Bus 的信號傳輸速度是每秒鐘可完成10 個(gè)完整指令，平均每條指令從發(fā)射到執(zhí)行在0？？1 秒鐘之內(nèi)完成，幾乎是即控即現(xiàn)。

（3） 雙向通信，狀態(tài)反饋。

在PLC Bus 產(chǎn)品的硬件、軟件和協(xié)議中，允許雙向通信，能讓被控制燈具真實(shí)地反饋開關(guān)狀態(tài)信號，以便確定控制命令是否真正被正確執(zhí)行。而成本只比X-10 單一的接收組件或發(fā)射組件高出40% 左右，性價(jià)比高。

（4） 兼容性好，應(yīng)用更廣。

PLC Bus 技術(shù)設(shè)備可以與X-10、CE Bus 和LonWorks 設(shè)備兼容，完全不會產(chǎn)生任何信號沖突。

對燈具的控制可分調(diào)光與不調(diào)光兩種，調(diào)光可通過采用OSRAM 的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器對熒光燈進(jìn)行調(diào)光，控制器輸出0~ 10V 直流信號作為電子鎮(zhèn)流器的控制信號，來實(shí)現(xiàn)熒光燈1% ~ 100% 的光通量調(diào)節(jié)范圍。對白熾燈的調(diào)光可采用移相觸發(fā)器和隨機(jī)型固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)。在隨機(jī)型固態(tài)繼電器控制端施加一個(gè)控制信號，交流負(fù)載便能立即導(dǎo)通。當(dāng)這個(gè)控制信號為與交流電網(wǎng)同步的可移相的脈沖信號時(shí)，負(fù)載端可實(shí)現(xiàn)180°范圍內(nèi)的電壓平穩(wěn)調(diào)節(jié)。移相觸發(fā)器根據(jù)控制電壓的大小，輸出端產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的雙倍電網(wǎng)頻率的180°范圍內(nèi)移相的寬脈沖，用以驅(qū)動隨機(jī)型固態(tài)繼電器，達(dá)到移相調(diào)壓的目的。因此，隨機(jī)型固態(tài)繼電器單獨(dú)使用，可接通或開斷燈光回路； 與移相觸發(fā)器配合使用，可實(shí)現(xiàn)白熾燈的調(diào)光。

3 智能照明控制中的人體目標(biāo)動態(tài)定位技術(shù)

視頻監(jiān)控圖像是三維照明區(qū)域場景的二維投影圖像，雖然不能完全反應(yīng)真實(shí)的三維場景，但兩者之間有一定的投影關(guān)系，三維場景發(fā)生變化時(shí)視頻圖像也會發(fā)生相應(yīng)的變化。此外，連續(xù)視頻流的場景具有連續(xù)性，若照明區(qū)域中沒有人體運(yùn)動，則連續(xù)幀圖像之間變化很小。反之，人體運(yùn)動會引起幀差，在照明區(qū)域中靜止背景下的人體目標(biāo)動態(tài)檢測，完全可以采用幀間變化檢測（ Change Detection） 檢測出動態(tài)的人體目標(biāo)。

基于靜止背景的人體動態(tài)目標(biāo)檢測主要分三個(gè)部分： 圖像預(yù)處理、人體動態(tài)目標(biāo)提取、人體位置判定。

3.1 圖像的預(yù)處理

由攝像頭攝取的照明區(qū)域數(shù)字圖像中包含許多噪聲，必須首先進(jìn)行噪聲濾除。噪聲的濾除方法很多，中值濾波是一種常用的非線性信號處理技術(shù)，它用一個(gè)滑動模板在圖像上逐點(diǎn)滑動，把模板內(nèi)各點(diǎn)灰度值大小排序，居中的灰度值作為模板中心點(diǎn)的像素灰度值。該方法對圖像中隨機(jī)噪聲有良好的抑制作用，又可以對圖像的輪廓和邊沿有較好的保護(hù)。另外，中值濾波具有對階躍信號不產(chǎn)生影響，濾波后保持頻譜不變以及對圖像上的椒鹽噪聲具有很強(qiáng)的去除作用等特性。

照明區(qū)域的數(shù)字圖像大小為M× N 像素，灰度值為f （ x ， y ） ， 采用四鄰域中值濾波即可滿足良好的效果，濾波后的圖像灰度值為：

3.2 目標(biāo)變化檢測

當(dāng)人體目標(biāo)在監(jiān)控視場出現(xiàn)或移動時(shí)，會使連續(xù)幀之間的像素灰度值發(fā)生變化，即產(chǎn)生幀差，目標(biāo)對應(yīng)區(qū)域的幀差比背景區(qū)域的幀差大。因此，通過計(jì)算幀差大小來判斷有無變化產(chǎn)生是目標(biāo)變化檢測常用的一種方法，最簡單的算法是采用幀差絕對值法。

對于檢測圖像序列f （ x ， y ， t ） ， 累計(jì)發(fā)生變化的像素點(diǎn)數(shù)的計(jì)算公式為：

式中： Dk 是累計(jì)發(fā)生變化的像素點(diǎn)數(shù)，f （ x ， y ， t1 ）、f（ x ， y ， t 2 ） 分別表示圖像序列在t 1、t 2 時(shí)刻像素點(diǎn)（ x ，y ） 處的灰度值，

為鄰幀圖像光照自適應(yīng)敏感的添加項(xiàng)，α為抑制系數(shù)，N 為檢測區(qū)域內(nèi)的像素?cái)?shù)目。T 為灰度閾值，其大小決定了動態(tài)目標(biāo)檢測的靈敏程度。

存在目標(biāo)變化的判定條件為：

這里，D 是設(shè)定閾值。該方法算法簡單，判定條件中考慮了光照條件變化帶來的影響，因而對光照變化有一定的適應(yīng)性，同時(shí)還在一定程度上克服了由較小運(yùn)動目標(biāo)的干擾而導(dǎo)致的誤判，提高了檢測的準(zhǔn)確性。

3.3 圖像邊緣的提取

圖像最基本的特征是邊緣，而邊緣是指圖像周圍像素灰度變化比較大的那些像素的集合，是進(jìn)行人體目標(biāo)檢測和分割所依賴的重要依據(jù)。圖像邊緣檢測一直是圖像處理中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，這主要因?yàn)檫吘壓驮肼暥际歉哳l信號，很難從中取舍。在目前的邊緣檢測算法中，Sobel 圖像邊緣檢測算法作為經(jīng)典算法的代表，由于其計(jì)算量小，速度快，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

由于圖像在邊緣附近會出現(xiàn)灰度上的突變，所以，Sobel 邊緣檢測方法就是以原始圖像灰度為基礎(chǔ)，通過考察圖像每個(gè)像素在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)灰度的變化，利用邊緣鄰近的一階導(dǎo)數(shù)最大值來檢測邊緣。其梯度幅度的數(shù)學(xué)描述為：

3.4 圖像分割和人體位置的判斷。

采用智能控制的大型照明場合由于存在照明區(qū)和非照明區(qū)，因此其監(jiān)控圖像往往是具有不均勻背景的圖像，對人體目標(biāo)的特征進(jìn)行分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)視場的背景灰度值差距可能很大，因此不能使用單一的閾值進(jìn)行分割。如果使用單一閾值，由于照明控制區(qū)域中背景不均勻，有背景像素的灰度值被分割出來。但事實(shí)上人眼之所以能看清目標(biāo)，是由于在局部范圍內(nèi)目標(biāo)與背景有一定的灰度差。因此，基于這個(gè)原理我們把整個(gè)照明監(jiān)控圖像視場分成均等的足夠小的部分，則每個(gè)部分的灰度變化會較小。首先把整個(gè)視場分割成許多相等的小塊，對每個(gè)小塊單獨(dú)求平均值、最大值、最小值，并計(jì)算相應(yīng)的閾值和閾值差，用各自的閾值對小塊進(jìn)行分割，如果有目標(biāo)，記下該塊中目標(biāo)的位置、閾值差，當(dāng)整個(gè)視場處理完后，找到各個(gè)小塊中閾值差最大的目標(biāo)，作為候選目標(biāo)點(diǎn)，在該點(diǎn)處進(jìn)行窗口跟蹤，由于窗口已經(jīng)較小，背景不均勻的影響不大。

人體圖形分割出來后，其形心位置的計(jì)算可采用以下公式：

其中，m、n 是窗口的大小，f （ x ， y ） 是二值化后的圖像。

把被監(jiān)控的照明投影區(qū)域劃分成二維數(shù)組形式，人體形心位置計(jì)算出來后，即可判斷出人體圖像形心位于二維數(shù)組的具體位置，則可以做出相應(yīng)的照明控制決策，控制與人體位置對應(yīng)的燈具的開閉和亮度。

4 結(jié)論

由于智能照明控制系統(tǒng)的輸入信號是從照明區(qū)域視頻圖像中利用數(shù)字圖像處理技術(shù)得到的，輸出控制信號則由電力線載波通信PLC Bus 傳送，因此，基于目標(biāo)定位和PLC Bus 技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)具有布線簡單、系統(tǒng)可靠性高、易于維護(hù)的明顯特點(diǎn)。

而且控制決策可以設(shè)計(jì)得非常人性化，對照明器具可實(shí)現(xiàn)照度的自動調(diào)節(jié)、燈的自動開關(guān)以及局部有人區(qū)域進(jìn)行照明的控制行為。該系統(tǒng)能提供一個(gè)舒適、科學(xué)、節(jié)約型的照明環(huán)境，是先進(jìn)照明控制的一個(gè)重要發(fā)展方向。