基于動態(tài)目標(biāo)跟蹤技術(shù)和PLC Bus的智能照明控制系統(tǒng)
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/200301.htm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)約能源和降低運行費用的好處。
在圖書館、大型商場、室內(nèi)運動場、長廊等大型照明場合,很多時候其區(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,以達到減少無效照明,在保證良好照明效果的同時節(jié)約能源的目的。
人體位置的正確判斷是實現(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,存在無合適的傳感器安 裝位置、布線復(fù)雜等問題,因此實施起來有一定困難,可靠性也難以進一步提高。實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)玻璃鏡頭采用遠攝鏡頭,視角為20°,焦距可達幾米至幾十米。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、人體位置判斷計算以及作出照明控制決策等功能。
照明控制模塊采用分布式控制方式,實現(xiàn)整個監(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。
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,通過在四個固定的時序中發(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算機的寬帶數(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個不同的地址,控制216個不同的設(shè)備。
PLC Bus 的主要特點:
?。?) 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)器和隨機型固態(tài)繼電器來實現(xiàn)。在隨機型固態(tài)繼電器控制端施加一個控制信號,交流負載便能立即導(dǎo)通。當(dāng)這個控制信號為與交流電網(wǎng)同步的可移相的脈沖信號時,負載端可實現(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)動隨機型固態(tài)繼電器,達到移相調(diào)壓的目的。因此,隨機型固態(tài)繼電器單獨使用,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)域中沒有人體運動,則連續(xù)幀圖像之間變化很小。反之,人體運動會引起幀差,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),它用一個滑動模板在圖像上逐點滑動,把模板內(nèi)各點灰度值大小排序,居中的灰度值作為模板中心點的像素灰度值。該方法對圖像中隨機噪聲有良好的 抑制作用,又可以對圖像的輪廓和邊沿有較好的保護。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,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 ) , 累計發(fā)生變化的像素點數(shù)的計算公式為:
式中: Dk 是累計發(fā)生變化的像素點數(shù),f ( x , y , t1 )、f( x , y , t 2 ) 分別表示圖像序列在t 1、t 2 時刻像素點( x ,y ) 處的灰度值,為鄰幀圖像光照自適應(yīng)敏感的添加項,α為抑制系數(shù),N 為檢測區(qū)域內(nèi)的像素數(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,同時還在一定程度上克服了由較小運動目標(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 處理中的熱點和難點,這主要因為邊緣和噪聲都是高頻信號,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),通過考察圖像每個像素在某個領(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)的特征進行分析時可以發(fā)現(xiàn),整個視場的背 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,基于這個原理我們把整個照明監(jiān)控圖像視場分成均等的足夠小的部分,則每個部分的灰 度變化會較小。首先把整個視場分割成許多相等的小塊,對每個小塊單獨求平均值、最大值、最小值,并計算相應(yīng)的閾值和閾值差,用各自的閾值對小塊進行分割, 如果有目標(biāo),記下該塊中目標(biāo)的位置、閾值差,當(dāng)整個視場處理完后,找到各個小塊中閾值差最大的目標(biāo),作為候選目標(biāo)點,在該點處進行窗口跟蹤,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、易于維護的明顯特點。
而且控制決策可以設(shè)計得非常人性化,對照明器具可實現(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)域進行照明的控制行為。該系統(tǒng)能提供一個舒適、科學(xué)、節(jié)約型的照明環(huán)境,是先進照明控制的一個重要發(fā)展方向。
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