劉銳　何志毅

【摘 要】為提高室內(nèi)照明控制的靈活性和降低家庭安防的成本，結(jié)合照明控制與視頻監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于OpenCV的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)。使用USB攝像頭采集實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，結(jié)合MFC與OpenCV設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件，單片機(jī)作為照明控制MCU，PC與單片機(jī)采用串口通信。上位機(jī)可設(shè)置視頻監(jiān)控ROI（感興趣區(qū)域），并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)不同的檢測(cè)結(jié)果，控制照明狀態(tài)的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定照明區(qū)域的照明智能控制。

【關(guān)鍵詞】OpenCV；視頻監(jiān)測(cè)；照明控制；串口通信

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和數(shù)字信息技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制技術(shù)不斷進(jìn)步并相互滲透，人民對(duì)燈光照明控制的要求不斷提高，室內(nèi)照明的智能化控制受到越來越廣泛的關(guān)注。同時(shí)，人們對(duì)信息的需求和安全保障的渴望與日俱增[1]，在家庭安防領(lǐng)域，視頻監(jiān)控也日益興起。目前國(guó)內(nèi)的視頻監(jiān)控也逐步向數(shù)字化、多功能化、智能化方向發(fā)展[2]。日常生活中，照明控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常作為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)被分別使用，不僅使用不便、成本較高且難以維護(hù)。本課題的主要目的是結(jié)合當(dāng)下流行的照明控制技術(shù)與視頻監(jiān)控技術(shù)開發(fā)出經(jīng)濟(jì)、可靠的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)，同時(shí)兼有視頻監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明控制的人性化和個(gè)性化[3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于OpenCV的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)如圖1所示。USB攝像頭采集視頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)線傳送到PC端。系統(tǒng)PC端上位機(jī)使用基于MFC與OpenCV開發(fā)的視頻監(jiān)控-照明控制軟件，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面的實(shí)時(shí)顯示、運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)和照片拍照等功能。上位機(jī)根據(jù)視頻中運(yùn)動(dòng)物體的不同檢測(cè)結(jié)果，給出相應(yīng)的照明控制信號(hào)，并通過串口傳送到下位機(jī)照明控制MCU，MCU依據(jù)接收的控制信號(hào)控制照明模塊照明狀態(tài)的改變。其中，照明模塊采用單片機(jī)開發(fā)板上8個(gè)LED模擬實(shí)際室內(nèi)照明燈。

圖1 照明智能控制系統(tǒng)

圖2 視頻監(jiān)測(cè)-照明控制軟件界面

在Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境下，結(jié)合MFC應(yīng)用框架和OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，編寫上位機(jī)視頻監(jiān)控-照明控制軟件，界面如圖2所示。界面分為以下幾個(gè)主要功能區(qū)：“畫面顯示”、“本地資源”、“信息顯示”、“攝像頭視頻采集”、“檢測(cè)結(jié)果”和“串口通信”等。當(dāng)打開本地圖片、視頻文件，或USB攝像頭采集實(shí)時(shí)視頻，都顯示到“畫面顯示”中；“本地資源”可以打開本地保存的圖片、視頻資源；“信息顯示”中“圖片信息”顯示打開的本地圖片的文件路徑，“視頻信息”顯示正在播放視頻的視頻信息，如幀數(shù)、幀寬和幀高；“攝像頭視頻采集”包含了對(duì)USB攝像頭的相關(guān)操作，如打開/關(guān)閉攝像頭、獲取攝像頭幀圖像、保存/停止保存視頻等；“檢測(cè)結(jié)果”用來顯示視頻中運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)的結(jié)果信息；“串口通信”是關(guān)于串口通信參數(shù)的設(shè)置，也包括打開/關(guān)閉串口功能。

2 串口通信

串行通信，數(shù)據(jù)的各位在一根傳輸線上按照時(shí)間順序依次傳送，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)中得到大量應(yīng)用[4，5]。

基于OpenCV的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)中PC與單片機(jī)之間采用串口通信。首先對(duì)串口參數(shù)初始化，確定串口的工作方式、波特率、數(shù)據(jù)位以及停止位等。系統(tǒng)串口通信參數(shù)設(shè)置為：波特率9600bit/s、無(wú)校驗(yàn)位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

3 視頻監(jiān)控與照明智能控制

3.1 視頻運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)

鑒于USB攝像頭在視頻采集過程中處于固定狀態(tài)，同時(shí)考慮到運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)的靈敏度和算法的復(fù)雜度，系統(tǒng)采用幀差法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。幀差法是用一幀圖像減去另一幀，然后把足夠大的差別標(biāo)記為前景目標(biāo)，能夠很好的捕捉到運(yùn)動(dòng)物體的邊緣。利用幀差法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 幀差法運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)

運(yùn)行PC端視頻監(jiān)控-照明控制軟件，在顯示的視頻畫面上繪制監(jiān)控ROI，同時(shí)彈出兩個(gè)ROI同大小的視頻顯示窗口“camera1”和“camera2”，分別用于顯示ROI視頻畫面和用幀差法處理后的ROI二值圖像，如圖4（a）、（b）所示?？梢钥闯?，對(duì)視頻圖像采用幀差法處理，可以很好的得到運(yùn)動(dòng)物體的邊緣輪廓，從而檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體，且當(dāng)超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的判別閾值，系統(tǒng)會(huì)對(duì)有運(yùn)動(dòng)物體的視頻畫面進(jìn)行拍照保存。

（a）ROI視頻圖像 （b）ROI二值圖像

圖4 ROI視頻幀間差分法效果圖

USB攝像頭朝向某一固定方向采集實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，對(duì)于像室內(nèi)窗戶、門口、樓梯口等特殊地方的視頻監(jiān)控，系統(tǒng)PC端可以自主設(shè)置ROI。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)置不同的ROI，可提高視頻監(jiān)控的效率和針對(duì)性。

3.2 照明智能控制

系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)的不同結(jié)果設(shè)置了相應(yīng)的判別閾值。規(guī)定幀差法處理后的一幀ROI二值圖像中總像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，非零像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)為num；據(jù)此設(shè)置判別閾值：分別記為0、N*0.2、N*0.4、N*0.6、N*0.8，則得出五個(gè)不同的判別范圍：0-N*0.2、N*0.2- N*0.4、N*0.4- N*0.6、N*0.6- N*0.8及N*0.8-N；當(dāng)num處于不同的判別范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)給出相應(yīng)的警告信息，分別為：“Alert1_LED0”、“Alert2_LED1”、“Alert3_LED2”、“Alert4_LED3”、“Alert5_LED3”。其中警告級(jí)別分別從一級(jí)到五級(jí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮不同的LED燈。第一級(jí)中num相對(duì)很小，有可能是其他非行人等物體所致，故不點(diǎn)亮LED燈；第四、五級(jí)時(shí)，說明num值足夠大，同時(shí)點(diǎn)亮3個(gè)LED燈；對(duì)于第二到五級(jí)別，點(diǎn)亮LED燈的同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)ROI視頻畫面拍照并保存，以供后期查看。

視頻中運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)哪個(gè)判別范圍內(nèi)，系統(tǒng)就給出相應(yīng)的警告信息和照明控制信號(hào)，其中，警告信息顯示在上位機(jī)軟件界面的“檢測(cè)結(jié)果”中，照明控制信號(hào)經(jīng)串口傳送給單片機(jī)。單片機(jī)接收到控制信號(hào)后，控制LED燈照明狀態(tài)的改變，進(jìn)而在視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)照明智能控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用VS2013中的MFC應(yīng)用框架與OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)編寫上位機(jī)視頻監(jiān)控-照明控制軟件，與下位機(jī)MCU進(jìn)行串口通信，結(jié)合USB攝像頭和照明模塊組成室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)。通過設(shè)置視頻監(jiān)控ROI，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的視頻監(jiān)控與照明控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)出ROI區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)物體，并且必要時(shí)拍照保存視頻畫面，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能；同時(shí)，下位機(jī)在接收照明控制信號(hào)后，相應(yīng)的改變照明狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)照明智能控制功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，安全、可靠，兼具視頻監(jiān)控與照明智能控制的功能，提高了照明控制的靈活性的同時(shí)也降低了家庭安防的成本，為基于視頻監(jiān)控的室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一套完整方案。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]