基于圖像識別技術的高校教室智能照明控制應用研究

吳少俊　宋樑杰

摘要：目前高校教室普遍存在“長明燈”現象，管理不科學，本文根據高校教室的現狀，利用普通攝像頭實現圖像采集，采用灰度值比對的方法識別照明度，采用Haar級聯分類器的檢測方法識別學生人數和分布位置，得出每個照明設備的所需狀態。在照明設備原有的線路的基礎上提出改造方案，并利用STC89C52單片機和繼電器來智能控制每個照明設備，以達到降低成本，節能減排的良好效果。

關鍵詞：圖像識別；智能照明；Haar；教室

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0001-02

當前高校對于教室照明普遍采用專人看管的方式，然而教室特別是24小時自習教室數量日益增加，使得依靠人力無法及時有效地在時間上和空間上進行管理。在自然光線充足的情況下，教室中依然全部開啟照明設備；在室內人數較少或者人數較多但集中在某一區域時，也會普遍開燈；更有甚者，在離開教室后依然不熄燈，導致“長明燈”現象的屢禁不止。[1]這些不僅不符合國家節能減排的號召，也增加了高校的辦學成本。

智能照明控制系統可以根據教室中實際的光照度決定是否需要開燈，同時根據教室中學生實際人數以及所在的位置信息，按需調整各個照明設備的開閉狀態；通過系統設定電壓，避免照明設備被高電壓的沖擊，延長燈具壽命，提高可用性；讓大學生親身體驗高科技帶來的便利生活和對環境保護的影響，潛移默化地向廣大師生宣傳推廣節能減排、發展高新科技的理念。

1 智能控制關鍵技術分析

智能照明系統是否“智能”首先體現在能否準確識別出教室內的人數情況、分布情況和當前的照明情況等信息。目前的識別技術主要由兩種：一種是基于各種傳感器來識別，第二種是基于圖像處理技術來識別。

1.1 基于傳感器智能控制

目前常見的傳感器主要由紅外線、微波、光感和無線傳感器組成，可以簡單快速地實現光照和人數的檢測，但是容易受到外界環境的影響，并且提高識別的正確率，必須在各個不同的地方安裝多個傳感器，成本高，工作量大。[2]

1.2 基于圖像處理技術智能控制

基于圖像處理技術的智能控制是對同一區域不同時段的圖像進行比對。首先將圖像分割成細小的區域，通過判斷區域內某個像素的變化值是否在域值內，得出當前的照明情況和人員分布情況。[3]此外，相鄰像素具有相關性，可以快速分離出明暗的邊界，提高控制的反映速度，其精度主要取決于識別算法，硬件成本低，改造升級比較簡單。當前高校每個教室一般都已配備高清的或者是自帶深度圖像識別模式的攝像頭，在此基礎上配合圖像識別算法，可以達到較高的識別正確率。

2 智能控制關鍵技術實現

2.1 光照亮度識別技術

首先對教室拍攝以300lx為標準的圖片，以此作為標準樣張。由于彩色圖片信息量過大，為提高運算速度，可將其轉換成灰度圖（如對運算速度有更高要求，可進一步降低精度，采用二值化圖像），并編號保存。其次對教室實時進行拍攝，并同樣轉換成灰度圖。最后將樣張圖和實時圖按教室的不同區域進行灰度值比較，當兩者的差值大于一定的設定值時，則可判定教室中某區域自然光線亮度不足，需要實時打開相應位置的照明設施，否則實時關閉。為消除攝像頭由于光照變化、陰影以及物體遮擋等外界因素的干擾，可對圖像進行一個預處理，如使用直方圖均衡或高斯濾波等方式。如圖1所示。

2.2 人員數量和分布識別技術

當前多數攝像頭已經具有一定智能的識別功能，當教室的攝像頭可能由于經費、時間等方面的考慮，并沒有完全啟用智能攝像頭，因此本文基于普通攝像頭來識別人數和分布情況。由于是普通攝像頭，因此可能清晰度不能很好，但教室環境不像其他的公共場所，位置相對固定不變，且學生大多活動在一定區域內，活動類型比較單一。因此本文采用基于Haar級聯分類器的檢測方法。此方法原理為將多個分類器級聯形成一個復合分類器，被檢測目標如果能夠通過每個級聯器，則表示人臉識別成功。[4]基于相同原理，將教室空閑狀態下的照片作為樣張，與實時拍攝的照片做差分來識別學生的分布情況。先用mask選擇感興趣區域，由于人的頭發多是黑色，因此可以由二值化得到人頭的初篩，進行形態學變換后，設定面積閾值進行篩選。而后根據Hough變換檢測近似的圓形區域，同時用累計幀差法得到活動區域，與Hough檢測結果結合得到最終結果。[5]根據學生分布情況，經過處理分析得到教室照明設備編號和樣張像素的對應關系，進而得出當前每個照明設備的開閉狀態，后期作為控制信號輸入單片機，實現每個設備的單獨控制和節能效果。如圖2所示。

3 電路改進

教室照明設施目前常見的控制方式為一個開關控制一排或一列燈具，為實現智能控制，需對電路進行改進。單片機具有低功耗，高性能的特點，符合降低能耗的要求。[5]在電路中為每個燈具增加繼電器開關，通過控制繼電器的開合來實現每個燈具的單一控制。[6]具體方式是在原先級聯的三個燈具的高壓端與相應的繼電器開關連接。前期圖像采集和識別以后的信息轉換成信號，輸入到單片機的P0口，然后經P1口輸出，發送給各個繼電器。如圖3所示。

4 結語

相對傳統控制系統，使用智能控制系統更節省成本，無需專人值守，節省人力資源；可根據當前自然光線明暗和人員分布狀態智能控制調節照明設備的開啟和關閉；可通過平臺管理每一個照明設備，便于管理。特別是目前高校規模日益擴大，教室數量越來越多，對原有照明電路加以改造，引入智能控制模塊，可以方便有效地對每一個照明設備加以管理，提升利用效率，降低成本，減少浪費，對高校節能減排、創建智慧校園有著重要意義。

參考文獻

[1]黃濤.高校公共教室照明控制的智能化研究[D].山東：山東大學，2016.

[2]彭嘉杰，彭小紅，盧路路，蘇榮鑒.大學教室智能照明控制系統設計[J].廣西：現代計算機，2014，（11）：85-97.

[3]柳有權.基于普通攝像頭的人數檢測技術的討論[J].陜西：價值工程，2011，（3）：45-47.

[4]陳杰.高校教室智能照明控制系統的研究與設計[D].安徽：安徽理工大學，2014.

[5]莊曉波，劉彥妍.智能照明綜合評述和討論[J].光源與照明，2015，（5）：39-41.

[6]周莉，陳杰，蔡加星.基于MSP430單片機的智能照明控制系統的設計[J].安徽理工大學學報，2016，（7）：81-84.