圖像處理技術在教室節能系統中的應用

文/柳赟

1 引言

推廣高效節能系統是國家規劃的節能重點工程之一，以單片機、光電傳感器為基礎的大型電子教學調控程序在社會中的應用范圍正在進一步擴大，但受到其實際分布、控制局限性問題的干擾，對其市場的開發產生了負面影響。本文設計的教室節能系統將圖像處理中的模板匹配與SOPC技術結合，克服了這一缺點。

模型匹配指令，是互聯網信息程序中模型、圖像操控的主要方式，該程序是依據不同的外部操控需求，進行模板的選擇與整合，它能夠保障程序匹配圖像在操控范圍中隨意性變動，且模板與原圖之間可隨意進行比較，是模板操控調整的最高控制形態。同時，由于圖形和模板屬于相關性運算控制，其結構的每次分析過程，均可以看作是一個相關值判斷與匹配的過程。此外，SOPC技術是典型的簽嵌入式程序設計形態，它以FPGA芯片為基礎，在處理器、存儲結構、以及 I /O模塊的輔助下，實現模型數據的邏輯性定位分析，其操作過程實現了靈活性、自由銜接式的編程化管理。該種軟件與硬件之間簡潔銜接式的操控方法，在當前的圖像規劃與分析中占有重要地位。

2 圖像預處理的FPGA實現

2.1 圖像灰度化

將教室內攝像頭采集到的彩色圖像轉化為灰度圖像，公式如下：

式中，R、G、B分別為彩色像素中紅、綠、藍的分度值，Y為灰度值。

圖像采集單元獲得的為RGB彩色單元，將圖像單元色進行灰色度分析時，也需要從圖像彩色結構保持狀況上，對圖像中特征與信息位置的定位，這樣的圖像處理方式，可大大縮減處理圖像的存儲空間，實現資源處理與針對性計量，提高算法效率。

2.2 圖像濾波

中值濾波定義為：

3 教室人員情況的確定

3.1 坐標映射及照度檢測

以教室內空間作為一個空間坐標規劃的體系，并對應在空間坐標上分出縱坐標、橫坐標。也就是說，將教室中的每個點均都作為一個數據組合數，實現縱坐標、橫坐標之間的矩陣規劃。

教室內每個座位都有一個照度矩陣，組成整個教室的照度矩陣可表示為：

其中，Aij對應第i行第j列處座位的照度矩陣，p、q分別為教室內座位的行數和列數。

利用照度矩陣計算教室內平均照度，灰度均值大于180，則認為照度充足，不開照明。照度不充足的情況下，進行下一步圖像處理。

3.2 改進的模板匹配算法

3.2.1 模板庫的建立

圖1：FPGA芯片框圖

圖2：程序流程圖

將攝像頭設置在教室天花板正中央，采集數張不同情況下的教室圖像，剪裁出人頭所在的區域作為樣本；將人頭樣本的尺度標準化得到原始模板；重復上述過程，最終建成一個包含不同性別、不同發型、不同抬頭角度的原始頭頂模板庫。

將每個模板的RGB平均值作為關鍵字，并在模板中設定關鍵詞、關鍵函數的方位權限，再根據哈希入口地址表的記錄位置進行定位調節，同時，位置記錄時還會對模板分析是否與待匹配模板相匹配，如果對比后反饋數據與目標信息不相對應，指令信息則為沖突性記錄；反之，一個序列中的元素，就可以從頭到序列尾順序排列。這樣儲存查找模板的方式可以節省大量儲存空間，提高查找效率。

3.2.2 SSDA算法

由于人頭相對于教室面積較小，是為了降低SSDA（序貫相似性檢測算法）匹配周期旋轉次數，步驟如下：

模板T疊放在待測圖像S上平移，計算模板位圖像素的平均值和圖像覆蓋下子圖的像素平均值，設置初始位置為待匹配圖像的左上角。在子圖中隨機選取像素點，計算它同模板T中對應點的誤差值ε及其累加和，而算法結構圖像平面的累計運轉次數（r），與累計誤差之間的闊值Tk，是按照累計次數計數法，對序貫相似性檢測算法的曲面變化情況進行計算：

把I(i,j)值大的(i,j)點作為匹配點，因為在這一點上累加多次才能使總誤差超過Tk。依據上述方法即可逐次找出所有匹配點，即待測圖像中人員所在位置。

根據教室實際面積和過道位置分割成若干不相交的子區域。每個區域分別利用上述算法進行模板匹配。

3.3 開關控制系統

開關控制系統利用基于Nios Ⅱ的SOPC在FGPA芯片上實現，完成了以EP1C6Q為核心的系統硬件平臺設計，存儲系統包括：FLASH和SDRAM；外圍接口包括：基于MAX3232的串口、JTAG接口；利用LCD液晶顯示屏顯示人員分布情況圖和人員總數。在進行模板時，系統性的大數據整合過程，要求程序必須是時效性的控制，且由于每一個數據信息的像素點都是在Nios Ⅱ的程序下進行內存條件的分析，數據傳輸過程則是按照數據協調傳導的方式進行指令設計，為了確保傳輸指令的準備性，程序中圖像的傳輸還需要借助DMA Controller完成任務，為了保障傳輸效率，它往往控制開關系統會選用流暢模式進行傳導。通過Quartus Ⅱ，SOPC Builder 等配套開發軟件實現系統的軟件設計。

經模板匹配后每個區域的人員數量通過FPGA輸出在顯示屏上，同時是否有人作為控制信號控制該區域的照明的開斷。程序流程圖如圖2。

4 結語

本系統能較準確地檢測出教室內人員數量及位置，教室照度不足時根據人員所在位置自動開啟對應位置的照明，無人時自動熄滅，彌補了高校教室電能管理的缺失，達到自主節能的效果。

在人員識別方面給出了模板庫的建立和基于哈希表的模板查找方式，將區域圖像與所對應的模板利用SSDA算法進行匹配，輸出匹配成功的次數及位置，對應人員數量和位置。構建了系統的硬件平臺，采用FPGA作為控制芯片，輸出人員信息和各區域照明燈的控制信號。

本文創新點在于對傳統的模板匹配算法的改進，滿足了系統對準確性和實時性的雙重要求，可以在全國高校推廣。