一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，解决晚自修时灯具全部开启的问题。硬件部分有：摄像头、计算机、单片机控制电路、灯具。软件部分包括教室分区域处理软件和单片机控制灯具开关软件。本系统的技术方案为：1)摄像头采集教室全景图发送到计算机；2)基于色度法进行灰度化处理获取当前帧和背景的灰度图；3)采用背景差分法获取差分图像；4)基于形态学获取仅保留运动目标的二值图；5)按实际需求把二值图分为灯具相对应若个区域并判断各个区域有无学生存在；6)向单片机发送判断数据；7)单片机接收数据并控制灯具开关。该系统不仅可以满足学生晚自修个人习惯需求，同时也能实现节约用电，推广应用前景广阔。
【专利说明】—种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统
【技术领域】
[0001]本专利涉及到机器视觉技术和单片机控制技术，尤其涉及一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统。
【背景技术】
[0002]据报道，很多学校的教室场所用电浪费现象普遍存在，尤其晚自修时段更为严重。在晚自修时，学生希望四周环境保持相对安静，所以习惯于分散教室各个区域，但教室内的灯具全部处于通路状态。当前为了节约用电，一是通过探测器检测教室人数的多少，当人数少于某个值时自动关闭灯具使学生离开该教室，达到集中教室自习的效果，但这样无法满足学生学习习惯需求；二是在座位上安装探测装置，可以达到分区域控制的效果，但是教室改造成本较高。
[0003]当前大多数教室安装监控摄像头，只需把一路视频信号分配到专门用于智能控制灯具开关的计算机上，利用日益兴起的机器视觉技术处理摄像头实时采集的教室全景图像来判断各个区域有无学生，利用单片机技术控制各个区域的灯具开关状态，从而不仅满足学生晚自修个人习惯需求，也能节约用电，建设节约型校园，推广应用前景广阔。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于满足学生个人学习需求下，防止用电浪费，提出一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统。该系统利用日益兴起的机器视觉技术处理摄像头实时采集的教室场景图像来判断各个区域有无学生，利用单片机技术改变各个区域的灯具开关状态，实现区域有人就开灯，区域无人就关灯，不仅可以满足学生晚自修个人习惯需求，同时也能实现节约用电，建设节约型校园，推广应用前景广阔。
[0005]本发明的技术方案为:一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]I)摄像头拍摄教室全景图像；
[0007]2)图像灰度化处理；
[0008]3)图像差分化处理；
[0009]4)图像二值化处理；
[0010]5)图像分区域处理；
[0011]6) Matlab与单片机通信；
[0012]7)灯具开关控制。
[0013]所述步骤2)图像灰度化处理的具体步骤为:首先分别对当前帧图像和背景图像完成RGB彩色空间到HSI彩色空间的转换；然后根据色度分量分别获取当前帧灰度图像和背景灰度图像，可减少光照变化对运动目标检测的影响。
[0014]所述步骤3)图像差分化处理的具体步骤为:对所述步骤2)处理后的当前帧灰度图像和背景灰度图像进行差分运算，根据差分的结果可判定图像中是否有运动目标，获取含有运动目标的差分图像。
[0015]所述步骤4)图像二值化处理的具体步骤为:先对所述步骤3)处理后的差分图像采用Otsu法进行动态阈值分割获取含有噪声的二值图像；然后利用膨胀腐蚀姊妹算法可连接邻近离散区域并尽可能保持原有的面积；最后利用面积法滤除噪声提取仅保留运动目标的二值图像。
[0016]所述步骤5)分区域处理的具体步骤为:根据灯具的个数、位置和分区域照度要求把教室分为若干个区域，达到每盏灯具满足对应区域的照度要求；并把这种物理分区映射到图像中的像素分区，然后判断在所述步骤4)处理后的二值图像中各个区域有无运动目标，即判断哪些区域有学生存在。
[0017]所述步骤6)Matlab与单片机通信的具体步骤为:在Matlab环境下,将所述步骤
5)处理后的学生分布区域情况的数据通过串口方式由计算机向单片机发送。
[0018]所述步骤7)灯具开关控制的具体步骤为:单片机接收计算机发送的数据并控制灯具开关。
[0019]本发明的有益效果是:本发明针对现有监控教室进行简易改造，改造成本低，同时也适用于新建教室，可以将其嵌入到监控系统，组建新型的监控节能教室。本发明的应用更符合学生晚自修个人学习习惯，也能节约用电，建设节约型校园，能够产生良好的经济效益，推广应用前景广阔。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本专利硬件连接示意图；
[0021]图2为本专利系统控制流程图；
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本专利加以详细说明。本发明针对教室分区域智能照明系统具有以下特点:①RGB彩色图像；②教室分区域；③灯具分别控制。
[0023]基于学生个人晚自修的需求和节约用电的要求，本专利提出一种教室分区域智能照明系统。该系统由7步实现:1)摄像头拍摄教室全景图像；2)基于色度法分别对当前帧图像和背景图像进行灰度化处理获取当前帧灰度图像和背景灰度图像；3)对当前帧与背景的灰度图像进行差分运算获取差分图像；4)基于Otsu法、膨胀腐蚀算法及面积法获取仅保留运动目标的二值图像；5)按教室灯具的个数、位置及照明强度要求把二值图像分为灯具相对应若个区域，并分别判断各个区域是否存在运动目标即判断有无学生存在；6)利用Matlab与单片机通信技术向单片机发送各个区域有无学生存在的数据；7)单片机接收计算机发送的数据并控制灯具开关。
[0024]本专利的教室分区域智能照明系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要有:摄像头、计算机、单片机控制电路、灯具，其硬件连接如图1所示。软件部分主要包括教室区域人数统计软件和灯具智能控制软件，前者由上位机计算机完成算法，后者由下位机单片机完成控制，其系统控制流程如图2所示，其主要包括以下步骤:
[0025]1.摄像头采集教室全景图像，通过数据线将图像发送到计算机；
[0026]2.图像灰度化处理:首先分别对当前帧图像和背景图像完成RGB彩色空间到HSI彩色空间的转换；然后根据色度分量分别获取当前帧灰度图像和背景灰度图像，可减少光照变化对运动目标检测的影响。
[0027]3.图像差分化处理:当前帧灰度图像和背景灰度图像进行差分运算，根据差分的结果可判定图像中是否有运动目标，获取含有运动目标的差分图像。
[0028]4.图像二值化处理:对差分图像采用Otsu法进行动态阈值分割获取含有噪声的二值图像；然后利用膨胀腐蚀姊妹算法可连接邻近离散区域并尽可能保持原有的面积；最后利用面积法滤除噪声提取仅保留运动目标的二值图像。
[0029]5.分区域处理:根据灯具的个数、位置和分区域照度要求把教室分为若干个区域，达到每盏灯具满足对应区域的照度要求；并把这种物理分区映射到图像中的像素分区，然后判断各个区域有无运动目标，即判断哪些区域有学生存在。
[0030]6.Matlab与单片机通信:在Matlab环境下，将计算机获取学生分布区域情况的数据通过串口方式向单片机发送。
[0031]7.灯具开关控制:单片机接收计算机发送的数据并控制灯具开关。
【权利要求】
1.一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，包括硬件和软件两部分。硬件部分主要有:摄像头、计算机、单片机控制电路、灯具。软件部分主要包括教室分区域处理软件和单片机控制灯具开关软件，前者由上位机计算机完成算法，后者由下位机单片机完成控制。其特征在于，包括以下主要步骤: 1)摄像头拍摄教室全景图像； 2)图像灰度化处理； 3)图像差分化处理； 4)图像二值化处理； 5)图像分区域处理； 6)Matlab与单片机通信； 7)灯具开关控制。
2.根据权利要求1所述的一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征是，所述步骤2)图像灰度化处理的具体步骤为:首先分别对当前帧图像和背景图像完成RGB彩色空间到HSI彩色空间的转换；然后根据色度分量分别获取当前帧灰度图像和背景灰度图像，可减少光照变化对运动目标检测的影响。
3.根据权利要求1所述的一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征是，所述步骤3)图像差分化处理的具体步骤为:对所述步骤2)处理后的当前帧灰度图像和背景灰度图像进行差分运算，根据差分的结果可判定图像中是否有运动目标，获取含有运动目标的差分图像。
4.根据权利要求1所述的一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征是，所述步骤4)图像二值化处理的具体步骤为:先对所述步骤3)处理后的差分图像采用Otsu法进行动态阈值分割获取含有噪声的二值图像；然后利用膨胀腐蚀姊妹算法可连接邻近离散区域并尽可能保持原有的面积；最后利用面积法滤除噪声提取仅保留运动目标的二值图像。
5.根据权利要求1所述的一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征是，所述步骤5)分区域处理的具体步骤为:根据灯具的个数、位置和分区域照度要求把教室分为若干个区域，达到每盏灯具满足对应区域的照度要求；并把这种物理分区映射到图像中的像素分区，然后判断在所述步骤4)处理后的二值图像中各个区域有无运动目标，即判断哪些区域有学生存在。
6.根据权利要求1所述的一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征是，所述步骤6)Matlab与单片机通信的具体步骤为:在Matlab环境下，将所述步骤5)处理后的学生分布区域情况的数据通过串口方式由计算机向单片机发送。
7.根据权利要求1所述的一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征是，所述步骤7)灯具开关控制的具体步骤为:单片机接收计算机发送的数据并控制灯具开关。
8.根据权利要求1所述的一种针对大学晚自修的教室分区域智能照明系统，其特征是，所述系统部分设备可以借用教室的监控系统来实施，也可以将本发明嵌入到新教室监控系统来实施。
【文档编号】H04N7/18GK103716955SQ201310593688
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年11月16日 优先权日:2013年11月16日
【发明者】梁佩佩, 沈宝国, 靳春芳, 马桂殿, 宦小玉, 刘璇, 王青 申请人:镇江高等职业技术学校