基于表情模型识别的灯光智能调节系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模式识别技术领域，尤其涉及一种基于表情模型识别的灯光智能调节 系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 传统的照明控制系统主要有手动控制和时间控制等，其优点是简单、有效、直观， 但过多依赖控制者，控制相对分散，难以实现集中管理，实时性和智能化程度太低。随着信 息技术的飞速发展和社会的不断进步，智能家居开始走进人们的生活。智能灯控是智能家 居中用的较多的一项。人们对照明的高效控制和功能多样化的要求也不断提高，为了实现 室内照明的自动调节，美化环境、灯光亮度调节、灯光场景模式切换、节约电能、延长灯具寿 命等目的，人们不断开发新型的智能控制系统。如澳大利亚邦奇电子公司开发的Dynalite 智能照明控制系统，可对同一场景的多个灯区进行控制，每个灯区可以设置5种场景，可通 过智能面板操作选择适宜的照明氛围。美国的LC&D智能控制系统可以按照用户的需求，设 定照明时间、区域、方法对每一个回路进行独立控制。
[0003] 现有的控制系统基本都是程序式灯光控制，以设备为核心。例如，可以在系统主机 上设置控制模式，或使用时钟控制器等，实现不同场景的切换，以及场景切换时的淡入淡出 时间、使得灯光柔和变化；也可通过基于时钟的控制器，使灯光呈现按每天的日出日落或有 规律的变化；也可控制灯光实现美化环境的效果，利用场景变化增加环境的艺术效果，产生 层次感、立体感，使得环境更加舒适，有利于提高人们的身心健康，提高工作效率。使用智能 控制系统，还可以使得供电电压更为合理，从而可以延长灯具寿命，节约能源。但是，上述控 制系统还不能做到以人为中心，实现以人为中心的灯光智能调节控制系统，可以使得灯光 根据使用者的情绪进行变化，从而起到情绪调节作用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于表情模型识别的灯光智 能调节系统及其方法，解决现有自动化控制系统程序式和以设备为中心的问题，能够自动 拍摄和识别用户的面部图像，根据人脸五官的变化判断用户的表情并自动发出灯光控制信 号，使得灯光颜色和强度能够根据使用者的情绪进行变化，实现高度的人性化和智能化。
[0005] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006] -种基于表情模型识别的灯光智能调节系统，由图像采集及灯光控制装置、表情 识别装置连接构成，所述图像采集及灯光控制装置由装置外壳及其内部电路构成，所述装 置外壳由底座及支撑架连接构成，在底座设有电源插孔和USB插孔分别用于连接外部电源 和连接表情识别装置，在底座的中部安装有水平旋转电机且输出轴连接支撑架，在支撑架 的上端连接有垂直旋转电机且电机输出轴连接色光灯及CCD传感器；内部电路包括电源 模块、图像采集模块、单片机、传输模块、灯光驱动模块、多种色光灯、水平旋转电机和垂直 旋转电机，电源模块连接到图像采集模块、单片机、传输模块、灯光驱动模块、多种色光灯、 水平旋转电机和垂直旋转电机为上述模块供电，所述的图像采集模块与单片机相连接并将 采集的人脸图像传输给单片机，单片机通过传输模块与表情识别装置相连接并将单片机收 集的人脸图像通过传输模块传输给表情识别装置，表情识别装置通过对图像进行分析处理 并将控制信号发送给单片机，单片机通过驱动模块与多种色光灯相连接，单片机根据表情 识别装置传送的灯光控制信号通过驱动模块控制不同色光灯工作，单片机通过水平旋转电 机、垂直旋转电机分别控制支撑架水平旋转、色光灯及C⑶传感器垂直旋转。
[0007] 而且，所述图像采集模块包括C⑶传感器、CPLD模块和RAM存储器，CPLD模块分别 与CCD传感器和RAM存储器相连接实现人脸图像采集及存储功能，CPLD还与单片机相连接 实现能够实现人脸图像传输功能。
[0008] 而且，所述传输模块为Wi-Fi模块或USB模块，单片机通过Wi-Fi方式或USB方式 与表情识别装置相连接。
[0009] 而且，所述驱动模块由多路驱动电路构成，每路驱动电路均由三极管连接相应的 色光灯，驱动相应的色光灯工作，所述色光灯包括白色灯、浅蓝色灯、柠檬色灯、橘黄色灯和 粉红色灯，每种色灯有两个并以摄像头为中心对称布置。
[0010] 而且，所述的表情识别装置为一台安装有人类情绪判别及灯光调节系统软件的计 算机，该人类情绪判别及灯光调节系统软件由系统控制模块、自动识别循环模块和学习模 块组成，所述自动识别循环模块由图像采集模块、图像预处理模块、人脸定位模块、人脸检 测模块、表情特征分析模块及灯光控制模块依次连接构成。
[0011] -种基于表情模型识别的灯光智能调节系统的调节方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤1、将图像采集及灯光控制装置与表情识别装置连接在一起，并启动运行表情 识别装置内的人类情绪判别及灯光调节系统软件；
[0013] 步骤2、图像采集及灯光控制装置拍摄用户的人脸图像并将人脸图像传送给表情 识别装置；
[0014] 步骤3、系统控制模块判断当前运行状态，如果当前运行状态为自动识别运行模 式，则执行表情识别循环模块，对图像采集及灯光控制装置传来的人脸图像进行表情分析 并向图像采集及灯光控制装置发送灯光控制信号；如果当前运行状态为学习模式时，则执 行步骤5 ;
[0015] 步骤4、图像采集及灯光控制装置根据表情识别装置传来的灯光控制信号，通过灯 光驱动模块进行不同色光灯的开关控制；
[0016] 步骤5、系统控制模块启动学习模式，修改表情模型库。
[0017] 而且，所述步骤3执行表情识别循环模块的具体步骤为：
[0018] (1)图像采集模块接收人脸图像；
[0019] (2)图像预处理模块对采集来的图像进行预处理，通过滤波、校正手段去除噪声以 及对比度缺陷；
[0020] (3)人脸定位模块分析当前图像中是否包含人脸的数据和人脸的表情关键点数 据；如果不包含人脸数据，则返回步骤（1)开始下一次循环；如果包含人脸数据，对人脸的 外轮廓数据进行人脸尺寸和数据标准化，表情特征分析模块结合表情模型库进行表情特征 分析，根据相似度判断人脸表情；
[0021] (4)灯光控制模块根据表情特征分析模块给出的表情值，将其转换为灯光控制信 号并通过系统控制模块向图像采集及灯光控制装置发送。
[0022] 而且，所述步骤（3)对人脸的外轮廓数据将人脸尺寸和数据标准化以及表情特征 分析模块结合表情模型库进行表情特征分析并根据相似度判断人脸表情是采用下述方法 实现的：
[0023] 首先，将人脸表情数据转换到表情模型坐标系，设人脸向逆时针旋转的角度为0， 则转换公式为：
[0024] x= (X，-X' 0)cos9 - (y，-y' 〇)sin9
[0025] y= (x，-x' 0)sin9 + (y，-y' 〇)cos9
[0026] 上式中，0表示表情分析时人脸的偏转角度；x'，y'为表情数据点在整幅图像原 始坐标系中的坐标值；x'。，y'。为表情模型坐标系原点在图像原始坐标系中的坐标值；x，y 是表情数据点在表情模型坐标系中的坐标值；
[0027] 然后，将表情器官视为封闭图形，使用对应表情点的距离和值表示五官某部位的 区域形状特性，得到模型匹配时的五官相似度表达式为：
[0028]
[0029] 式中，DpD2为封闭图形自身对应点的距离和值，表示其区域形状特征；D3表示两 封闭图形的对应点的和值，表示两图形相减后剩余区域的区域形状特征。
[0030] 最后，将人脸五官的相似度使用权重系数合成：
[0031] R=klbRlb+krbRrb+kleRle+kreRre+Rnkn(klb+krb+kle+kre+kn) = 1)
[0032] 从而得到当前分析的人脸表情数据与表情模型库中模型的匹配度，通过与表情模 型库中的模型逐一对比，确定与之最相近的表情模型。
[0033] 而且，所述人脸表情包括：平静、愉悦、悲伤、恐惧、惊讶、厌恶、愤怒表情，所述灯光 控制信号包括白色灯、浅蓝色灯、柠檬色灯、橘黄色灯和粉红色灯等的打开和关闭信号；所 述表情模型库的结构为：表情值、五官坐标数据、相对位置数据、灯光输出效果数据。
[0034] 而且，所述图像采集及灯光控制装置根据灯光控制信号进行相应的色光灯控制的 方法为：平静表情时输出为白色灯光，愉悦表情时输出为白色灯光；悲伤表情时输出为橘 黄色光；愤怒表情时输出为浅蓝色光，恐惧表情时输出为粉红色光，惊讶表情时输出为柠檬 色光；厌恶表情时输出为粉红色光。。
[0035] 本发明的优点和积极效果是：
[0036] 1、本发明采用基于模式识别的灯光智能调节方法，能够自动拍摄和识别用户的面 部图像，根据人脸五官的变化判断用户的表情，自动发出灯光控制信号，使得灯光颜色和强 度能够根据使用者的情绪进行变化，实现了更加人性化的灯光智能控制功能，使得灯光依 据人的心情进行调节变化，有助于改善用户的生