張灝 邵山峰 江輝

【摘要】現(xiàn)有的室內(nèi)照明調(diào)節(jié)設(shè)施多靠手動、聲光計數(shù)控制，無法根據(jù)使用者的需求提供照明服務(wù)。針對以上問題，基于計算機(jī)視覺對場所內(nèi)的人體進(jìn)行識別，獲取人員位置，調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)相應(yīng)位置處的照明設(shè)施，實(shí)現(xiàn)按需照明，同時降低建筑物的整體能耗。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)視覺Kinect;按需照明

1.引言

在教室、車站、展覽館等公共場所，人員流動頻繁，進(jìn)入場所的人數(shù)及其所處的位置具有很強(qiáng)的不確定性。在這些場所內(nèi)，以照明為代表的提供公共服務(wù)的設(shè)施，通過現(xiàn)有的控制方式，無法針對上述不確定性做出及時反應(yīng)：一方面不能滿足個體的需求，實(shí)現(xiàn)按需照明，另一方面也造成了能源的浪費(fèi)。

為了解決上述問題，現(xiàn)有的方案一般是利用聲控或光控來實(shí)現(xiàn)對照明燈打開位置或數(shù)量的控制?；诼暱氐姆桨?，一般用于走廊和廁所，開燈時間短，不適用于需要長時間、不間斷開燈的場所。而基于光控的方案一般是通過安裝在門口的紅外傳感器大致確定進(jìn)入場所的人數(shù)，然后根據(jù)人數(shù)控制照明燈打開的數(shù)量。雖然現(xiàn)有的光控方案在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對照明的自動控制，但是也存在著明顯的弊端，即不能根據(jù)場所內(nèi)人員的分布控制照明燈，其缺陷主要集中在以下兩個方面：

一是，當(dāng)進(jìn)入場所的人數(shù)較少時，開燈數(shù)也較少，并且處于打開狀態(tài)的照明燈位置固定，場所的使用者不能根據(jù)自己的需要選擇所處的位置，因此無法提供良好的用戶體驗;二是，紅外傳感器受溫度和光線的影響較大，同時也易受熱源干擾，在清點(diǎn)具體人數(shù)上可能出現(xiàn)紕漏。總而言之，用于自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空間照明的現(xiàn)有設(shè)備多靠聲光計數(shù)控制，雖然能在一定程度上減少能源的消耗，但是無法為室內(nèi)人員提供有針對性的環(huán)境調(diào)節(jié)方案，無法提供適如人意的體驗感受，有時反而會造成能源的不必要浪費(fèi)。

針對以上問題，基于計算機(jī)視覺對場所內(nèi)的人體進(jìn)行識別，分析其位置信息，然后通過處理終端和控制電路，根據(jù)人員分布信息發(fā)出控制信號，對照明燈光進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到按需照明的目的，進(jìn)而降低建筑能耗，實(shí)現(xiàn)對照明的智能調(diào)節(jié)。其核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人體識別與位置信息的智能分析處理。

2.設(shè)計方案

圖1給出了此系統(tǒng)的整體設(shè)計思路。具體而言，主要包括以下四個方面：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計簡圖

（1）實(shí)現(xiàn)場景視頻數(shù)據(jù)流的捕捉——具體由Kinect攝像頭來實(shí)現(xiàn);

（2）人體識別的實(shí)現(xiàn)及其位置信息的獲取 ——通過基于C++語言的應(yīng)用程序開發(fā)來完成;

（3）計算機(jī)與燈光控制器之間數(shù)據(jù)通信協(xié)議的制定——采用RS232C物理層標(biāo)準(zhǔn);

（4）基于單片機(jī)和繼電器的燈光控制器控制回路。

其中，核心為人體的識別及其位置信息的獲取。具體實(shí)現(xiàn)是通過Kinect攝像頭獲取目標(biāo)空間的深度數(shù)據(jù)流，然后將人體信息從背景噪聲中分離出來;在此基礎(chǔ)上，對識別出人體信息進(jìn)行分析計算，得出人體的位置坐標(biāo);最后，通過制定計算機(jī)與單片機(jī)之間的通信協(xié)議，根據(jù)人體的空間坐標(biāo)，控制相應(yīng)位置處的照明設(shè)施。

2.1 獲取場景數(shù)據(jù)流并分析場景內(nèi)人員的位置信息

圖2 人員位置分析示意

場景內(nèi)的空間信息是通過Kinect攝像頭來獲取的。Kinect攝像頭是微軟于2010年發(fā)布的Xbox360體感游戲配件。它是一種3D體感攝影機(jī)[1]，具有三只不對稱的“眼睛”——紅外投影機(jī)、彩色攝像頭和紅外攝像頭。其中，彩色攝像頭提供彩色圖像;紅外投影機(jī)發(fā)射激光覆蓋Kinect的可視范圍;紅外攝像頭通過接收物體反射的激光，識別目標(biāo)物體的“深度場”，為處理計算機(jī)提供深度數(shù)據(jù)。

圖2給出了深度圖像的識別模式[2]，這里以攝像機(jī)為原點(diǎn)建立攝像機(jī)坐標(biāo)系，以攝像機(jī)軸線為Z軸，以垂直于Z軸平面建立XY坐標(biāo)系，其中Z軸坐標(biāo)值表示實(shí)際的物體至攝像機(jī)平面的距離，XY坐標(biāo)值表示圖像幀在攝像機(jī)上對應(yīng)的坐標(biāo)，具體的XY坐標(biāo)系由成像傳感器的分辨率決定。Kinect的視場為頂角為57度的圓錐形，有效分辨距離為4096mm，最大識別距離為8192mm。

考慮到這里關(guān)注的主要是場景中的人員位置信息，因此采用的是深度數(shù)據(jù)流。同時，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時可靠性和動態(tài)追蹤精度，這里將最后在計算機(jī)上顯示的深度圖像幀數(shù)鎖定在30幀，以免緩存區(qū)溢出造成系統(tǒng)崩潰。每幀深度圖像分辨率為640×480，每個像素的前13位攜帶深度信息，后3后攜帶用戶ID。

在基于Kinect攝像頭獲取人體信息和位置的過程中，首先給不同用戶分配不同的ID，以區(qū)別不同的分析對象。然后，通過基于C++語言開發(fā)的應(yīng)用程序，采用輪詢模式實(shí)時讀取并存儲Kinect生成的深度圖像數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)每幀深度圖像中各像素攜帶的深度數(shù)據(jù)和用戶ID，對人體進(jìn)行識別，并跟蹤其位置變化[3]。

當(dāng)用戶ID為0，說明該位置沒有找到用戶，比如值為1和2，則表明識別“用戶1”、“用戶2”。而識別出用戶時，計算其位置坐標(biāo)，即X、Z坐標(biāo)，其中：

Z=d，d為深度，直接提取;

其中P為每個像素的寬度：

將得到的用戶坐標(biāo)值與系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的燈光位置比較，從而為開關(guān)相應(yīng)位置的燈光提供數(shù)據(jù)分析。

2.2 根據(jù)人員分布分析控制照明燈的調(diào)節(jié)

在人體識別及其所處位置的分析后，通過制定計算機(jī)與燈光控制器之間的通信協(xié)議，根據(jù)人體和照明燈的位置，對照明燈的調(diào)節(jié)進(jìn)行控制?？紤]到人體及位置分析子系統(tǒng)與燈光控制器之間距離較近，這里采用RS232C物理層標(biāo)準(zhǔn)[4]，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的異步數(shù)據(jù)通信。在實(shí)現(xiàn)控制信號輸出的過程中，考慮到本系統(tǒng)包括多種可插接的串行接口設(shè)備，當(dāng)燈光控制器插入系統(tǒng)后，其端口號是由系統(tǒng)隨機(jī)分配的，因此，通過人工配制其端口號，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)和控制器之間的通信。

此外，為了保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸與燈光控制，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議應(yīng)采用帶確認(rèn)的命令/應(yīng)答機(jī)制，如果得不到及時正確的應(yīng)答，收發(fā)雙方需重新確認(rèn)身份，并建立同步關(guān)系。在數(shù)據(jù)鏈路層中，我們使用三種類型的幀，分別為身份確認(rèn)幀、通訊狀態(tài)確認(rèn)幀和燈光控制命令幀：身份確認(rèn)幀用于實(shí)現(xiàn)燈光控制器的即插即用功能，簡化復(fù)雜的通信端口手工配置過程;通信狀態(tài)確認(rèn)幀主要用于燈光控制器的通信控制功能——因為燈光控制器并不能隨時接收新的燈光控制命令，只有上次的燈光控制命令執(zhí)行完畢后，才能接收新的命令;燈光控制命令幀主要用于燈光控制器的燈光控制命令功能。

燈光控制命令幀的格式為“前同步字（7EH）+命令/應(yīng)答+信息（變長）+CRC+后同步字（7EH）”。其中，信息字段的定義如下：第一個字節(jié)用于控制的光源個數(shù)，第二個字節(jié)及后續(xù)字節(jié)，每位對應(yīng)于一個光源的開關(guān)狀態(tài)，0為關(guān)，1為開，其位序號對應(yīng)于光源序號。這里根據(jù)需要，最多設(shè)置了16個可控光源。

3.理論能耗計算及功能分析

按照目前的設(shè)計方案來看，本系統(tǒng)耗電的設(shè)備和器件有Kinect攝像頭、照明燈、電腦、包括繼電器在內(nèi)的電路板上的各個器件以及線路傳輸過程中的電流損耗，它們的耗能如下：

（1）電腦（以臺式機(jī)為例）功率一般為Pc=250W左右，對于有NO個房間的建筑物，平均每個房間1小時耗電為wc=6/（24NO）W;

（2）Kinect攝像頭的功率為PK=250W，單個攝像頭工作1小時，耗電為WK=0.012kWh;

（3）照明燈（以高校教室為例）一般采用的是長度為1230mm的T8管的日光燈，功率為40W，一盞照明燈通常由兩個燈管組成，故一盞燈的功率為PL=80W，一個小時耗電WK=0.08kWh左右;

（4）包括繼電器在內(nèi)的電路板上的各個器件，其耗電相對而言很低，遠(yuǎn)小于前述三種器材的耗電量，所以暫時忽略不計。

圖3 節(jié)省的用電量與教室數(shù)量之間的關(guān)系

由于不同建筑物內(nèi)不同房間內(nèi)照明燈的分布和人員流動情況不同，從較為簡單的情況出發(fā)，分析本系統(tǒng)節(jié)約的耗電量。假設(shè)某個建筑物（以教學(xué)樓為例）有NO個同樣的房間，每個房間有NL盞燈，照明燈成兩排，均勻分布。當(dāng)某人H進(jìn)入房間走到某個座位后，打開此座位上方的照明燈。設(shè)H在座位逗留時間為tw，他離開此座位后，則將相應(yīng)的照明燈關(guān)閉。根據(jù)上述假設(shè)，H進(jìn)入房間后，房間內(nèi)打開的始終只有一盞燈，累計打開的時間為tw，照明燈耗電PLtw。這里假設(shè)每人次的在房間逗留的時間都相同。那么，照明燈總的耗電量為NHPLtw。加上電腦和Kinect攝像頭的耗電，即為總的耗電量。根據(jù)上述假設(shè)，整個建筑物在有本系統(tǒng)參與控制的情況下，一天的耗電量為W=NO（NHPLtw+24pK）+24pc。

這里先以高校內(nèi)教室的晚自習(xí)用電為例，計算本系統(tǒng)節(jié)約的耗電量。設(shè)某教學(xué)樓內(nèi)有NO=100個教室。教室有大有小，從我國高等院校的一般情況來看，每個教室的座位幾十到一百個左右，照明燈6-20盞左右（除去講臺上方的照明燈）。這里設(shè)每個教室有兩列共10盞燈（即NL=10），每盞燈有2個T8燈管。晚自習(xí)期間，每個教室的人數(shù)一般在幾人到幾十人左右（學(xué)習(xí)淡旺季不同），考慮到本系統(tǒng)主要是針對能源浪費(fèi)設(shè)計，同時為了簡化計算，這里假設(shè)每晚有10個同學(xué)在教室上自習(xí)，即NH=10，并設(shè)每位同學(xué)在需要打開照明燈的時間段在教室逗留的時間為tw=4h。教室內(nèi)同時逗留的人數(shù)為5人，每次有人進(jìn)入，均按照最稀疏分布（即人與人之間的距離平方和最大，一排一個人）。

根據(jù)上述假設(shè)，整個建筑物在有本系統(tǒng)參與控制的情況下，一天的耗電量為W=NO×（NHPLtw+24pK）+24pc=354.8kWh。如果是手動控制，對于上述五排燈的教室，每排2盞燈一般用一個開關(guān)控制。因此，打開一個開關(guān)，會同時打開兩盞燈。根據(jù)上述假定，此時，耗電量為W'=2NONHPLtw=640kWh。因此，與手動控制相比，一天節(jié)省的用電量為△W=W'-W=285.2kWh。如果教室的數(shù)量增加，其節(jié)能效果會更顯著。24小時所節(jié)省的電量△W與教室數(shù)量NO之間的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)教室數(shù)少于5間時，節(jié)能曲線會出現(xiàn)負(fù)值，這是因為控制系統(tǒng)自身耗電引起的。不過，一般情況下，教學(xué)樓內(nèi)的教室數(shù)量都在大于5間。對于上述100間教室，一年教室的使用天數(shù)按277天計（根據(jù)《全國年節(jié)及紀(jì)念日放假辦法》[5]，除去春節(jié)外，共有8天法定節(jié)假日，再加上80天寒暑假期，一年的教室正常被使用的天數(shù)為277左右），合計79000.4kWh，一度電按0.52元計，合計約41080.21元，不到一年就可以收回投入，效益比較可觀;若教室達(dá)到200間，一年合計節(jié)省耗電159662.8kWh，合計約83024.66元，節(jié)能效果更加誘人。

4.討論

本系統(tǒng)已制造出原型實(shí)物，在實(shí)際調(diào)試中還存在以下問題：

（1）單個Kinect攝像頭的識別能力較有限，實(shí)際可識別有效距離為4m，可分辨人數(shù)最多為兩人。

（2）如果多人頻繁運(yùn)動，燈光會隨人移動出現(xiàn)頻繁閃爍，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

針對這些問題，現(xiàn)階段提出的解決方案如下：

（1）對于單個Kinect攝像頭探知能力有限的問題，我們可以采用Kinect攝像頭陣列，或者研發(fā)識別距離更長，探知能力更好的深度攝像頭。

（2）對于燈光隨人員運(yùn)動閃爍的問題，我們現(xiàn)在采取在每個燈光的控制回路中加入5s的延時的方法進(jìn)行限制

綜上，本系統(tǒng)將計算機(jī)視覺感知與燈光智能控制結(jié)合，通過對相關(guān)場景進(jìn)行建模和分析計算，根據(jù)人員的位置分布，控制場景內(nèi)的照明設(shè)施。系統(tǒng)已制作出的試驗原型設(shè)備，具有機(jī)構(gòu)簡單、成本相對較低的特點(diǎn)，便于架設(shè)，或者嵌入建筑物感知系統(tǒng)，可以為用戶接受，易于推廣。此外，控制部分使用模塊化設(shè)計，針對不同的場合，搭配不同的模塊，可以控制相應(yīng)的設(shè)備，通用性好，易于維護(hù)。本系統(tǒng)既可以用于博物館、教室、車站等人員分散、流動具有不確定性的公共場所，也可與監(jiān)控攝像頭相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動報警，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]余濤.Kinect應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)：用最自然的方式和機(jī)器對話[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013：78-195.

[2]鄧樹國.紅外攝像復(fù)雜背景下人體識別方法研究[D].長春：吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，2007：37-76.

[3]袁靜.動目標(biāo)的提取分析與研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，2007：23-32.

[4]ANSI/TIA-232-F-1997，Approved：September 30，1997， Reaffirmed：October 11，2002，TIA STANDARD，”Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange”，TIA-232-F，（Revision of TIA/EIA-232-E）.

[5]全國年節(jié)及紀(jì)念日放假辦法，第三次修訂，2013.

作者簡介：張灝（1993—），男，江蘇南通人，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析。