圖像處理技術(shù)在教室節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/柳赟

1 引言

推廣高效節(jié)能系統(tǒng)是國家規(guī)劃的節(jié)能重點(diǎn)工程之一，以單片機(jī)、光電傳感器為基礎(chǔ)的大型電子教學(xué)調(diào)控程序在社會中的應(yīng)用范圍正在進(jìn)一步擴(kuò)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(fā)產(chǎn)生了負(fù)面影響。本文設(shè)計的教室節(jié)能系統(tǒng)將圖像處理中的模板匹配與SOPC技術(shù)結(jié)合，克服了這一缺點(diǎn)。

模型匹配指令，是互聯(lián)網(wǎng)信息程序中模型、圖像操控的主要方式，該程序是依據(jù)不同的外部操控需求，進(jìn)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(jìn)行比較，是模板操控調(diào)整的最高控制形態(tài)。同時，由于圖形和模板屬于相關(guān)性運(yùn)算控制，其結(jié)構(gòu)的每次分析過程，均可以看作是一個相關(guān)值判斷與匹配的過程。此外，SOPC技術(shù)是典型的簽嵌入式程序設(shè)計形態(tài)，它以FPGA芯片為基礎(chǔ)，在處理器、存儲結(jié)構(gòu)、以及 I /O模塊的輔助下，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的邏輯性定位分析，其操作過程實現(xiàn)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(dāng)前的圖像規(guī)劃與分析中占有重要地位。

2 圖像預(yù)處理的FPGA實現(xiàn)

2.1 圖像灰度化

將教室內(nèi)攝像頭采集到的彩色圖像轉(zhuǎn)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(lán)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(jìn)行灰色度分析時，也需要從圖像彩色結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(biāo)映射及照度檢測

以教室內(nèi)空間作為一個空間坐標(biāo)規(guī)劃的體系，并對應(yīng)在空間坐標(biāo)上分出縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)。也就是說，將教室中的每個點(diǎn)均都作為一個數(shù)據(jù)組合數(shù)，實現(xiàn)縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)之間的矩陣規(guī)劃。

教室內(nèi)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(yīng)第i行第j列處座位的照度矩陣，p、q分別為教室內(nèi)座位的行數(shù)和列數(shù)。

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

3.2 改進(jìn)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(shè)置在教室天花板正中央，采集數(shù)張不同情況下的教室圖像，剪裁出人頭所在的區(qū)域作為樣本；將人頭樣本的尺度標(biāo)準(zhǔn)化得到原始模板；重復(fù)上述過程，最終建成一個包含不同性別、不同發(fā)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(guān)鍵字，并在模板中設(shè)定關(guān)鍵詞、關(guān)鍵函數(shù)的方位權(quán)限，再根據(jù)哈希入口地址表的記錄位置進(jìn)行定位調(diào)節(jié)，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(shù)據(jù)與目標(biāo)信息不相對應(yīng)，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(jié)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(zhuǎn)次數(shù)，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(shè)置初始位置為待匹配圖像的左上角。在子圖中隨機(jī)選取像素點(diǎn)，計算它同模板T中對應(yīng)點(diǎn)的誤差值ε及其累加和，而算法結(jié)構(gòu)圖像平面的累計運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)（r），與累計誤差之間的闊值Tk，是按照累計次數(shù)計數(shù)法，對序貫相似性檢測算法的曲面變化情況進(jìn)行計算：

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

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

3.3 開關(guān)控制系統(tǒng)

開關(guān)控制系統(tǒng)利用基于Nios Ⅱ的SOPC在FGPA芯片上實現(xiàn)，完成了以EP1C6Q為核心的系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計，存儲系統(tǒng)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(shù)。在進(jìn)行模板時，系統(tǒng)性的大數(shù)據(jù)整合過程，要求程序必須是時效性的控制，且由于每一個數(shù)據(jù)信息的像素點(diǎn)都是在Nios Ⅱ的程序下進(jìn)行內(nèi)存條件的分析，數(shù)據(jù)傳輸過程則是按照數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)傳導(dǎo)的方式進(jìn)行指令設(shè)計，為了確保傳輸指令的準(zhǔn)備性，程序中圖像的傳輸還需要借助DMA Controller完成任務(wù)，為了保障傳輸效率，它往往控制開關(guān)系統(tǒng)會選用流暢模式進(jìn)行傳導(dǎo)。通過Quartus Ⅱ，SOPC Builder 等配套開發(fā)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

經(jīng)模板匹配后每個區(qū)域的人員數(shù)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(qū)域的照明的開斷。程序流程圖如圖2。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地檢測出教室內(nèi)人員數(shù)量及位置，教室照度不足時根據(jù)人員所在位置自動開啟對應(yīng)位置的照明，無人時自動熄滅，彌補(bǔ)了高校教室電能管理的缺失，達(dá)到自主節(jié)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(qū)域圖像與所對應(yīng)的模板利用SSDA算法進(jìn)行匹配，輸出匹配成功的次數(shù)及位置，對應(yīng)人員數(shù)量和位置。構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺，采用FPGA作為控制芯片，輸出人員信息和各區(qū)域照明燈的控制信號。

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于對傳統(tǒng)的模板匹配算法的改進(jìn)，滿足了系統(tǒng)對準(zhǔn)確性和實時性的雙重要求，可以在全國高校推廣。