CN111881857B - 一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法 - Google Patents

一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，电子蜡烛包括蜡烛本体、红外热感应器、摄像机和主控电路。控制方法中，先建立人脸特征与亮灯风格的数据库；红外热感应器感应到有人后启动摄像机；摄像机拍摄人脸图像，并将人脸图像发送给主控电路，主控电路将拍摄到的人脸图像的人脸特征与数据库中的人脸特征进行对比和匹配，则按照该人脸特征对应的亮灯风格，打开电子蜡烛。本发明的电子蜡烛控制方法，具有能够摄像机检测是否有人存在并对人脸进行检测、根据人脸检测的情况主动打开蜡烛的优点。

Description

一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法
技术领域
本发明涉及照明装置技术领域，特别涉及一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法。
背景技术
电子蜡烛灯(Electonic Candle light)，也称为电子LED蜡烛灯或者七彩蜡烛灯，模拟蜡烛的外形做出LED灯芯。电子蜡烛灯具有安全环保、绝不发热和避免火焰着火现象的发生等优点。
现有的电子蜡烛关闭，有的通过开关关闭，有的是通过用户吹灭动作，实现电子蜡烛的关闭的。现有技术中，大多数电子蜡烛是通过机械式开关来打开电子蜡烛的，也有通过遥控方式来实现电子蜡烛的打开的。
申请号为201621321713.9d的中国实用新型专利《一种电子蜡烛》，包括壳体，所述壳体具有一腔体；模拟火焰单元，设置于所述壳体，用于模拟真实火焰；机座，设置于所述腔体内；机座上设置有控制电路板，控制电路板用于控制模拟火焰单元；遥控接收头，所述遥控接收头包括本体部，所述本体部的一侧面为接收面，用于接收遥控信号，所述本体部的底面伸出三根引脚线，并通过所述三根引脚线与所述控制电路板电连接；所述三根引脚线在靠近本体部的底面处弯折设置。该专利中，用户是通过遥控器来遥控开关所述电子蜡烛的，无法主动检测是否需要开灯，也无法主动实现开灯的动作。
申请号为201920112499.3的中国实用新型专利《基于蓝牙控制的电子蜡烛》,包括蜡身、发光组件、电池模组，所述蜡身为圆柱形，该蜡身的顶部中心有用于透过仿真火焰的通孔，蜡身的底部敞开，内部形成容置腔，所述发光组件和电池模组依次从蜡身底部的敞开装配于容置腔，所述发光组件上设有LEDPCBA，所述电池模组上设有主PCBA，该LEDPCBA和主PCBA电性相连，于LEDPCBA上设有RGB三色灯电路，于主PCBA上设有电池电路、稳压电路、蓝牙模块以及复拉按键电路。该复拉按键电路实现了电子蜡烛手动地控制电子蜡烛的开启、关闭和复位。该专利中，蓝牙模块使得可以用手机APP蓝牙控制电子蜡烛。用户是通过移动终端上的APP，来遥控开关所述电子蜡烛的，无法主动检测是否需要开灯，也无法主动实现开灯的动作。
以上几种电子蜡烛，都没有主动检测周围环境的功能，不能根据周围环境的实际需要主动打开电子蜡烛。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，能够摄像机检测是否有人存在并对人脸进行检测，根据人脸检测的情况主动打开蜡烛。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，所述电子蜡烛包括蜡烛本体、红外热感应器、摄像机和主控电路；
步骤1：系统初始化步骤；建立人脸特征与亮灯风格的数据库；该数据库中，人脸特征与亮灯风格存在对应关系；
步骤2：系统待机步骤；红外热感应器监测环境温度，监测是否有人进入预定区域；若检测不到有人进入预定区域的信号，则系统返回步骤2，继续保持待机状态；
步骤3：摄像机启动步骤；当监测到有人进入预定区域，主控电路发送控制信号给摄像机，启动摄像机；
步骤4：人脸捕捉步骤；摄像机进入人脸捕捉模式，检测是否存在人脸；
步骤5：人脸拍摄步骤；若检测到人脸存在，则拍摄人脸图像；若检测不到人脸存在，则判断为干扰，关闭摄像机，返回步骤2；
步骤6：人脸对比步骤；将拍摄到的人脸图像的人脸特征与数据库中的人脸特征进行对比和匹配；
步骤7：若在数据库中匹配到人脸特征，则按照该人脸特征对应的亮灯风格，打开电子蜡烛；
步骤8：若在数据库中匹配不到对应的人脸特征，则以常规方式打开电子蜡烛。
所述步骤1中，系统初始化步骤包括如下步骤：
步骤101：拍摄不同角度人脸图像；
步骤102：对每张人脸图像进行特征提取；
步骤103：存储所提取的人脸特征。
步骤104：对人脸特征进行分类。
所述步骤101中，不同角度人脸图像包括五个角度图像，分别为正脸、左30°、右30°、抬头30°以及低头30°。
所述步骤102中，对人脸特征进行特征提取的方法包括方向梯度直方图特征的提取和局部二值模式特征的提取。
所述步骤2中，系统待机步骤包括：
步骤201：红外热感应器监测环境温度，若半小时环境温度无变化，则重新拍摄新环境背景图像；
步骤202：将拍摄的新环境背景图像与系统内存储的当前的旧环境背景图像进行对比，判断是否需要切换环境背景图像；
步骤203：如果需要切换环境背景图像，则直接将拍摄的新环境背景图像替换系统内存储的当前的旧环境背景图像，或者采用权重计算的方法计算新环境背景图像，将计算获得的新环境背景图像替换系统内存储的当前的旧环境背景图像。
所述步骤202中，将拍摄的新环境背景图像Icurrent与系统内存储的当前的旧环境背景图像Iold进行对比的步骤包括：
步骤2021：计算拍摄的新环境背景图像与系统内存储的当前的旧环境背景图像的各对应像素位置的像素值变化率γ；
步骤2022：若对应像素位置的像素值变化率超过指定的变化率阈值，则判定该像素位置发生变化。
步骤2023：统计所有发生变化的像素位置的个数，判断发生变化的像素位置的个数在整幅图像的像素位置的个数中的占有比例，占有比例超过预定的比例阈值，即判断环境发生变化，则需要切换环境背景图像，执行步骤203。
所述步骤2021中，计算各对应像素位置像素值变化率γ的公式如下：
公式(1)中，pixelcurrent表示拍摄的新环境背景图像Icurrent的某一像素位置P的像素值；pixelold表示系统内存储的当前的旧环境背景图像Iold中与像素位置P对应的像素位置P′的像素值。
所述步骤203中，采用权重计算的方法计算新环境背景图像的公式如下：
Inew＝α*Icurrent+(1-α)*Iold (2)；
公式(2)中，Inew表示计算获得的新环境背景图像，Icurrent表示拍摄的新环境背景图像，Iold表示系统内存储的当前的旧环境背景图像，α为权重因子。
所述步骤4中，检测是否存在人脸的公式如下：
Δ＝|Icurrent-Ibackground| (3)；
公式(3)中，Icurrent表示拍摄的新环境背景图像，Ibackground表示系统待机状态时系统内部存储的背景图像，△表示Icurrent中某一像素位置P的像素值和Ibackground中与像素位置P对应的像素位置P′的像素值的差值的绝对值；
当△超过50个像素值时，即判断该位置可能存在人脸，将Icurrent中的像素位置P的判断值设定为255；
对Icurrent留取判断值为255的所有像素位置，将判断值为255的所有像素位置构成的图像区域确定为人脸出现区域。
采用本发明的方案的有益效果是：
本发明涉及一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，电子蜡烛包括蜡烛本体、红外热感应器、摄像机和主控电路。控制方法中，先建立人脸特征与亮灯风格的数据库；红外热感应器感应到有人后启动摄像机；摄像机拍摄人脸图像，并将人脸图像发送给主控电路，主控电路将拍摄到的人脸图像的人脸特征与数据库中的人脸特征进行对比和匹配，则按照该人脸特征对应的亮灯风格，打开电子蜡烛。
1、本发明中，在数据库中预先设定人脸特征和该人脸特征相对应的亮灯风格。比如儿童的人脸，对应儿童的亮灯风格，发出较为柔和的光或者动态的光，或者发出儿童喜欢的具有色彩的灯光。对于成人的人脸，发出亮度相对较大的稳定亮光。如此，可根据不同的人的选择，发出不同风格的亮光。
2、通过红外热感应器监测环境温度变化，对人的活动进行感应，并通过摄像机拍摄人脸的图像。如此，可判断是否真的有人活动，再根据判断结果确定是否进行下一步的人脸对比。若是有宠物的活动，灯光不会自动打开，能够节约电力。
3、通过摄像机进行背景切换，当蜡烛移动后或者房间内的摆设发生移动后，系统依然能够准确地进行人脸识别，不会因为环境的变化做出误判，从而提高了系统的适应能力。利用背景图像与动态图像比较，快速定位人脸区域，比传统检测方法快捷，高效。
本发明的电子蜡烛控制方法，具有能够摄像机检测是否有人存在并对人脸进行检测、根据人脸检测的情况主动打开蜡烛、适应能力强等优点。
附图说明
图1为本发明的电子蜡烛的控制过程示意图。
图2为电子蜡烛的系统初始化步骤的控制过程示意图。
图3为电子蜡烛的系统待机步骤的控制过程示意图。
图4为电子蜡烛的工作过程的控制示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-4所示，本发明的基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述电子蜡烛包括蜡烛本体、红外热感应器、摄像机和主控电路；
步骤1：系统初始化步骤；建立人脸特征与亮灯风格的数据库；该数据库中，人脸特征与亮灯风格存在对应关系；
步骤2：系统待机步骤；红外热感应器监测环境温度，监测是否有人进入预定区域；若检测不到有人进入预定区域的信号，则系统返回步骤2，继续保持待机状态；
步骤3：摄像机启动步骤；当监测到有人进入预定区域，主控电路发送控制信号给摄像机，启动摄像机；
步骤4：人脸捕捉步骤；摄像机进入人脸捕捉模式，检测是否存在人脸；
步骤5：人脸拍摄步骤；若检测到人脸存在，则拍摄人脸图像；若检测不到人脸存在，则判断为干扰，关闭摄像机，返回步骤2；
步骤6：人脸对比步骤；将拍摄到的人脸图像的人脸特征与数据库中的人脸特征进行对比和匹配；
步骤7：若在数据库中匹配到人脸特征，则按照该人脸特征对应的亮灯风格，打开电子蜡烛；
步骤8：若在数据库中匹配不到对应的人脸特征，则以常规方式打开电子蜡烛。如果未检测到人脸，需要用手动的方式或者遥控器的方式打开。具体实施时，即使是没有检测到人脸，灯也照样可以通过手动或者遥控的方式点亮，只不过是以常规方式打开，没有相应的人脸识别后对应的亮灯风格。通过如此设计，能够避免因为其它活物，比如宠物干扰，导致灯异常打开，浪费电能。
所述步骤1中，系统初始化步骤包括如下步骤：
步骤101：拍摄不同角度人脸图像；
步骤102：对每张人脸图像进行特征提取；
步骤103：存储所提取的人脸特征；所提取的人脸特征，以备在后续分类训练模块需要。尽管最终使用时，很可能不需要使用这些特征点，但后续会有不同人脸图像录入，均需对系统重新训练，此时就需要之前人脸特征值。
步骤104：对人脸特征进行分类。
系统运行在电子蜡烛小计算平台上，无法进行复杂高速运算，所以，使用轻量级的支持向量机(Support Vector Machine,简称SVM)，作为人脸分类的分类器。
所述步骤101中，不同角度人脸图像包括五个角度图像，分别为正脸、左30°、右30°、抬头30°以及低头30°。
所述步骤102中，对人脸特征进行特征提取的方法包括方向梯度直方图特征的提取和局部二值模式特征的提取。方向梯度直方图特征(Histogram of Oriented Gradient,简称HOG)，提取局部区域的梯度与边缘方向；局部二值模式特征(Local Binary Pattern,简称LBP)，描述图像局部纹理特征，具有旋转不变性与灰度不变性特定。
所述步骤2中，系统待机步骤包括：
步骤201：红外热感应器监测环境温度，若半小时环境温度无变化，则重新拍摄新环境背景图像；
步骤202：将拍摄的新环境背景图像与系统内存储的当前的旧环境背景图像进行对比，判断是否需要切换环境背景图像；
步骤203：如果需要切换环境背景图像，则直接将拍摄的新环境背景图像替换系统内存储的当前的旧环境背景图像，或者采用权重计算的方法计算新环境背景图像，将计算获得的新环境背景图像替换系统内存储的当前的旧环境背景图像。
判断是否切换背景，主要区分蜡烛移动位置，或者环境发生较大变化。比如，物品置换、移动，或者直接换一个场景。
所述步骤202中，将拍摄的新环境背景图像Icurrent与系统内存储的当前的旧环境背景图像Iold进行对比的步骤包括：
步骤2021：计算拍摄的新环境背景图像与系统内存储的当前的旧环境背景图像的各对应像素位置的像素值变化率γ；
步骤2022：若对应像素位置的像素值变化率超过指定的变化率阈值，则判定该像素位置发生变化；所述指定的变化率阈值，预先设定的范围为0.15-0.3之间，优选值为0.2。
步骤2023：统计所有发生变化的像素位置的个数，判断发生变化的像素位置的个数在整幅图像的像素位置的个数中的占有比例，占有比例超过预定的比例阈值，即判断环境发生变化，则需要切换环境背景图像，执行步骤203。所述预定的比例阈值，预先设定的范围为0.2-0.5之间，优选值为0.3。
所述步骤2021中，计算各对应像素位置像素值变化率γ的公式如下：
公式(1)中，pixelcurrent表示拍摄的新环境背景图像Icurrent的某一像素位置P的像素值；pixelold表示系统内存储的当前的旧环境背景图像Iold中与像素位置P对应的像素位置P′的像素值。
所述步骤203中，采用权重计算的方法计算新环境背景图像的公式如下：
Inew＝α*Icurrent+(1-α)*Iold (2)；
公式(2)中，Inew表示计算获得的新环境背景图像，Icurrent表示拍摄的新环境背景图像，Iold表示系统内存储的当前的旧环境背景图像，α为权重因子。权重因子α的取值区间设置为0.8～0.95。
所述步骤4中，检测是否存在人脸的公式如下：
Δ＝|Icurrent-Ibackground| (3)；
公式(3)中，Icurrent表示拍摄的新环境背景图像，Ibackground表示系统待机状态时系统内部存储的背景图像，△表示Icurrent中某一像素位置P的像素值和Ibackground中与像素位置P对应的像素位置P′的像素值的差值的绝对值；
当△超过50个像素值时，即判断该位置可能存在人脸，将Icurrent中的像素位置P的判断值设定为255；
对Icurrent留取判断值为255的所有像素位置，将判断值为255的所有像素位置构成的图像区域确定为人脸出现区域。
本发明的控制方法中，通过将当前图像Icurrent与背景图像Ibackground比较的方式，获取人脸区域。
本发明的基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，一旦有人进入原先静止的环境，红外热感应器会检测到环境温度变化，红外热感应器将检测信号发给主控电路，由主控电路发出控制信号，触发摄像机拍照。
此时，摄像机立刻从待机模式进入到工作模式，检测是否存在人脸。
当△阈值超过50个像素值时，即判断该位置可能存在人脸，设置该位置的判断值为255。
对上述判断结果图，进行开闭运算，平滑计算结果中噪声干扰区域。
对当前图像Icurrent只留取判断值为255的区域，人脸出现在这些候选区域。
计算人脸特征与系统预设模块特征对应，同样适用HOG与LBP特征点。
注意此处，只对候选图像区域进行人脸检测；这样做可以提高特征检测效率，同时排除背景区域相似特征干扰。
训练之后的分类器，与系统预设部分对应。推荐使用SVM分类器，以减小计算量，提高系统的判断速度。
采用本发明的电子蜡烛，用户能够根据不同人物对灯光不同风格喜好，可以进行定制设计。
摄像机用来拍摄环境图像，通过控制系统进行控制；一旦人脸检测完成，摄像机模块关闭，节约功耗。
系统的控制模块，从控制功能上，可以分为三个子控制模块：系统初始设置模块、系统待机模块和系统工作模块。三个子控制模块相互独立而又相互依赖，形成一个完整的立体控制体系。
系统初始设置模块：录入人脸图像以及习惯的亮灯闪灯风格。
系统待机模块：在非工作状态，系统拍摄背景环境，一旦有人进入环境可以将当前环境与背景环境对比，提高检测定位人脸位置速度与准确率。
系统工作模块：首先，检测并定位人脸位置；然后，对人脸进行特征点检测；再然后，与系统初始设置存储人脸库进行比对；最后选择对应的亮灯方案。
本发明的电子蜡烛的控制系统，利用红外热感应监测系统环境温度变化，一旦出现异常温度，发现环境中有人出现时，触发摄像机工作；因此，无需一直打开摄像机，降低系统功耗，提高使用时长。由于着重考虑了实际使用过程中的功耗情况，相比控制室内灯光，电子蜡烛通常使用电池供电，为了提高产品使用周期，该方案也利用红外热感应降低功耗。
另外，利用红外热感应，可以避免将环境中包含的人脸照片，误识别有人进入该场景，从而误触发系统工作。
本发明的电子蜡烛，无需人工介入系统设置，完全由电子蜡烛自主驱动，比现有市场的常用电子蜡烛的操作体验更好，具有良好的使用便捷性，产品科技含量高，能够提升品牌价值，提高用户的生活品质。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述电子蜡烛包括蜡烛本体、红外热感应器、摄像机和主控电路；
步骤1：系统初始化步骤；建立人脸特征与亮灯风格的数据库；该数据库中，人脸特征与亮灯风格存在对应关系；
步骤2：系统待机步骤；红外热感应器监测环境温度，监测是否有人进入预定区域；
步骤3：摄像机启动步骤；当监测到有人进入预定区域，主控电路发送控制信号给摄像机，启动摄像机；
步骤4：人脸捕捉步骤；摄像机进入人脸捕捉模式，检测是否存在人脸；
步骤5：人脸拍摄步骤；若检测到人脸存在，则拍摄人脸图像；
步骤6：人脸对比步骤；将拍摄到的人脸图像的人脸特征与数据库中的人脸特征进行对比和匹配；
步骤7：若在数据库中匹配到人脸特征，则按照该人脸特征对应的亮灯风格，打开电子蜡烛；
步骤8：若在数据库中匹配不到对应的人脸特征，则以常规方式打开电子蜡烛。
2.根据权利要求1所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤1中，系统初始化步骤包括如下步骤：
步骤101：拍摄不同角度人脸图像；
步骤102：对每张人脸图像进行特征提取；
步骤103：存储所提取的人脸特征；
步骤104：对人脸特征进行分类。
3.根据权利要求2所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤101中，不同角度人脸图像包括五个角度图像，分别为正脸、左30°、右30°、抬头30°以及低头30°。
4.根据权利要求2所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤102中，对人脸特征进行特征提取的方法包括方向梯度直方图特征的提取和局部二值模式特征的提取。
5.根据权利要求1所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤2中，系统待机步骤包括：
步骤201：红外热感应器监测环境温度，若半小时环境温度无变化，则重新拍摄新环境背景图像；
步骤202：将拍摄的新环境背景图像与系统内存储的当前的旧环境背景图像进行对比，判断是否需要切换环境背景图像；
步骤203：如果需要切换环境背景图像，则直接将拍摄的新环境背景图像替换系统内存储的当前的旧环境背景图像，或者采用权重计算的方法计算新环境背景图像，将计算获得的新环境背景图像替换系统内存储的当前的旧环境背景图像。
6.根据权利要求5所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤202中，将拍摄的新环境背景图像Icurrent与系统内存储的当前的旧环境背景图像Iold进行对比的步骤包括：
步骤2021：计算拍摄的新环境背景图像与系统内存储的当前的旧环境背景图像的各对应像素位置的像素值变化率γ；
步骤2022：若对应像素位置的像素值变化率超过指定的变化率阈值，则判定该像素位置发生变化；
步骤2023：统计所有发生变化的像素位置的个数，判断发生变化的像素位置的个数在整幅图像的像素位置的个数中的占有比例，占有比例超过预定的比例阈值，即判断环境发生变化，则需要切换环境背景图像，执行步骤203。
7.根据权利要求6所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤2021中，计算各对应像素位置像素值变化率γ的公式如下：
公式(1)中，pixelcurrent表示拍摄的新环境背景图像Icurrent的某一像素位置P的像素值；pixelold表示系统内存储的当前的旧环境背景图像Iold中与像素位置P对应的像素位置P′的像素值。
8.根据权利要求5所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤203中，采用权重计算的方法计算新环境背景图像的公式如下：
Inew＝α*Icurrent+(1-α)*Iold (2)；
公式(2)中，Inew表示计算获得的新环境背景图像，Icurrent表示拍摄的新环境背景图像，Iold表示系统内存储的当前的旧环境背景图像，α为权重因子。
9.根据权利要求1所述的一种基于人脸检测的电子蜡烛控制方法，其特征在于：所述步骤4中，检测是否存在人脸的公式如下：
Δ＝|Icurrent-Ibackground| (3)；
公式(3)中，Icurrent表示拍摄的新环境背景图像，Ibackqround表示系统待机状态时系统内部存储的背景图像，Δ表示Icurrent中某一像素位置P的像素值和Ibackground中与像素位置P对应的像素位置P′的像素值的差值的绝对值；
当Δ超过50个像素值时，即判断该位置可能存在人脸，将Icurrent中的像素位置P的判断值设定为255；
对Icurrent留取判断值为255的所有像素位置，将判断值为255的所有像素位置构成的图像区域确定为人脸出现区域。
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