CN111954355B - 一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，拍摄多幅手掌图像，并对每一幅的手掌图像进行处理，获得每一幅的手掌图像的手掌轮廓图；对上述手掌轮廓图进行处理，获得掌心位置；根据连续拍摄的手掌图像的掌心位置，判断手掌的运动方向；根据手掌的运动方向，产生控制信号，对灯光的亮度进行调节。本发明的灯光照明亮度调节方法，具有算法复杂度低、硬件结构简单且可小型化、适宜于小型灯具等优点。
Description
技术领域
本发明涉及照明装置技术领域，特别涉及一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法。
背景技术
现代灯具包括家居照明、商业照明、工业照明、道路照明、景观照明和特种照明等。其中，家居照明从电的诞生出现了最早的白炽灯泡，后来发展到荧光灯管，再到后来的节能灯、卤素灯、卤钨灯、气体放电灯和LED特殊材料的照明等等，所有的照明灯具大多还是在这些光源的发展下而发展，如从电灯座到荧光灯支架到各类工艺灯饰等。随着智能控制技术的发展，现代灯具的控制方式，也从原始的接触式的控制方式，转化为非接触式的控制方式。电子蜡烛灯(Electonic Candle light)，是一种模拟蜡烛的外形做出的灯具，广泛用于生日晚会、元宵灯会、中秋灯会、西方的圣诞节、万圣节灯等各种场合。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。
申请号为201410200115.5的中国发明专利公开了《一种基于手势与语音控制的智能LED台灯及其控制方法》，智能LED台灯的整体控制结构由传感器模块、电源模块、LED矩阵和控制模块组成，传感器模块包括驻极体拾音器、手势传感器模块、人体红外感传感器、亮度传感器。驻极体拾音器和亮度传感器位于支架前方，LED矩阵位于灯头下方，手势传感器模块和人体红外感传感器位于灯头前方。该发明中，照亮亮度可通过语音控制，也可通过手势的动作控制。但是，该发明中，通过手势控制灯具亮度的方案中，电路结构非常复杂导致其控制模块的整体结构体积大，而且手势识别控制算法需要识别手指细节动作，再执行相关控制操作，要求在近景场景中操作，在远景中识别容易失败，能够适用于体积较大的灯具。但是，不适用于蜡烛灯、小夜灯等体积较小的微型灯具。
申请号为201110133098.4的中国发明专利公开了《一种基于手势识别的智能开关》，包括电源电路、射频收发电路、电容触摸控制电路、单片机控制电路和手势识别电路；单片机控制电路用于操作判断、模式转换，并根据手势和电容触摸控制电路的判别结果控制开关的导通和关闭；电容触摸电路用于感应手指按压和滑动的动作；手势识别电路用于通过LED发射红外光并且根据光电接收传感器接收的红外光顺序和光线强弱来判定手势方向和距离；射频收发电路用于将单片机控制电路根据手势识别结果做出的导通或者关闭指令发给开关驱动器。该发明也存在电路结构非常复杂和算法比较复杂的问题，不适于蜡烛灯、小夜灯等体积较小的微型灯具。
以上几种通过手势控制灯具亮度的方案中，都存在电路结构复杂、体积较大、算法复杂需要较强的计算功能、功耗大、无法支持电子蜡烛等小灯具的长时间工作等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，能够通过较为简单的算法实现通过手势控制灯具亮度的调节、适宜于小型灯具。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，包括如下步骤：
步骤1：拍摄多幅手掌图像，并对每一幅的手掌图像进行处理，获得每一幅的手掌图像的手掌轮廓图；
步骤2：对上述手掌轮廓图进行处理，获得掌心位置；
步骤3：根据连续拍摄的手掌图像的掌心位置，判断手掌的运动方向；
步骤4：根据手掌的运动方向，产生控制信号，对灯光的亮度进行调节。
所述步骤1中，对每一幅的手掌图像进行处理的过程包括如下步骤：
步骤101：肤色检测步骤；
步骤102：轮廓检测步骤；
步骤103：干扰区域去除步骤；
步骤104：获得手掌轮廓图。
所述步骤101的肤色检测步骤包括如下步骤：
步骤1011：获取图像的RGB颜色模型，并将RGB颜色模型转化为HSV颜色空间，计算获得HSV颜色空间的参数：色调H、饱和度S和明度V；
步骤1012：确定HSV颜色空间的肤色选择区间。
所述步骤1011包括如下步骤：
步骤10111：将RGB颜色模型的R通道值、G通道值和B通道值转为0～1区间的数值，R通道值、G通道值和B通道值转换后的数值分别为R′、G′和B′；
步骤10112：计算色调值H；
步骤10113：计算饱和度S；
步骤10114：计算明度V。
所述步骤10111中，R′＝R/255；G′＝G/255；B′＝B/255。
所述步骤10112中，色调值H的计算公式为：
公式中，Cmax＝max(R',G',B')，Cmin＝min(R',G',B')，△＝Cmax-Cmin；
所述步骤10113中，饱和度S的计算公式为：
所述步骤10114中，明度V的计算公式为：V＝Cmax。
其中，Cmax＝max(R',G',B')，Cmin＝min(R',G',B')，△＝Cmax-Cmin。
所述步骤1012中，肤色选择区间确定为：
-20°＜＜H＜＜20°
0.12＜＜S＜＜0.59
0.24＜＜V＜＜1
所述步骤102的轮廓检测步骤中，使用OpenCV的cvFindContours函数提取手部轮廓。
所述步骤103的干扰区域去除步骤包括如下步骤：
步骤1031：计算轮廓内部面积以及一阶矩(轮廓中心位置)；
步骤1032：去除轮廓面积小于50的轮廓，剩余轮廓只留两个面积最大的轮廓；
步骤1033：通过轮廓中心信息，将包含小轮廓的大轮廓去除，可能两个轮廓均去除，即没有检测到手掌，最后剩下的轮廓就是手。
采用本发明的方案的有益效果是：
本发明涉及一种基于手掌动作检测的灯光照明亮度调节方法，拍摄多幅手掌图像，并对每一幅的手掌图像进行处理，获得每一幅的手掌图像的手掌轮廓图；对上述手掌轮廓图进行处理，获得掌心位置；根据连续拍摄的手掌图像的掌心位置，判断手掌的运动方向；根据手掌的运动方向，产生控制信号，对灯光的亮度进行调节。
本发明的灯光亮度调节方法
1、算法比较简单，降低了算法复杂度，使用掌心位置移动进行亮度调节。
2、不依赖外部训练数据，系统实现简单。手掌控制方式脱离传统手势识别控制，硬件结构简单，功耗低。
3、掌心的检测简单、稳定，计算资源需求很低。
4、掌心检测相比手势检测范围更大，拓宽了电子蜡烛等小型灯具的控制范围。
本发明的灯光照明亮度调节方法，具有算法复杂度低、硬件结构简单且可小型化、适宜于小型灯具等优点。
附图说明
图1为本发明的灯光亮度调节方法的硬件模块示意图。
图2为本发明的灯光亮度调节方法的亮度控制过程示意图。
图3为本发明的灯光亮度调节方法的掌心检测过程示意图。
图4为本发明的灯光亮度调节方法的手掌轮廓示意图。
图5为本发明的灯光亮度调节方法的待检测掌心位置的二值图。
图6为图5的掌心位置的检测结果图，图中黑点为掌心。
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1-6所示，一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，包括如下步骤：
步骤1：拍摄多幅手掌图像，并对每一幅的手掌图像进行处理，获得每一幅的手掌图像的手掌轮廓图；
步骤2：对上述手掌轮廓图进行处理，获得掌心位置；
步骤3：根据连续拍摄的手掌图像的掌心位置，判断手掌的运动方向；
步骤4：根据手掌的运动方向，产生控制信号，对灯光的亮度进行调节。
所述步骤1中，对每一幅的手掌图像进行处理的过程包括如下步骤：
步骤101：肤色检测步骤；
步骤102：轮廓检测步骤；
步骤103：干扰区域去除步骤；
步骤104：获得手掌轮廓图。
所述步骤101的肤色检测步骤包括如下步骤：
步骤1011：获取图像的RGB颜色模型，并将RGB颜色模型转化为HSV颜色空间，计算获得HSV颜色空间的参数：色调H、饱和度S和明度V；
步骤1012：确定HSV颜色空间的肤色选择区间。
所述步骤1011包括如下步骤：
步骤10111：将RGB颜色模型的R通道值、G通道值和B通道值转为0～1区间的数值，R通道值、G通道值和B通道值转换后的数值分别为R′、G′和B′；
步骤10112：计算色调值H；
步骤10113：计算饱和度S；
步骤10114：计算明度V。
所述步骤10111中，R′＝R/255；G′＝G/255；B′＝B/255。
所述步骤10112中，色调值H的计算公式为：
公式中，Cmax＝max(R',G',B')，Cmin＝min(R',G',B')，△＝Cmax-Cmin；
所述步骤10113中，饱和度S的计算公式为：
所述步骤10114中，明度V的计算公式为：V＝Cmax。
其中，Cmax＝max(R',G',B')，Cmin＝min(R',G',B')，△＝Cmax-Cmin。
所述步骤1012中，肤色选择区间确定为：
-20°＜＜H＜＜20°
0.12＜＜S＜＜0.59
0.24＜＜V＜＜1。
该肤色区间参数只是参考值，实际使用过程中由于各相机内部ISP(image signalprocessor，图像信号处理器)处理算法不同，导致颜色恢复存在些许差异，要达到最佳效果，该参数需要根据不同摄像头成像效果进行调节。
所述步骤102的轮廓检测步骤中，使用OpenCV的cvFindContours函数提取手部轮廓。用于后续去除由噪声干扰产生的小面积轮廓；人脸肤色与手肤色相近产生的干扰，但由于人脸轮廓内部有眼睛、嘴巴和鼻孔，从而可以区域人脸区域干扰。
所述步骤103的干扰区域去除步骤包括如下步骤：
步骤1031：计算轮廓内部面积以及一阶矩(轮廓中心位置)；
步骤1032：去除轮廓面积小于50的轮廓，剩余轮廓只留两个面积最大的轮廓；
步骤1033：通过轮廓中心信息，将包含小轮廓的大轮廓去除，可能两个轮廓均去除，即没有检测到手掌，最后剩下的轮廓就是手。
本发明的控制方法中，掌心位置计算采用距离转换图算法(Distance TransformImage),即计算二值图像中，每个非零像素到边缘的最近值，如下表1。
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表1
表1表示一个简单的二值图像，下表2是利用距离转换图算法，表1的获取结果。
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 2 | 3 | 3 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 2 | 3 | 3 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表2
在距离转换图中，距离最大值就是最终要找的掌心位置。图5-6是一个实际手掌检测效果示意图。图5是待检测掌心位置二值图，图6是根据距离转换图获得的掌心检测结果图，其中黑色点就是掌心检测位置。
本发明的控制方法中，获取掌心位置后，根据连续掌心检测结果，判断掌心运动方向：如果向左，亮度减小；如果向右，亮度增强。
本发明中，只需要检测方向趋势，无需根据运动距离来调整亮度增强或者减弱的单位强度。采取这种措施，主要是因为：单相机检测，无法确定手掌离相机位置远近；离相机近，实际微小运动，在图像上会有较大运动幅度，反之亦然。人会根据实际需求，自动调整何时停止手势调节，内部无需做过多自动化处理。如此，可以减小算法的复杂度，减少计算量。
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 (4)
1.一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：拍摄多幅手掌图像，并对每一幅的手掌图像进行处理；过程包括如下步骤：
步骤101：肤色检测步骤；
步骤102：轮廓检测步骤；
步骤103：干扰区域去除步骤；
步骤104：获得手掌轮廓图；
其中，所述步骤101的肤色检测步骤包括如下步骤：
步骤1011：获取图像的RGB颜色模型，并将RGB颜色模型转化为HSV颜色空间，计算获得HSV颜色空间的参数：色调H、饱和度S和明度V；
步骤1012：确定HSV颜色空间的肤色选择区间；
其中,所述步骤1011包括如下步骤：
步骤10111：将RGB颜色模型的R通道值、G通道值和B通道值转为0～1区间的数值，R通道值、G通道值和B通道值转换后的数值分别为R′、G′和B′；
R′＝R/255；G′＝G/255；B′＝B/255；
步骤10112：计算色调值H；
公式中，Cmax＝max(R',G',B')，Cmin＝min(R',G',B')，△＝Cmax-Cmin；
步骤10113：计算饱和度S；
△＝Cmax-Cmin；
步骤10114：计算明度V；
V＝Cmax；
步骤2：对上述手掌轮廓图进行处理，获得掌心位置；
步骤3：根据连续拍摄的手掌图像的掌心位置，判断手掌的运动方向；
步骤4：根据手掌的运动方向，产生控制信号，对灯光的亮度进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，其特征在于：所述步骤1012中，肤色选择区间确定为：
-20°<<H<<20°
0.12<<S<<0.59
0.24<<V<<1 。
3.根据权利要求1所述的一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，其特征在于：所述步骤102的轮廓检测步骤中，使用OpenCV的cvFindContours函数提取手部轮廓。
4.根据权利要求1所述的一种基于手掌动作检测的灯光亮度调节方法，其特征在于：所述步骤103的干扰区域去除步骤包括如下步骤：
步骤1031：计算轮廓内部面积以及一阶矩；
步骤1032：去除轮廓面积小于50的轮廓，剩余轮廓只留两个面积最大的轮廓；
步骤1033：通过轮廓中心信息，将包含小轮廓的大轮廓去除，可能两个轮廓均去除，即没有检测到手掌，最后剩下的轮廓就是手。
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