CN204681652U - 基于表情模型识别的灯光调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于表情模型识别的灯光调节装置，其技术特点是：装置外壳的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，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，单片机通过驱动模块与多种色光灯相连接，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CCD传感器垂直旋转。本实用新型设计合理，能够使灯光颜色和强度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活和工作环境，调节用户心情。

Description

基于表情模型识别的灯光调节装置

技术领域

本实用新型属于自动化控制技术领域，尤其涉及一种基于表情模型识别的灯光调节装置。

背景技术

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、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。

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

本实用新型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调节装置，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。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于表情模型识别的灯光调节装置，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，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CCD传感器垂直旋转。

而且，所述图像采集模块包括CCD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。

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。

而且，所述驱动模块由多路驱动电路构成，每路驱动电路驱动相应的色光灯工作，每路驱动电路均由三极管连接构成。

而且，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。

而且，所述水平旋转电机、垂直旋转电机均为步进电机

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型通过图像采集模块能够拍摄用户的人脸图像并与情绪判断装置配合识别用户的面部图像，并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活和工作环境，调节用户心情。

2、本实用新型在人与机器之间建立了一条互通的途径，使得机器能够读懂人，使得照明系统与人有更强的交互能力，真正做到以人为中心。

附图说明

图1是本实用新型的外观结构示意图；

图2是本实用新型的智能调节系统连接示意图；

图3是表情识别装置内部的软件处理流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种基于表情模型识别的灯光调节装置，由装置外壳及其内部电路构成，如图1所示，所述装置外壳由底座6及支撑架7连接构成，在底座设有电源插孔4和USB插孔5分别用于连接外部电源和连接表情识别装置，电源插孔接受12伏直流电输入，USB插孔可以通过USB连接线连接到表情识别装置上；在底座的中部安装有水平旋转电机3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2且电机输出轴连接色光灯及CCD传感器1，CCD传感器设置在中心位置，色光灯均布设置在CCD传感器周围。色光灯包括白光灯、浅蓝色灯、柠檬色灯、橘黄色灯、粉红色灯等，每种色灯有两个，以摄像头为中心对称布置。垂直旋转电机用于控制色光灯及CCD传感器垂直摆动；水平旋转电机用于控制支撑架水平旋转，两台电机在内部电路的控制下可以自动调整摄像头方位，跟踪人脸位置，使得表情模型坐标系的原点尽可能对齐到图像的中心。

如图2所示，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，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和垂直旋转电机控制支撑架水平旋转、色光灯及CCD传感器垂直旋转。下面对调节装置的各个部分分别进行说明：

所述图像采集模块包括CCD传感器、CPLD模块和RAM存储器三部分。CCD传感器主要起光电转换作用，CPLD模块能够实时完成高速、高难度大数据量的图像数据采集。CPLD模块主要是采集CCD电荷的作用，通过CCD传感器采集来的人脸图像经CPLD模块暂存到RAM存储器，接收到传送信号后，由CPLD模块经单片机、传输模块传送给表情识别装置，表情识别装置经过一系列处理，最终分析出人脸的面部表情，再给单片机发送灯光控制信号，通过灯光驱动模块驱动色光灯工作。

所述的单片机是图像采集及灯光控制装置的硬件核心，在本实施例中，单片机采用的HT46F49E单片机，其分别与CPLD模块、传输模块和灯光驱动模块相连接。单片机控制CPLD模块进行采集图像，将采集来的图像传送给表情识别装置，经表情识别装置分析处理后，再将返回的灯光控制信号发送到灯光驱动模块。

所述的传输模块采用Wi-Fi模块或USB模块，单片机既可以通过Wi-Fi模块以无线方式连接到表情识别装置，也可以由USB模块以USB方式连接到表情识别装置，传输模块实现单片机与表情识别装置之间数据传输及灯光控制信号传输功能。

所述的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。单片机通过I/O端口(P0口)进行信号输出，控制相应的功率三极管，从而打开或关闭相应的色光灯。所述的色光灯包括白色灯、浅蓝色灯、柠檬色灯、橘黄色灯、粉红色灯，每个色光灯分别与相应的驱动电路相连接并在单片机的控制下工作。

所述垂直旋转电机和水平旋转电机均采用步进电机并在单片机的控制下控制色光灯及CCD传感器垂直旋转或控制支撑架水平旋转，用于调整CCD传感器及色光灯的方位。

本实用新型与表情识别装置结合在一起构成基于表情模型识别的灯光调节系统，通过相互配合实现基于表情模型识别的灯光智能调节功能。在本实施例中，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，能够实现对接收到的图像进行表情识别、发送控制信号的功能。表情识别装置一方面接收单片机传送的图像信息并对图像中的人像进行表情分析识别，另一方面根据分析的结果向单片机发出灯光控制信号控制各种色光灯的工作。如图3所示，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(图中左侧部分)和学习模块(图中右侧部分)组成，其中，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构成。人类情绪判别及灯光调节系统软件的各个模块的功能为：

系统控制模块在系统的运行中起到进程控制作用，该模块设有一个系统控制程序界面，可以由用户对系统运行模式进行控制操作。用户可以通过控制程序界面启动和停止自动表情识别、手动控制灯光、启动学习系统、恢复出厂设置等操作。在自动识别功能启动的情况下，系统控制模块将启动自动循环模块。而当用户通过控制程序启动学习模块时，自动循环模块将处于暂停状态，待学习模块运行完成后自动恢复运行。还可以将控制系统设为手动控制模式，可由用户通过控制程序进行灯光切换操作，系统灯光输出自动维持稳定状态。

图像采集模块是接收图像采集及灯光控制装置发来的图像并将其送入图像预处理模块。图像预处理模块是人脸表情分析中重要的准备步骤，输入图像因为设备性能、光照度等影响，往往存在有噪声、对比度不够等缺陷，此外，距离远近、焦距大小等又使得人脸在图像中的位置和大小不确定。在进行表征特征提取前，需要通过一定的方法进行处理，比如：图像复原、图像增强等方法，减轻由于原图片质量造成的识别率降低。人脸定位模块，用来分析当前图像中是否包含人脸，人脸图像中包含的模式特征十分丰富，如直方图特征、颜色特征、模板特征、结构特征及Haar特征等。人脸检测模块就是把其中有用的信息挑出来，并利用这些特征实现人脸检测，如果分析到人脸还需要进一部分析和标注人脸五官的关键位置点和人脸区域。在此基础上，对人脸数据进行缩放、矫正等操作，对人脸和关键点的数据进行标准化，由此使得人脸在同一的大小下进行比较。表情特征分析模块根据标准化后的关键点位置进行分析，和平静状态下人脸的表情数据进行对比，分析当前人脸的表情状态，通过分类模块得到人的表情。

表情特征分析基于一个标准表情模型库进行表情数据处理与分类。标准表情模型库是一个在学习系统的支持下，在用户的使用过程中不断细化和个性化的动态数据库。表情模型库中可包含平静、愉悦、悲伤、恐惧、惊讶、厌恶、愤怒等7种表情的模型数据。出于运行速度和优化的需要，可以首先预置平静、愉悦、悲伤、愤怒等几种使用率较高的表情模型。由于人的表情变化非常丰富，每种表情可以有多个模型数据与之相对应。表情特征分析模块接收由图像预处理模块传来的表情数据后，将其与标准表情模型库中的数据进行对比运算，按匹配度的最高值确定当前用户的表情，并向灯光控制模块发出控制信号，并由系统控制模块向图像采集及灯光控制装置发送，由图像采集及灯光控制装置通过灯光驱动模块驱动色光灯实现灯光的智能调节功能。如果由系统得出的表情与用户实际表情不符，则可以由用户调用系统的自学习模块，增加系统中的模型数据，由此不断提高系统的识别率。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于表情模型识别的灯光调节装置，由装置外壳及其内部电路构成，其特征在于：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，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CCD传感器垂直旋转。

2.根据权利要求1所述的基于表情模型识别的灯光调节装置，其特征在于：所述图像采集模块包括CCD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。

3.根据权利要求1所述的基于表情模型识别的灯光调节装置，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的基于表情模型识别的灯光调节装置，其特征在于：所述驱动模块由多路驱动电路构成，每路驱动电路驱动相应的色光灯工作，每路驱动电路均由三极管连接构成。

5.根据权利要求1所述的基于表情模型识别的灯光调节装置，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的基于表情模型识别的灯光调节装置，其特征在于：所述水平旋转电机、垂直旋转电机均为步进电机。