電致變色器件可見(jiàn)光識(shí)別融入系統(tǒng)

劉詩(shī)弘 樂(lè)子瑜 鄭榮宗

摘? 要： 針對(duì)可見(jiàn)光識(shí)別過(guò)程中單一攝像頭視角不足的問(wèn)題，本文將圖像拼接技術(shù)應(yīng)用到識(shí)別融入系統(tǒng)中，達(dá)到擴(kuò)大視域、增大識(shí)別范圍的目的，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像進(jìn)行特定顏色的識(shí)別。識(shí)別結(jié)果通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出對(duì)應(yīng)電壓值以驅(qū)動(dòng)電致變色器件變色，使其和背景顏色相融，完成可見(jiàn)光的識(shí)別融入。經(jīng)實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證，可見(jiàn)光識(shí)別融入系統(tǒng)性能良好、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 圖像拼接;顏色識(shí)別;驅(qū)動(dòng)電路;電致變色

【Abstract】： Single camera has insufficient view angle for object recognition. To solve the problem， this work applies image stitching to the recognition integration system to expend the view angle and recognition range. The stitching image is identified by specific colors and the recognition result outputs a corresponding voltage value through the driving circuit， thereby driving the electrochromic device to change its color and blending it into the background color. The robustness and the effectiveness of the method were demonstrated on various experiments.

【Key words】： Image stitching; Color recognition; Driving circuit; Electrochromic

0? 引言

可見(jiàn)光識(shí)別融入系統(tǒng)，是針對(duì)人眼、照相機(jī)、攝像頭等觀測(cè)手段采取的一種視覺(jué)圖像融入技術(shù)，其目的是使目標(biāo)的物體的反射率和背景環(huán)境的反射率一致[1]，從而在視覺(jué)上達(dá)到可見(jiàn)光的無(wú)差別融入，可以利用電致變色器件的變色性能實(shí)現(xiàn)這一要求。

電致變色是材料的光學(xué)屬性（反射率、透過(guò)率、吸收率等）在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。用電致變色材料做成的器件稱為電致變色器件[2-3]。目前電致變色器件的主要應(yīng)用在智能窗、汽車防眩后視鏡、飛機(jī)舷窗等領(lǐng)域[4]-[8]，但是這些都只是對(duì)電致變色進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)制。在電致變色器件應(yīng)用的基礎(chǔ)上，配合智能化設(shè)備的控制，可對(duì)電致變色器件進(jìn)行智能驅(qū)動(dòng)變色，使其與目標(biāo)所處的背景顏色融合。電致變色器件智能化調(diào)控具有重要的意義，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該方面的研究鮮有報(bào)道。

目前，已有文獻(xiàn)對(duì)周邊圖像顏色采集，但多使用的是單一信號(hào)傳感器[9][10]，對(duì)周圍環(huán)境顏色識(shí)別存在著一定的局限性。例如攝像頭視角的局限：通常來(lái)說(shuō)一個(gè)普通攝像頭識(shí)別角度范圍大概在80°到120°之間，這直接導(dǎo)致了圖像的檢測(cè)存在很大范圍的盲點(diǎn)區(qū)域;另外在對(duì)顏色的識(shí)別中，顏色空間的選取會(huì)直接影響到最后的識(shí)別效率。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種電致變色器件的可見(jiàn)光識(shí)別融入系統(tǒng)，以樹莓派（Raspberry Pi）為采集圖像的模塊，將兩個(gè)分辨率為480p、視角為120°的USB攝像頭連接在樹莓派的USB接口以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境圖像的精確采集，得到的圖像經(jīng)過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送給電腦PC進(jìn)行拼接，并基于HSV顏色空間進(jìn)行顏色識(shí)別，再將結(jié)果反饋給樹莓派，最后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，針對(duì)性的調(diào)控電致變色器件變色。該系統(tǒng)采用圖像拼接的方法，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，在對(duì)顏色識(shí)別時(shí)，將RGB彩色空間轉(zhuǎn)到HSV彩色空間進(jìn)行處理，這樣減小了來(lái)自顏色空間各個(gè)分量的影響，提高了識(shí)別精度，增加了系統(tǒng)的實(shí)用性。經(jīng)

實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該識(shí)別方法具有準(zhǔn)確率高，識(shí)別范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以很好的實(shí)現(xiàn)環(huán)境融入效果。

1? 圖像拼接的策略

圖像拼接的一般步驟包括輸入源圖像、對(duì)源圖像進(jìn)行預(yù)處理、源圖像序列進(jìn)行匹配、圖像融合、輸出目標(biāo)圖，其中對(duì)源圖像序列進(jìn)行匹配和圖像融合是最主要的技術(shù)難點(diǎn)。圖像拼接的一般步驟如圖1所示。

（1）源圖像進(jìn)行預(yù)處理：對(duì)輸入源圖像序列A、B進(jìn)行去噪，平滑濾波[11]。

2? 顏色識(shí)別方法

2.1? 彩色空間

由于采用不同的彩色空間對(duì)目標(biāo)識(shí)別有一定 的影響，所以選擇一個(gè)合適的彩色空間對(duì)本文的顏色識(shí)別有著重要的作用，常見(jiàn)的彩色空間有RGB，HSV等。

RGB彩色空間是最常用的彩色空間，由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三個(gè)分量組成，通常以圖解方式顯示為一個(gè)RGB彩色立方體。如圖3所示[15]，每個(gè)彩色像素是一個(gè)三值組，這三個(gè)值分別對(duì)應(yīng)一個(gè)特定空間位置處該RGB圖像的紅、綠和藍(lán)分量，但是R、G、B這三個(gè)分量具有高度相關(guān)性，這就意味著如果顏色亮度發(fā)生變化，所有三個(gè)分量也會(huì)隨著改變，因此不適合用于顏色分割。相對(duì)而言，HSV彩色空間更有利于對(duì)顏色的選擇。

HSV：是三個(gè)分量的簡(jiǎn)寫H為色調(diào)（hue），S為飽和度（saturation），V為明度（value）。色調(diào)（H）代表基本顏色，飽和度（S）是衡量顏色純度的指標(biāo)，明度（V）是表示灰度值的深淺。HSV的彩色空間可以用一個(gè)圓錐來(lái)表示，如圖4所示[15]，紅、綠、藍(lán)分別相隔120°，紅色對(duì)應(yīng)角度0°，綠色對(duì)應(yīng)角度120°;藍(lán)色對(duì)應(yīng)角度240°，互補(bǔ)色相隔180°。HSV彩色空間與RGB相比，更接近人的視覺(jué)系統(tǒng)感知彩色的方式，HSV空間也能更好的反映物體的顏色信息;甚至分割不同的顏色對(duì)象，也可以僅考慮色調(diào)（h）這個(gè)分量。結(jié)合本文的實(shí)際工作環(huán)境與影響的因素，我們采用HSV彩色空間作為顏色識(shí)別的處理空間。

2.3? 顏色識(shí)別處理

在圖片進(jìn)行顏色識(shí)別的階段中，先對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理操作[17-18]，進(jìn)一步提升識(shí)別精確，減小誤識(shí)別概率。對(duì)所采集到的圖像進(jìn)行中值濾波，減少背景區(qū)域的干擾，接著對(duì)目標(biāo)進(jìn)行形態(tài)學(xué)上的閉運(yùn)算和高斯濾波，排除目標(biāo)內(nèi)部的由于外界光照造成的光斑影響[19-20]。對(duì)需要檢測(cè)的特定顏色使用了用于顏色過(guò)濾的輪廓檢測(cè)算法。通過(guò)設(shè)置HSV過(guò)濾器的閾值完成顏色過(guò)濾，選出特定顏色的區(qū)域，其余區(qū)域進(jìn)行掩模處理。

3? 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖5所示，兩個(gè)480p的免驅(qū)攝像頭通過(guò)USB串行接口與樹莓派相連，樹莓

派通過(guò)以太網(wǎng)和電腦連接。由于樹莓派3B是基于ARM Cortex-A53 1.2 GHz四核CPU，處理圖像信息較慢，所以當(dāng)攝像頭對(duì)圖像完成采集之后，通過(guò)以太網(wǎng)上傳到PC端進(jìn)行處理。驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)樹莓派自帶的GPIO口來(lái)控制導(dǎo)通，電致變色器件與驅(qū)動(dòng)電路的輸出連接，樹莓派預(yù)先安裝Ubuntu 16.04 LTS操作系統(tǒng)，以此來(lái)配置一些有關(guān)攝像頭的和網(wǎng)絡(luò)的依賴項(xiàng)。

驅(qū)動(dòng)電致變色器件的電路如圖6所示，驅(qū)動(dòng)電路采用恒流源驅(qū)動(dòng)，主要放大器為OPA620，根據(jù)樹莓派接收到PC指令，對(duì)電致變色器件施加對(duì)應(yīng)的電壓，使其顏色變化為識(shí)別到的特定顏色，電路用軟件Altium Designer設(shè)計(jì)完成。

綜合以上的分析，我們提出整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖7所示。

4? 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證效果，我們拍攝了兩組帶有不同色塊的照片進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境為基于Windows 10操作系統(tǒng)的visual studio 2013以及opencv2.4.9環(huán)境，硬件配置是Intel i5 Gen2 內(nèi)存為8g RAM，實(shí)驗(yàn)效果如圖8和圖9所示。

在圖8和圖9中，對(duì)兩個(gè)攝像頭采集到的圖像序列進(jìn)行拼接，將圖片彩色空間轉(zhuǎn)換成HSV之后，對(duì)特定顏色進(jìn)行分割，當(dāng)檢測(cè)到特定顏色，將指令傳送給樹莓派，樹莓派給GPIO口通高電平，打開驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路給電致變色器件提供合適電壓，以此達(dá)到變色的目的。最終實(shí)驗(yàn)效果如圖10所示。

在圖10中，初始狀態(tài)（a）背景為黃色，電致變色器件不作任何變化，為原始色，當(dāng)PC端檢測(cè)到拼接后的圖像存在一片連續(xù)的綠色的時(shí)候，給樹莓派發(fā)送確認(rèn)信息，樹莓派接收到PC端的指令，GPIO口輸出高電平，打開驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路開始給電致變色器件供電，電致變色器件變色。觀察變色后的效果（b）（c）都達(dá)到了與背景顏色融入的效果。同理，黃色的變色過(guò)程一樣。由于電致變色器件的局限性，本文只對(duì)綠色、黃色進(jìn)行了識(shí)別。

5? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了智能化的電致變色控制響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于用樹莓派作為圖像傳輸和信號(hào)控制的媒介，利用兩個(gè)攝像頭采集周圍圖像，擴(kuò)大了視域和識(shí)別范圍，與單攝像頭定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)獲得圖像序列相比，提高了圖片采集的效率。在HSV彩色空間中，系統(tǒng)對(duì)特定顏色的識(shí)別，也具有較高的可行性和穩(wěn)定性。本文方法可進(jìn)一步擴(kuò)展到更多攝像頭，從而達(dá)到對(duì)周圍圖像360°全景采集，觀察范圍更廣，自動(dòng)化程度更高。

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