專利名稱：視覺(jué)傳感器參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種視覺(jué)傳感器參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，適用于安全監(jiān)控、智能交通、高清視頻會(huì)議、高清醫(yī)療視頻診斷、遠(yuǎn)程教育等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在普通的監(jiān)控?cái)z像機(jī)中，其采光前端的視覺(jué)傳感器一般都采用固定參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。對(duì)于高級(jí)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用多套固定參數(shù)以適應(yīng)各種情況。傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器參數(shù)設(shè)定采用人工設(shè)定和系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定相結(jié)合的方法。其輸入源有三類1.人眼識(shí)別，根據(jù)人眼判別，人工對(duì)視覺(jué)傳感器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法優(yōu)勢(shì)是調(diào)整的結(jié)果比較符合人眼的感覺(jué)。其缺點(diǎn)是無(wú)法滿足眾多人眼的需要。2.視覺(jué)傳感器收入，針對(duì)于手動(dòng)設(shè)定的缺點(diǎn)，視覺(jué)傳感器參數(shù)設(shè)定引入了一下自動(dòng)設(shè)定的功能。雖然這種自動(dòng)設(shè)定在一定程度上彌補(bǔ)了手工設(shè)定的不足，但對(duì)有些參數(shù)還不能進(jìn)行設(shè)定。3.系統(tǒng)時(shí)間輸入，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間變化，嵌入式系統(tǒng)CPU從視覺(jué)傳感器參數(shù)列表里選擇對(duì)應(yīng)時(shí)間下的參數(shù)設(shè)定。這些參數(shù)在不同的時(shí)間段根據(jù)光線預(yù)先調(diào)節(jié)好。這種解決方案比較適合外界光線條件比較可控情況下，如室內(nèi)情況。對(duì)于室外環(huán)境，固定時(shí)間采用固定參數(shù)則無(wú)法滿足。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提出的是一種視覺(jué)傳感器參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其目的在于在復(fù)雜環(huán)境下通過(guò)該系統(tǒng)來(lái)提高視覺(jué)傳感器的輸出質(zhì)量。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案其結(jié)構(gòu)是包括模糊控制器、輸入輸出接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象，其中檢測(cè)裝置的信號(hào)輸出端與輸入接口的信號(hào)輸入端相接，輸入接口的信號(hào)輸出端與模糊控制器的信號(hào)輸入端相接，模糊控制器的信號(hào)輸出端與輸出接口的信號(hào)輸入端相接，輸出接口的信號(hào)輸出端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸入端相接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸出端與控制對(duì)象的信號(hào)輸入端相接，控制對(duì)象的信號(hào)輸出端與檢測(cè)裝置的信號(hào)輸入端相接。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)可解決的問(wèn)題包括以下方面1.摒棄傳統(tǒng)解決方案對(duì)外界非光源信號(hào)的依賴，視覺(jué)傳感器參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制算法不采用人眼觀看、系統(tǒng)時(shí)間等不可靠因素。本方案的控制輸入部分完全來(lái)自視頻傳感器前端的光學(xué)輸入信號(hào)，如進(jìn)光量、對(duì)比度、色彩、色溫、色差、飽和度、背光等參數(shù)。這些輸入量完全是實(shí)時(shí)的、客觀的?；谶@些真實(shí)的參數(shù)是符合實(shí)時(shí)情況的。2.實(shí)現(xiàn)視覺(jué)傳感器參數(shù)的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制完全由嵌入式系統(tǒng)的中央處理器(CPU)完成。嵌入式系統(tǒng)根據(jù)輸入信號(hào)，實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和設(shè)定。 這種全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和原有的開(kāi)環(huán)控制(人眼設(shè)備輸入或系統(tǒng)時(shí)間輸入-嵌入式系統(tǒng)-視覺(jué)傳感器)有著本質(zhì)的區(qū)別；3.視頻傳感器參數(shù)的模糊計(jì)算嵌入式系統(tǒng)處理器對(duì)視頻傳感器的輸入?yún)?shù)進(jìn)行模糊化，然后經(jīng)過(guò)模糊控制器(推理機(jī)和知識(shí)庫(kù))得到視頻傳感器的設(shè)定參數(shù)。模糊控制器集成了人體心理視覺(jué)感知經(jīng)驗(yàn)，所以其輸出的結(jié)果符合大多數(shù)終端用戶的視覺(jué)要求；4.視頻傳感器的外界環(huán)境存在一定的不確定性，這正是視頻傳感器參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究對(duì)象。這里所謂的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素；5.視覺(jué)傳感器參數(shù)的設(shè)定速度快，參數(shù)調(diào)節(jié)和設(shè)定是實(shí)時(shí)的。這完全適應(yīng)外部環(huán)境的光線驟變，位置移動(dòng)等情況。嵌入式系統(tǒng)提供充足的系統(tǒng)資源(1GHz CPU運(yùn)行速度等)運(yùn)行模糊控制算法，確保視覺(jué)傳感器控制的實(shí)時(shí)性；6.質(zhì)量和效果最佳。視覺(jué)傳感器參數(shù)的設(shè)定是根據(jù)當(dāng)時(shí)傳感器的輸入?yún)?shù)通過(guò)模糊控制器的算法得出的。這個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算得到的參數(shù)使得傳感器得到最好的圖像質(zhì)量和效果。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是模糊控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是推理機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是一個(gè)雙輸入單輸出模糊控制器的例圖。圖5是視覺(jué)傳感器模糊控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。圖6是系統(tǒng)模糊控制器實(shí)現(xiàn)示意圖I。圖7是系統(tǒng)模糊控制器實(shí)現(xiàn)示意圖II。圖8是偏差曲線e(t)示意圖。圖9是參數(shù)自整定模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
對(duì)照附圖1，模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括模糊控制器、輸入輸出接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象，其中檢測(cè)裝置的信號(hào)輸出端與輸入接口的信號(hào)輸入端相接，輸入接口的信號(hào)輸出端與模糊控制器的信號(hào)輸入端相接，模糊控制器的信號(hào)輸出端與輸出接口的信號(hào)輸入端相接，輸出接口的信號(hào)輸出端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸入端相接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸出端與控制對(duì)象的信號(hào)輸入端相接，控制對(duì)象的信號(hào)輸出端與檢測(cè)裝置的信號(hào)輸入端相接。所述的控制對(duì)象，本系統(tǒng)的控制對(duì)象是視覺(jué)傳感器。該視覺(jué)傳感器是多變量的、非線性的、時(shí)變的、高階的、隨機(jī)的控制對(duì)象。對(duì)于視覺(jué)傳感器這樣的非線性和時(shí)變的對(duì)象很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以模糊控制策略是較為適宜的解決方案。所述的檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置包括傳感器和變送裝置(現(xiàn)有)，用于檢測(cè)各種非電量，如亮度、色溫、色差等，并變換放大為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置。本系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由視覺(jué)傳感器中的主電路及驅(qū)動(dòng)部分組成。所述的輸入輸出接口，輸入輸出接口是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的中央處理器與被控系統(tǒng)連接的橋梁。輸入接口與檢測(cè)裝置連接，把檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為中央控制器所能識(shí)別和處理的數(shù)字信號(hào)。輸出接口把中央控制器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的信號(hào)，該輸出信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控對(duì)象施加控制作用。在本系統(tǒng)中，輸入輸出接口都由標(biāo)準(zhǔn)的1 電路和其驅(qū)動(dòng)電路組成。所述的模糊控制器，模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，由ARM中央處理器和在其上面運(yùn)行的模糊控制軟件實(shí)現(xiàn)的。對(duì)照附圖2，模糊控制器由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和解模糊接口組成。其中知識(shí)庫(kù)的第一信號(hào)輸出端、第二信號(hào)輸出端、第三信號(hào)輸出端與糊化接口、推理機(jī)、解模糊接口的信號(hào)輸入端對(duì)應(yīng)相接，糊化接口的信號(hào)輸出端與推理機(jī)的信號(hào)輸入端相接，推理機(jī)的信號(hào)輸出端與解模糊接口的信號(hào)輸入端相接。所述的模糊化接口，是將模糊控制器由輸入通道得到的精確信號(hào)量轉(zhuǎn)化為推理機(jī)能接收的模糊量。所述的知識(shí)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中存放所有使用到的模糊子集的定義。在控制器推理過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。在模糊化接口和解模糊接口時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)也向它們提供相關(guān)論域的必要數(shù)據(jù)。規(guī)則庫(kù)存放模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則基于手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和該領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān)知識(shí)，是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè)知識(shí)模型。對(duì)照附圖3模糊控制器將被控對(duì)象的輸出值與設(shè)定值間的誤差記為輸入變量X和誤差變化率記為輸入變量Y，模糊控制器輸出變量記為Z。X、Y、Z的語(yǔ)言值的集合亦稱辭集，分別設(shè)為X :{Aii = 1,2, . . .m}那么模糊控制規(guī)則可以表達(dá)為若X是Al且Bl則Z是Cll否則若X是Al且B2則Z是C12否則若X是Al且&!則Z是Cln否則若X是A2且Bl貝IjZ是C21否貝Ij若X是A2且to則Z是C2n否則若X是Am且Bl則Z是Cml否則若X是Am且Bn貝丨J Z是Cmn否則(· 1)式(.1)所表示的規(guī)則，是一個(gè)用否則連接的多段模糊條件語(yǔ)句，共有mXn段，而每一段是用且連接前面條件的二維模糊推理語(yǔ)句。模糊關(guān)系ReF (X XYX Z)可以看成一個(gè)轉(zhuǎn)化器，當(dāng)輸入為A且B時(shí)，轉(zhuǎn)換輸出為 C。對(duì)于式(.1)這組模糊條件語(yǔ)句組成的多段模糊條件語(yǔ)句，其中每一段所表示的模糊關(guān)系為Rij = Rij ((Ai)且(Bj) Λ (Cij)) = Rij (A1, Bj, Cij) (· 2)總的模糊關(guān)系為
pmnK~ !J RiJ (Ai ,Bj，Q >
i = 1 j = 1若某一時(shí)刻的輸入為A’和B’，則輸出C’為C，= (A，XB，)· R (· 3)式(.3)就是模糊控制器采用的模糊推理的合成規(guī)則。各種推理算法都可依據(jù)規(guī)則庫(kù)由式(. 先求出模糊關(guān)系R，然后由式(. 進(jìn)行推理求得控制輸出。但是當(dāng)領(lǐng)域X， Y，Z含有較多元素時(shí)，R變得龐大，給存儲(chǔ)、計(jì)算帶來(lái)不便，因此本系統(tǒng)的模糊控制算法采用簡(jiǎn)捷的方法進(jìn)行合成運(yùn)算。解模糊接口與模糊化接口相反，解模糊是由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。[0045]中央控制器必須把從模糊推理中得到的控制作用轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接受的精確量。對(duì)照附圖4，查詢表是輸入論域上的點(diǎn)到輸出論域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是經(jīng)過(guò)了模糊化、 模糊推理和解模糊的過(guò)程，離線計(jì)算得到。模糊控制器在離線進(jìn)行時(shí)，只需查表就可以了， 從而大大加快了在線運(yùn)行速度。輸入量為誤差e和誤差的變化量ec。在每一個(gè)采樣時(shí)刻， 對(duì)輸入量e和ec進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，即誤差e乘以比例因子kl，誤差的變化量ec乘以比例因子 k2，然后進(jìn)行量化。將輸入的物理信號(hào)值轉(zhuǎn)換為輸入論域上的點(diǎn)，然后通過(guò)查詢表得到輸出論域上的點(diǎn)，再乘以比例因子k3進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，就得到輸出硬件接口所要求的物理量。對(duì)照附圖5，視覺(jué)傳感器模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)架包括視覺(jué)傳感器和ARM中央處理器、 模糊控制器、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)庫(kù)、控制算法、通訊協(xié)議。其中，視覺(jué)傳感器的信號(hào)輸出/輸入端與ARM中央處理器的信號(hào)輸入/輸出端對(duì)應(yīng)相接。ARM中央處理器采用的是以ARM9為核心的SoC芯片，其主頻可以運(yùn)行到500MHz。模糊控制器、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)庫(kù)、控制算法、通訊協(xié)議均在ARM中央處理器上實(shí)現(xiàn)。對(duì)照附圖6.確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)是建立模糊控制規(guī)則的必要前提，不同的結(jié)構(gòu)有不同形式的規(guī)則。選擇模糊控制器(FLC)的結(jié)構(gòu)形式，也應(yīng)該和人工控制經(jīng)驗(yàn)相適應(yīng)。 在本系統(tǒng)中，被控對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的要求是視覺(jué)傳感器設(shè)定和專家知識(shí)庫(kù)定值相符，即要求系統(tǒng)用多閉環(huán)反饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)視覺(jué)圖像輸出最佳。系統(tǒng)的模糊控制器是以被控量(亮度、對(duì)比度、色彩、飽和度、銳利度、伽瑪、白平衡、背光補(bǔ)償、電源頻率、曝光、聚焦)的誤差 E、誤差變化率EC和誤差的積分EI等為輸入，控制對(duì)象視覺(jué)傳感器設(shè)定為輸出。對(duì)照附圖7，系統(tǒng)中的模糊控制器是一個(gè)以被控變量的誤差和誤差變化為控制器的輸入，而以控制量的變化為控制器的輸出的單變量模糊控制器。圖中K1，K2，K3是模糊控制器的三個(gè)參數(shù)，分別是誤差的量化因子(比例作用的系數(shù))，誤差的變化的量化因子(微分作用的系數(shù))和控制量變化的比例因子(總的放大倍數(shù))，Κ1，Κ2增大，相當(dāng)于控制器的比例作用、微分作用增強(qiáng)，而Κ3增大，則相當(dāng)于控制器總的放大倍數(shù)加大。if {E = Ai and EC = Bj then Au = Ci, i = 1,2, ...η (2.1)其中E，EC和Δ u分別為被控變量的誤差，誤差的變化和控制量變化的語(yǔ)言變量； 而Ai，Bi和Ci為其相應(yīng)論域上的語(yǔ)言值為ΝΒ，匪，NS, NO, PS, PM, PB。模糊控制器的控制規(guī)則如表X所示。其中P-正，N-負(fù)，B-大，M-中，S-小，0-零。由控制規(guī)則(2. 1)式，根據(jù)近似原理，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)于E，EC的Au，用函數(shù)f’表示為表格1.模糊調(diào)節(jié)器參數(shù)在線自整定
權(quán)利要求1.視覺(jué)傳感器參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征是包括模糊控制器、輸入輸出接口、 檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象，其中檢測(cè)裝置的信號(hào)輸出端與輸入接口的信號(hào)輸入端相接，輸入接口的信號(hào)輸出端與模糊控制器的信號(hào)輸入端相接，模糊控制器的信號(hào)輸出端與輸出接口的信號(hào)輸入端相接，輸出接口的信號(hào)輸出端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸入端相接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸出端與控制對(duì)象的信號(hào)輸入端相接，控制對(duì)象的信號(hào)輸出端與檢測(cè)裝置的信號(hào)輸入端相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺(jué)傳感器參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征是模糊控制器的結(jié)構(gòu)包括模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)及解模糊接口，其中知識(shí)庫(kù)的第一信號(hào)輸出端、 第二信號(hào)輸出端、第三信號(hào)輸出端與糊化接口、推理機(jī)、解模糊接口的信號(hào)輸入端對(duì)應(yīng)相接，糊化接口的信號(hào)輸出端與推理機(jī)的信號(hào)輸入端相接，推理機(jī)的信號(hào)輸出端與解模糊接口的信號(hào)輸入端相接。
專利摘要本實(shí)用新型是視覺(jué)傳感器參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，包括模糊控制器、輸入輸出接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象，其中檢測(cè)裝置的信號(hào)輸出端與輸入接口的信號(hào)輸入端相接，輸入接口的信號(hào)輸出端與模糊控制器的信號(hào)輸入端相接，模糊控制器的信號(hào)輸出端與輸出接口的信號(hào)輸入端相接，輸出接口的信號(hào)輸出端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸入端相接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸出端與控制對(duì)象的信號(hào)輸入端相接，控制對(duì)象的信號(hào)輸出端與檢測(cè)裝置的信號(hào)輸入端相接。優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)傳感器參數(shù)的閉環(huán)控制。輸入?yún)?shù)進(jìn)行模糊化，經(jīng)過(guò)模糊控制器得到視頻傳感器的設(shè)定參數(shù)速度快，參數(shù)調(diào)節(jié)和設(shè)定是實(shí)時(shí)的。輸入?yún)?shù)經(jīng)模糊控制器的算法得出，使得傳感器得到最好的圖像質(zhì)量和效果。
文檔編號(hào)G05B13/04GK202033611SQ20112000494
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者王興國(guó), 穆科明, 趙強(qiáng) 申請(qǐng)人:王興國(guó), 穆科明, 趙強(qiáng)