一種led無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器，采用模糊視覺(jué)圖像處理技術(shù)將手術(shù)視野的圖像進(jìn)行特征分析和處理，提取照明環(huán)境的亮度和色度信息，通過(guò)智能處理算法計(jì)算LED光源的電流控制參數(shù)，首先將手術(shù)視野的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)，通過(guò)視頻圖像采集模塊將該信號(hào)讀取到系統(tǒng)內(nèi)部，再由圖像分析與處理模塊將其進(jìn)行解析，提取照度和色度分布信息，通過(guò)照度和色度特征提取模塊提取相應(yīng)的照度和色度特征向量，經(jīng)模糊圖像分割模塊將遮擋物產(chǎn)生的陰影區(qū)域分割出來(lái)，再由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算出相應(yīng)的LED光源的驅(qū)動(dòng)電流值，發(fā)送給LED控制器調(diào)節(jié)相應(yīng)LED的亮度，實(shí)現(xiàn)消除陰影、照度均勻和恒光控制的目的,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光控制，不需人工干預(yù)，完全消除陰影。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到燈光照明領(lǐng)域，尤其涉及一種LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控 制器。

【背景技術(shù)】
[0002]目前醫(yī)院手術(shù)室所使用的無(wú)影燈大部分采用普通熱光源（如白熾燈、鹵鎢燈等）， 其光源發(fā)熱量大、功率高、壽命短，且由于手術(shù)無(wú)影燈光效強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所以容易對(duì)醫(yī) 生眼睛造成損害。此外，還有一種光源采用熒光發(fā)光，屬于冷光源，該類(lèi)光源能耗較低、亮 度大，但是色溫選擇單一、壽命與熱光源差不多，而且光衰較大，且指向性不夠，有較大局限 性。發(fā)光二級(jí)管LED(LightEmittingDiode，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)ED)屬于冷光源，因具有光照均勻、響 應(yīng)迅速、超長(zhǎng)壽命、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于手術(shù)無(wú)影燈，并將逐步替代傳統(tǒng)光 源。
[0003] 手術(shù)無(wú)影燈是醫(yī)院手術(shù)室必備的重要醫(yī)療設(shè)備之一，手術(shù)無(wú)影燈的光亮度及無(wú)影 度等性能的好壞直接關(guān)系到手術(shù)質(zhì)量和病人健康。傳統(tǒng)的無(wú)影燈多采用人工方式調(diào)節(jié)，這 種調(diào)節(jié)是操作者依據(jù)自身的舒適度人為調(diào)整的，光亮度的準(zhǔn)確度難以保證，存在很大的局 限性，其光照位置及亮度能否得到準(zhǔn)確、及時(shí)的調(diào)整將影響到手術(shù)的正常進(jìn)行。另外手術(shù) 時(shí)，醫(yī)生的身體、頭、手和器械均會(huì)對(duì)手術(shù)部位造成遮擋，形成陰影，如果不及時(shí)消除就會(huì)影 響手術(shù)質(zhì)量?，F(xiàn)有的無(wú)影燈雖然配有亮度調(diào)節(jié)器，可進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，但是，不能完全消除陰 影，只能減弱陰影的影響；同時(shí)，這種調(diào)節(jié)是通過(guò)操作者手動(dòng)完成的，具有一定的模糊性，實(shí) 時(shí)性、精確性不夠高，且容易造成手術(shù)環(huán)境污染，影響手術(shù)正常進(jìn)行。目前，手術(shù)無(wú)影燈的實(shí) 時(shí)自動(dòng)調(diào)光技術(shù)的報(bào)道尚不多見(jiàn)。隨著全球醫(yī)療設(shè)備的數(shù)字化、信息化、智能化的發(fā)展，手 術(shù)無(wú)影燈的自動(dòng)數(shù)字化調(diào)光技術(shù)正逐步成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。
[0004] 可見(jiàn)，目前現(xiàn)有的手術(shù)無(wú)影燈技術(shù)存在使用不方便，調(diào)節(jié)效果不理想等問(wèn)題。本發(fā) 明的目的在于提供一種基于模糊邏輯的LED無(wú)影燈智能調(diào)光控制器，旨在解決現(xiàn)有的技術(shù) 中存在的使用不方便，調(diào)節(jié)效果不理想等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于模糊邏輯的LED無(wú)影燈智能調(diào)光控制 器，解決現(xiàn)有的技術(shù)中存在的使用不方便，調(diào)節(jié)效果不理想等問(wèn)題的一種LED無(wú)影燈照明 系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控 制器，本發(fā)明是實(shí)現(xiàn)醫(yī)用無(wú)影燈調(diào)光控制的智能化處理，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)光的目的，通過(guò)信息 化處理技術(shù)，運(yùn)用模糊視覺(jué)處理技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，設(shè)計(jì)了一種智能化的照度檢測(cè) 和跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)了一種智能化的LED無(wú)影燈調(diào)光控制器。該控制器能夠根據(jù)CMOS攝像頭 采集的視頻圖像信息，通過(guò)圖像分析和處理算法獲取工作區(qū)域的照度和色度分布信息，通 過(guò)模糊圖像分割算法將照明區(qū)域因遮擋而產(chǎn)生的陰影區(qū)域和位置分離出來(lái)，由模糊神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)映射出需調(diào)節(jié)的LED光源的驅(qū)動(dòng)電流值，控制LED光源的發(fā)光亮度，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED無(wú)影燈工 作區(qū)域照度和色溫的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制，從而達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)無(wú)影燈的亮度使得工作區(qū) 域照度均勻、恒定、無(wú)影的目的。
[0007] 本發(fā)明采用攝像傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。該控制器包括：圖像采集模塊，圖 像分析與處理模塊，模糊圖像分割模塊，照度和色度特征提取模塊，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等單 元。本系統(tǒng)采用了一種基于模糊視覺(jué)圖像處理的方法，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)攝像 頭獲取的視頻圖像進(jìn)行特征分析和處理，提取照明環(huán)境的亮度和色度信息。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程 如下：通過(guò)CMOS攝像頭采集照明區(qū)域的視頻圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)，通過(guò)視頻圖像采 集模塊將該信號(hào)讀取到系統(tǒng)內(nèi)部，再由圖像分析與處理模塊將視頻圖像信號(hào)進(jìn)行解析，提 取照度和色度分布信息，通過(guò)照度和色度特征提取模塊提取相應(yīng)的照度和色度特征向量， 送入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；同時(shí)，由模糊圖像分割模塊將遮擋物產(chǎn)生的陰影區(qū)域分割出來(lái)，并 將分割區(qū)域的位置參數(shù)作為輸入值送入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最后通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部強(qiáng)大的 映射和計(jì)算能力算出相應(yīng)的LED光源的驅(qū)動(dòng)電流值，并將這些信息發(fā)送給LED控制器，調(diào)節(jié) 相應(yīng)LED的亮度達(dá)到消除陰影和恒光控制的目的。
[0008] 圖像是人類(lèi)感知世界的視覺(jué)基礎(chǔ)，然而在人類(lèi)通過(guò)視覺(jué)獲取的大量圖像信息中， 并不是所有的信息內(nèi)容都是我們所需要的，所以需要把圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特 性質(zhì)的區(qū)域。圖像分割，就是把圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域并提取出感興 趣目標(biāo)。對(duì)無(wú)影燈而言就是要找到造成陰影的遮擋物的位置及區(qū)域，然后進(jìn)行有效的分割 獲取遮擋物的特征信息，合理的分割結(jié)果能更好的找到圖像中的有用信息并方便對(duì)其進(jìn)行 處理。
[0009] (1)基于模糊邏輯的陰影分割算法
[0010]通過(guò)圖像得到的有用信息就是遮擋物在工作面上產(chǎn)生的陰影區(qū)域，而圖像固有的 內(nèi)在模糊性給圖像分割帶來(lái)了許多困難，但是卻為模糊集與系統(tǒng)理論的應(yīng)用提供了用武之 地，所以在本發(fā)明中我們采用模糊集與系統(tǒng)理論來(lái)理解、表示、處理和分割遮擋物圖像。
[0011] 一幅圖像擁有不同的特征值，本發(fā)明通過(guò)圖像灰度對(duì)圖像進(jìn)行分割。對(duì)于一幅 MXN圖像，其灰度級(jí)為0?255。首先通過(guò)原有分割算法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)分割，通過(guò)預(yù)分割 得到背景（BackgroundRegion,BR)及目標(biāo)區(qū)域（ObjectRegion, 0R)。隨機(jī)選取有限個(gè)背 景和目標(biāo)區(qū)域像素點(diǎn)，結(jié)合灰度直方圖計(jì)算其灰度均值，得到和I；分別為背景與目標(biāo)區(qū) 域閾值。獲得目標(biāo)區(qū)域0R，模糊區(qū)域（FuzzyRegion，F(xiàn)R)以及背景區(qū)域BR的灰度范圍為

【權(quán)利要求】
1. 一種LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器，其特征在于：采用攝像傳感技術(shù)實(shí) 現(xiàn)照明區(qū)域光照度的閉環(huán)控制，該控制器核心單元包括：圖像采集模塊，圖像分析與處理模 塊，模糊圖像分割模塊，照度和色度特征提取模塊，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等單元，該控制器采 用一種基于模糊視覺(jué)圖像處理的方法，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)攝像頭獲取的視頻圖 像進(jìn)行特征分析和處理，提取照明環(huán)境的亮度和色度信息，通過(guò)智能處理算法計(jì)算LED光 源的電流控制參數(shù)，從而調(diào)節(jié)LED光源的亮度，系統(tǒng)通過(guò)CMOS攝像頭采集照明區(qū)域的視頻 圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)，通過(guò)視頻圖像采集模塊將該信號(hào)讀取到系統(tǒng)內(nèi)部，再由圖像 分析與處理模塊將視頻圖像信號(hào)進(jìn)行解析，提取照度和色度分布信息，通過(guò)照度和色度特 征提取模塊提取相應(yīng)的照度和色度特征向量，送入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；同時(shí)，由模糊圖像分 割模塊將遮擋物產(chǎn)生的陰影區(qū)域分割出來(lái)，并將分割區(qū)域的位置參數(shù)作為輸入值送入模糊 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最后通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部強(qiáng)大的映射和計(jì)算能力，算出相應(yīng)的LED光源的驅(qū) 動(dòng)電流值，并將這些信息發(fā)送給LED控制器，調(diào)節(jié)相應(yīng)LED的亮度，以實(shí)現(xiàn)消除陰影、照度均 勻和恒光控制的目的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器，其特征在于：對(duì) 圖像中的遮擋物與背景進(jìn)行分割，需要將圖像分為確定的背景區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域，將背景參 考區(qū)域和目標(biāo)參考區(qū)域視為灰度值論域[〇，1，…，F(xiàn)-1]上的兩個(gè)模糊子集，該系統(tǒng)選用貼 近度法中的距離貼進(jìn)度，其中設(shè)論域U= {x,，x9, . . .，xj，對(duì)任意的模糊集合A，模糊度為：
由該式可以計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域OR和背景區(qū)域BR的模糊度為L(zhǎng)bk和Lqk。 對(duì)模糊區(qū)內(nèi)Spre [II，Ι?]，將其所分割范圍[I；,gf]和[g￡,fi]分別加入到OR和BR中，gf為gFK集合的分割值，得到兩個(gè)新的模糊子集，記為OR'和BR': ORi =ORU{gFS}=0RU[g0,gf] (2) BRi =BRU{gFg}=BRU[g￡,gj] 由式（I)計(jì)算出新的和，在模糊子集加入了新的元素的情況下，其模糊度函數(shù) 值會(huì)變大（即>LotLbi^ >Lbk)，將其分別與Lrai和Lbk做歸一化，得到兩個(gè)模糊度影響因 子，記為：
通過(guò)比較1和H2的大小，判斷gFK的加入是對(duì)背景還是目標(biāo)區(qū)域的影響更大。若H1 >η2，則gFK對(duì)目標(biāo)區(qū)域模糊子集影響更大，即與目標(biāo)區(qū)域相似度更高，所以應(yīng)將gFK劃入 背景區(qū)域的模糊集；反之，則將gFK劃入遮擋物區(qū)域的模糊集。對(duì)模糊區(qū)域的灰度做同樣處 理，則會(huì)有某一灰度值8<1，使Jijgd) =n2(gd)，則gd為分割閾值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器，其特征在于：所 述工作區(qū)亮度和色度的確定方法為：彩色圖像一股以RGB顏色空間表示，所有顏色都可看 作是3個(gè)基本顏色紅R、綠G、藍(lán)B的不同組合，該RGB顏色空間可以建立在笛卡兒坐標(biāo)系 統(tǒng)里；彩色圖像還可用HSI顏色空間表示，HSI顏色空間從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)H、飽和度S和亮度I來(lái)描述色彩；HSI顏色空間可以用圓錐空間描述，兩種顏色空間之間 存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系。給定一幅RGB彩色格式的圖像，對(duì)任何一組歸一化到[0，1]范圍內(nèi)的 RGB的值都可通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式得到對(duì)應(yīng)的HSI分量值；RGB到HSI顏色空間的 轉(zhuǎn)換公式為： O XΔ?)?)
色調(diào)H(Hue)，與光波的波長(zhǎng)有關(guān)，它表示人的感官對(duì)不同顏色的感受，如紅色、綠色、藍(lán) 色等，它可表示照明區(qū)域圖像的色度信息，如暖色、冷色等。強(qiáng)度I(Intensity)，對(duì)應(yīng)成像亮 度和圖像灰度，是顏色的明亮程度，它可表示照明區(qū)域圖像的照度信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED無(wú)影燈照明系統(tǒng)中的智能調(diào)光控制器，其特征在于：采 用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視覺(jué)圖像目標(biāo)識(shí)別方法，是以模糊系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，將每幀視頻圖像中 需要識(shí)別的目標(biāo)遮擋物與背景組成的場(chǎng)景看成一個(gè)模糊系統(tǒng)，用每一幀中提取的活動(dòng)目標(biāo) 的位置和形狀信息作為特征矢量，將該特征矢量作為模糊聚類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FCNN)系統(tǒng)的輸 入，利用模糊聚類(lèi)辨識(shí)算法，構(gòu)建一種能夠?qū)ED的光強(qiáng)分布進(jìn)行映射的模糊聚類(lèi)神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)（FCNN)模型，對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行預(yù)測(cè)，給出一組在當(dāng)前場(chǎng)景狀況下LED光源光強(qiáng)分布和 位置分布的最佳控制參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)LED燈盤(pán)的光源照射強(qiáng)度和角度，實(shí)現(xiàn)照射工作區(qū)域 恒光、無(wú)影的目的；整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：第一部分是模糊分類(lèi)器，它由一個(gè)三層BP網(wǎng) 絡(luò)構(gòu)成，輸入層由P個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)應(yīng)輸入向量的P個(gè)分量；隱層由C個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其第i個(gè) 節(jié)點(diǎn)表示輸入向量與第i個(gè)聚類(lèi)中心之間的偏差，它們的傳遞函數(shù)為：
輸出層也由C個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出代表輸入向量對(duì)某一類(lèi)別的隸屬度。輸入 節(jié)點(diǎn)與隱層節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)代表了某一類(lèi)的聚類(lèi)中心Vi，它需要由學(xué)習(xí)算法進(jìn)行優(yōu)化； 隱層節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)之間采用無(wú)加權(quán)連接，它與各子網(wǎng)絡(luò)的輸出共同組成第三層節(jié)點(diǎn)的輸 入，第二部分由C個(gè)子網(wǎng)絡(luò)組成，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)雙層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，連接權(quán)矩陣Wi = (wn， '^2，，一，、)1'，其中'^=(? ]_。(1)，％(1)，《]_2(1)，一，《]1>( 1))，輸入向量915=(1，?1，?2，···， xkP)τ，第i個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的輸出為：A，它完成第k個(gè)輸入樣本的第i類(lèi)規(guī)則的后件輸出 的計(jì)算，系統(tǒng)總的輸出為
系統(tǒng)輸出yk將給出當(dāng)前圖像場(chǎng)景中LED光源陣列的分布圖映射，該映射反映LED光源 將以怎樣的亮度分布才能實(shí)現(xiàn)使被照區(qū)域的照度到達(dá)規(guī)定的值并保持恒定，同時(shí)又消除工 作區(qū)陰影的目的，輸出yk將作為調(diào)節(jié)量控制LED光源驅(qū)動(dòng)電流和LED燈盤(pán)投射角度。
【文檔編號(hào)】H05B37/02GK104320881SQ201410588302
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】劉宇紅, 傅建國(guó), 李樂(lè)樂(lè), 吳配貴 申請(qǐng)人:江蘇天語(yǔ)雅思醫(yī)療設(shè)備有限公司