基于心理视觉调制的LED照明的实物防偷拍系统的制作方法

本发明涉及媒体显示领域，具体地，涉及一种基于心理视觉调制的led照明的实物防偷拍系统，即利用led灯组防止实物被相机偷拍。

背景技术：

在如今的大数据时代，数码相机已成为人们生活中不可或缺的一部分，人们利用它记录生活中的点滴，分享快乐，留存记忆。然而，当数码相机的普及为人们的生活带去便捷之时，一些由数码相机引发的安全问题也日益成为人们关注的重点。随着科技的发展，数码相机的尺寸越来越小，甚至可以与其他设备融合一体从而形成一种伪装。因此，利用这些相机在未经许可的情况下拍摄一些涉及个人隐私或者受保护的知识产权的内容已经成为了可能。

举例来说，现在全世界的博物馆都在为如何阻止人们拍摄馆藏文物而头痛不已。出于人类对于一切新奇事物感到好奇的本能，面对精美绝伦的文物，很多人都会下意识地拿出相机或者手机记录下眼前的珍宝，而忘却了馆方反复强调的“禁止拍摄”的要求。因此，在这种情况下，与其去研究如何才能阻止人类好奇的本能，不如寻找一种使拍摄图像失去收藏价值的方法。

目前市场上还没有与实物防偷拍有关的技术，与此相近的，在影视防偷拍方面却有不少的研究和发明，这些研究主要针对片源进行处理。例如柯达公司、technicolor、飞利浦公司都对防偷怕水印加密技术(cap)作出较大的贡献。这种技术主要是在片源中加入水印，当使用相机进行偷拍时，这种水印会显现在盗版影片上，从而帮助制片公司和影院最终盗版电影的来源，但是对于影院内的观众而言，他们的观影体验并未受到影响。除此之外，通过投射人眼不可见的红外光来阻止相机拍摄的方法也曾被使用，但是在相机镜头前加一个滤镜便可解决此问题。

以上所述的方法对于实物防偷拍均无法适用，因此，需要转换思路，提供一种适用性广的实物防偷拍系统。

技术实现要素：

针对现有技术的空白，本发明的目的是提供一种基于心理视觉调制的led照明的实物防偷拍系统，该系统将关注的重点转移到了照亮这些实物的照明系统，通过改变发光模式，可以有效地保护个人隐私和/或知识产权。

本发明通过一定的技术手段改变led照明发光模式，使得相机在拍摄这些实物时会在图片中留下令人不适的伪影，而不影响人在正常观看这些实物时的观赏体验。解决这种冲突的关键在于发现人眼视觉系统和数码相机在成像方面的不同点：一方面，对于前者而言，其在时域上是连续采样的，而后者则必须间歇性采样以留出一定的时间间隔来完成数据的读出环节，从而显现出离散性；另一方面，人眼的整个视网膜都在持续不断地接受光亮信号，而对于采用卷帘快门的数码相机(绝大多数相机均采用此种模式)，它是逐行感光的，行与行之间的曝光时间有一个微小的延迟。基于这种特性，便可实现本发明提出的目的。

根据本发明的目的，提供一种基于心理视觉调制的led照明的实物防偷拍系统，包括：

led灯组，其发出的光投射到防偷拍的物体表面；

控制器，用于控制led灯组的输入信号，在时域上对led灯组的不同颜色进行频率调制，使所述led灯组发出的光影响偷拍设备的正常工作但不影响人眼的视觉体验。

优选地，所述控制器控制所述led灯组发出的光进行强度周期性变化，设led灯组的输入信号周期为t，用i(i，j)来表示空间各点的感光强度，为平均感光强度，定义相对强度差d为空间各点感光强度最大值与最小值的差值除以平均感光强度，即

显然，d越大，在被拍摄到的图片中，视觉效果越差，也即图片中会出现更加明显的噪声图像，覆盖了原来应有的内容；d的取值与偷拍设备曝光时间te，输入信号的周期t，以及占空比d有关；当偷拍设备曝光时间是输入信号周期t的整数倍时，d＝0，偷拍设备拍摄的图片上没有任何噪声图案。

优选地，所述led灯组采用高功率led灯组，比如所述高功率不低于0.5w，能够很好地匹配信号源的瞬间变化，也使普通拍摄设备难以根据输入信号的频率估计曝光时间的长短，从而无法利用te与t之间整数倍关系能消除噪声图片的方法来消除噪声对图片质量的影响。

更优选地，所述led灯组选用rgbled灯组，能够产生更强的噪声图片，即除了条纹状噪声外，还有色条噪声，能够进一步降低偷拍画面的质量效果。

优选地，所述led灯组，其输入信号为脉冲序列，能够进一步加大d的数值，从而产生更明显的噪声图案。

更优选地，对使用脉冲序列作为输入信号的led灯组，通过计算得到如下公式：

式中e[d]为相对强度差的数学期望，t为led灯组的输入信号周期，可见占空比d越小，p越小，偷拍设备得到的图片中出现噪声的程度越大；当d减小的时候，led灯组发出的光强将有所减弱，导致偷拍设备曝光时间te自动增强，从而使p变大。因此，在实际应用中，d的合理取值范围需通过实验确定。

优选地，所述led灯组，其输入信号周期t取值小于1/60s，使普通观众在观看物体时感受不到光的闪烁。

优选地，所述led灯组，其输入信号为脉冲序列，其脉冲幅度为a，占空比为d，人眼所感知的所述led灯组发出的光的亮度与脉冲序列中的占空比和幅度的乘积ad成正比，因此，为了保证人眼所看到的物体效果不变，让ad为某一常数。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

本发明通过在时域上对led灯的不同颜色进行频率调制，使其能够影响到偷拍设备如数码相机卷帘快门的正常工作，同时不影响普通观众的视觉体验，从而保护了个人隐私或知识产权。

需要指出的是，这种技术不仅限于博物馆使用，它可以应用于任何需要对实物进行拍照保护的室内场所，包括室内展演，法庭审判或其他需要保护知识产权的场所。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例数码相机拍摄原理图；

图2为本发明一实施例函数fb(x)函数关系图；

图3为本发明一实施例由闪光灯造成的水平干扰条纹效果图；

图4为本发明一实施例相关函数关系图；

图5为本发明一实施例具有多种颜色脉冲函数的周期密度函数图；

图6为本发明一实施例三种颜色的fc的定积分结果图；

图7为本发明一实施例白光照明系统检测效果图；

图8为本发明一实施例rgb照明系统检测效果图；

图9为本发明一实施例检测效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种基于心理视觉调制的led照明的实物防偷拍系统，包括：

led灯组，其发出的光投射到防偷拍的物体表面；

控制器，用于控制led灯组的输入信号，在时域上对led灯组的不同颜色进行频率调制，使所述led灯组发出的光影响偷拍设备的正常工作但不影响人眼的视觉体验。

正如发明内容所述，偷拍设备比如数码相机所拍摄的图像可以被一个照明光源(如一个简单的交流供电的白炽灯或led频闪灯)所干扰，使得拍摄的图像中有一系列水平图案。本发明所述的系统中最大的难点是在保证发射光自然并且对普通观众来说和普通的灯完全没有区别的前提下，如何使得干扰画面更有效并且更难以移除。除此之外，因为不可能知道偷拍设备的准确曝光参数甚至不知道是否是一个未经授权的偷拍设备在被使用，防偷拍系统只能依据非常有限的信息工作。因此，在相同配置的情况下，系统应尽可能的稳定并且可以工作于多种不同的场景。

为实现上述目的，必须对频闪光源的输入信号进行控制。为了便于讨论，假定被拍摄的物体是一堵白墙。对于相机的成像系统而言，在短暂的曝光时间te中，空域中不同点的感光强度仅取决于光源。如果令光源的强度周期性变化，周期为t，那么由于卷帘快门是逐行曝光的，行与行之间的曝光存在时间差，因此，在任意时刻，空间中不同行的感光强度将会有所差异。用i(i，j)来表示空间各点的感光强度，定义相对强度差d为空间各点感光强度最大值与最小值的差值除以平均感光强度，即

显然，d越大，在被拍摄到的相片中，视觉效果越差，也即图片中会出现更加明显的噪声图像，覆盖了原来应有的内容。

d的取值与相机曝光时间te，输入信号的周期t，以及占空比d有关。值得一提的是，当相机曝光时间是输入信号周期的整数倍时，d＝0，即机拍摄的图片上将恰好没有任何噪声图案。

本发明系统采用的频闪光源为高功率led灯组，它能够在很短的时间内实现点亮和熄灭两种状态的切换，从而能够很好地匹配信号源的瞬间变化。另一方面，由于led灯组的输入信号频率是可调的，而不像普通交流电驱动的白炽灯的闪烁频率是固定的(交流电频率的2倍)，因此普通相机难以根据输入信号的频率估计曝光时间的长短，从而无法利用te与t之间整数倍关系能消除噪声图片的方法来消除噪声对图片质量的影响。进一步的，选用rgbled灯组能够产生更强的噪声图片，即除了条纹状噪声外，还有色条噪声，能够进一步降低偷拍画面的质量效果。

本发明系统led灯组的输入信号采用脉冲序列，相比于正弦信号，它在每一个周期的能量更为集中，从而能够进一步加大d的数值，从而产生更明显的噪声图案。对使用脉冲序列作为输入信号的led灯组，通过一定计算可得到如下公式：

式中e[d]为相对强度差的数学期望。可见d越小，p越小，相机偷拍得到的图片中出现噪声的程度越大。然而，当d减小的时候，光源的发出的光强将有所减弱，导致相机的曝光时间te自动增强，从而使p变大。因此，在实际应用中，d的合理取值范围需通过实验确定。

人眼所感知的频闪光源的亮度与脉冲序列中的占空比和幅度的乘积ad成正比，因此，为了保证人眼所看到的实物效果不变，必须让ad为某一常数。

针对系统的控制参数设计方面，提供具体实施例：

本实施例通过使用脉冲信号驱动大功率的led灯组来照亮需要保护的画面。由于led灯组的亮灭瞬间发生，所以led灯组发射光的强度足以精确匹配驱动信号。为了实现所期望的干扰效果，主要需要利用如下三个控制参数：脉冲幅度a，周期t，占空比d。

对于本实施例的脉冲周期t，它的设计受限于以下几个因素：

首先，由于在正常亮度情况下，人眼视觉系统(hvs)的临界融合频率约为60hz，只有当闪烁频率超过人眼闪烁融合阈值即大约60hz的时候，人眼才察觉不出光源的闪烁。因此为了使光源看起来完全稳定，不使普通观众在观看实物时感受到光的闪烁，脉冲的周期t必须低于1/60s。

其次，为了用尽可能多的干扰条纹来损坏被拍摄的图像，脉冲周期t应该尽可能的小。受限于照相机的读出时间tr和像素密度，在每一张被损坏的图像上有tr/t个条纹。因此，给出光源的闪烁周期t和一张有干扰条纹的图像，就能通过数出干扰条纹数来估测出照相机拍一张照片的读出时间。通过上述方法可以计算出iphone6s和7的读出时间大约为1/51s和1/60s。又因为脉冲周期t必须小于1/60s才能使得人眼分辨不出灯的闪烁，所以由上述两类iphone拍出的图像至少有一条完整的干扰条纹。

进一步地，像大多数数码单反相机一样，配备了机械焦平面快门的相机卷帘快门效果更弱，它们有相同的读出时间，但是它们的曝光时间比一般的相机少1/400s。如果脉冲周期t比这个时间长，那么如图3所示，由数码单反相机拍摄的图像可能只有干扰条纹的平坦的部分，导致干扰效果不理想。因此为了防止数码单反相机偷拍，脉冲周期t必须小于1/400s。

影响脉冲周期t的第三个因素是相机的曝光时间te。如图4所示，关于占空比和tr与周期t的比率的由脉冲光源产生的最亮和最暗像素点的相对期望差，相对强度d的期望e[db]是在te和t的不同比率下的关于占空比d的函数，当p＝0或者te<t时，像素之间有很大的e[db]，表明在这种情况下的干扰图案效果极佳。事实上，如果p+d<1，有一些像素点被拍摄后的效果是完全黑暗的，使得对最终图像造成不可恢复的损坏，如图2所示。然而，在一般的室内环境下，相机的曝光时间一般超过1/60s。因此，在应用脚本中te很有可能超过脉冲周期t。当p≥1时，如果想要e[db]超过阈值m，那么由下列关系式可求得占空比d。

1-m(p+1/2)>d

本实施例针对稳定性的提升方面，随着由脉冲宽度调制驱动的led灯的普及，一些相机，例如iphone7，具备了用于减少由闪烁的led灯产生的干扰的闪烁检测传感器。如果前述防偷拍系统的脉冲周期t保持不变，那么相机可以轻易检测出其频率。如先前讨论，一旦t已知，那么相机就可以简单调整曝光时间te使其成为t的倍数来消除干扰影响。为了解决上述问题，该系统通过每一秒在给定的范围内随机改变脉冲周期来阻止t被精确检测。由于闪烁频率突然的大变化可以被接收到，因此每个周期变化的幅度被限制于原来的t的20％。通过这种方法，人眼就无法分辨出不同周期之间的过渡。

优选地，另外一种改善方式是用rgb颜色的led灯代替白灯。通过使用相同周期但是不同相位的脉冲信号来驱动三原色中的每一种颜色。如图5所示，rgb照明系统依次打开和关闭灯光。假设对于任意一种颜色，脉冲周期是t，占空比是d，那么对于全部的灯，总体的闪烁周期是t/3，占空比是3d，因此系统光强为3ad。为了和使用白灯时有相同水平的光强，需要更大功率的led或电源来使得脉冲幅度达到3a或者占空比达到3d。但是占空比达到3d比占空比为d的干扰效果要差。因此，多颜色的灯光系统相对于白光系统，可以达到更好的干扰效果，也无需额外的硬件投入。

进一步地，如前所述，脉冲周期t需要足够的短来预防数码单反相机非常短的读出时间tr，但是在另一方面，如图4所示，短的t也降低了干扰效果。rgb照明系统可以有效减缓这种困境。因为总的闪烁周期只有t/3，rgb照明系统相比于闪烁周期为t的白光照明系统，在被偷拍的图像上产生了更多的干扰条纹，因此具有短读出时间tr的相机也会受到这类干扰画面的影响。除此之外，除了光强的改变，rgb照明系统也会产生变色效应，如图6所示。

针对本实施例的设计，通过使用几种不同品牌的智能手机，来测试本实施例的有效性，检测效果如图7。最终发现，只要脉冲周期小于1/70s，系统的占空比d可以为30％—70％范围内的任何值。

如图8、9所示，为应用本发明系统进行的检测效果，通过在时域上对led灯的不同颜色进行频率调制，使其能够影响到数码相机卷帘快门的正常工作，同时不影响普通观众的视觉体验，从而保护了个人隐私或知识产权。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。