专利名称：一种人脸识别用的调制光补光装置和补光方法
技术领域：
本发明涉及一种人脸识别用的调制光补光装置和补光方法，属于生物识别技术领 域。
背景技术：
人脸识别门禁必须白天黑夜都能正常工作，而白天和黑夜光线的动态变化范围非 常大，夏日阳光下环境照度达50000LuX-120000LuX，夜间路灯时仅为0. lLux，星光夜里约 为0.00035LUX。对比是50万倍到3亿倍。普通摄像机只具有3 1动态范围，宽动态摄像 机达到100 1左右，在这种情况下用作人脸识别的摄像头无论是否具有自动调整曝光功 能或者通过摄像头本身的电子快门已不可能适应这么宽的照度范围，也就无法达到控制图 像效果的作用。在一般的人脸识别系统中，为了克服日光对人脸识别的干扰和解决黑暗环境中的 照明问题，普遍使用了红外LED(发光二极管)作为主动补光光源，由稳压或恒流驱动的红 外LED发射近红外光，照射在被识别的人脸上，配合近红外滤光片，以此获得具有一定光照 稳定性的近红外图像，供人脸识别模块进行识别。加了红外LED和红外滤镜后，虽然人脸识别性能有所改善，但是稳压或恒流驱动 的红外LED的光照度是固定不变的，以一种不变的光照度来应对非常大的环境光线的动态 范围，仍然不能得到满意的图像，对人脸识别的性能造成明显的影响。
发明内容
本发明提供的一种人脸识别用的调制光补光装置和补光方法，使用脉宽调制驱动 电源来给红外LED供电，能根据环境照度自动调节红外LED的亮度，使得照射在人脸上的近 红外照度与环境照度达到一定的正向比例关系，在一定程度上弥补环境光照和红外LED的 光照对比问题，提高了人脸识别性能。为了达到上述目的，本发明提供一种人脸识别用的调制光补光装置，包含依次电路连接的光传感器、分压电阻、控制电路、红外LED驱动电路和红外LED阵 列；光传感器与分压电阻串联组成电阻分压电路；该调制光补光装置还包含分别电路连接所述控制电路的稳压电路、晶振电路和复 位电路；所述的光传感器采集可见环境光，转换为相应的模拟量电阻值；所述的电阻分压电路通过电阻分压的方式将光传感器输出的模拟量电阻值转换 为模拟电压值；本发明的控制电路进行A/D转换、计算高电平占空比、输出PWM脉冲信号来控制红 外LED阵列中的红外LED亮和灭的时间比例，从而调整输出的红外光的强度；所述的红外LED驱动电路在控制电路的控制下，将PWM脉冲信号放大后，驱动红外LED阵列；所述的红外LED阵列包含若干组并联的红外LED组，每个红外LED组包含若干串 联的红外LED和一个限流电阻；工作时，每个红外LED流过的电流根据所选用的红外LED额 定电流来确定，通过调节限流电阻使所选用的红外LED达到额定工作电流值；所述的稳压电路提供稳定的电压给控制电路及其他元器件供电；所述的晶振电路为控制电路提供时钟脉冲；所述的复位电路可在调试时或者故障时令调制光补光重新启动。本发明还提供一种人脸识别用的调制光补光方法，包含以下步骤步骤1、光传感器采集可见环境光，将可见环境光转换为相应的模拟量电阻值，光 传感器与分压电阻串联组成电阻分压电路；步骤2、电阻分压电路将模拟量电阻值转换为模拟电压信号输出到控制电路；步骤3、控制电路将模拟电压信号通过A/D转换为数字量电压值Vn ；步骤4、控制电路计算高电平占空比Pn，跳转到步骤5 ；Pn = ((Pl-PO)/(Vl-VO))* (Vn-VO)+PO ；其中，通过步骤4. 1得到强烈阳光环境下的数字量电压值Vl和占空比Pl ；通过步 骤4. 2得到黑暗环境下的数字量电压值VO和占空比PO ；步骤4. 1、在强烈阳光下，经光传感器采集、并经过A/D转换的电压值为VI，设占空 比 Pl = 1；步骤4. 2、在黑暗环境下，经光传感器101采集、并经过A/D转换的电压值为V0，从 0开始逐步增大占空比，LED阵列发出的红外光也逐步增大，当调整到占空比PO时，使得摄 像头拍摄的人脸图像亮度能够达到人脸识别的要求，(具体要求的判定方法为将得到的 一定数量的图像进行人脸识别，根据人脸识别方法对人脸检测的结果，若检测失败率小于 千分之一，就判断能达到人脸识别的要求)从而得到黑暗环境下的占空比PO ；步骤5、控制电路输出占空比为Pn的PWM脉冲信号给红外LED驱动电路；步骤6、红外LED驱动电路将PWM脉冲信号放大后，输出给红外LED阵列；步骤6. 1、根据红外LED特性调节串联的限流电阻，确定每组LED的工作电流；步骤6. 2、根据强烈阳光下补光后的图像质量确定LED的组数；具体步骤为保持红外LED常亮，逐步增加红外LED的并联组数，直到使得摄像头 拍摄的人脸图像中能够有效排除阳光造成的干扰，得到理想的图像；阳光对人脸识别造成的干扰，主要有阳光从上往下直射在人脸上造成的阴影，如 鼻子、眉毛等突出部位下方的阴影、阳光从左侧或右侧斜射在人脸上造成的阴阳脸问题、以 及逆光时人脸图像的黑脸问题，都是对人脸识别的干扰。调试时逐步增加并联的组数，使 整个LED阵列发出的红外光随着并联组数的增加逐步增强，红外光相对于阳光的比例就增 加，当这个比例增大到一定程度的时候，阴影、阴阳脸和黑脸就被照亮，得到的图像质量就 高，具体判定的方法为将得到的一定数量的图像进行人脸识别，根据人脸识别方法对人脸 检测的结果，若检测失败率小于千分之一，就可以判定有效排除了阳光的干扰；步骤7、红外LED阵列发出经过PWM调制的红外光，跳转到步骤1 ；其中，步骤4. 1,4. 2,6. 1,6. 2只在补光装置第一次运行之前的调试阶段执行，补 光装置正常工作时循环执行步骤1、2、3、4、5、6、7。
本发明通过光传感器检测户外可见环境光的强度，然后由控制电路输出PWM(脉 宽调制)脉冲控制红外LED阵列，使红外LED阵列发出与户外环境光强度相对应的红外光， 达到更好的补光效果，从而进一步提高人脸识别的性能，本发明功能强、性能可靠、电路简 单、成本低、智能化水平高。
图1是本发明提供的一种人脸识别用的调制光补光装置的电路结构示意图；图2是本发明提供的一种人脸识别用的调制光补光方法的流程图。
具体实施例方式以下根据图1和图2，具体说明本发明的较佳实施方式如图1所示，为一种人脸识别用的调制光补光装置，该装置包含依次电路连接的光传感器101、分压电阻102、控制电路103、红外LED驱动电路 104和红外LED阵列105 ；光传感器101与分压电阻102串联组成电阻分压电路；该调制光补光装置还包含分别电路连接所述控制电路103的稳压电路106、晶振 电路107和复位电路108 ；所述的光传感器101可选用光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、红外线传感器、 紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧 化物半导体)图像传感器等；本发明选用最简单的光传感器光敏电阻，光敏电阻的输出特性为线性模拟量电阻 输出；所述的光敏电阻采集可见环境光，转换为相应的模拟量电阻值；所述的电阻分压电路通过电阻分压的方式将光传感器输出的模拟量电阻值转换 为模拟电压值；本发明的控制电路103选用单片机电路，进行A/D转换、计算占空比、输出PWM脉 冲信号来控制红外LED阵列中的红外LED亮和灭的时间比例，从而调整输出的红外光的强 度；在本发明中采用了单片机输出PWM脉冲来控制红外LED的方式，在脉冲的高电平 时，红外LED发光，在脉冲的低电平时，红外LED不发光，当脉冲的频率大于IOOKHz时，相对 于摄像机的快门来说，脉冲的频率很高，在一幅图像的曝光周期中，包含了多个脉冲的信号 周期，其脉冲高电平占空比越大，发光的时间越长，累积的红外光平均亮度越强，反之，脉冲 高电平占空比越小，发光的时间越短，累积的红外光平均亮度越弱，在一幅图像中的曝光量 是相当于红外LED —直在发光，其平均亮度受到脉冲占空比的控制；所述的红外LED驱动电路104在控制电路103的控制下，将PWM脉冲信号放大后， 驱动红外LED阵列；所述的红外LED阵列105由若干串红外LED并联组成，每5个红外LED串联后再 串连一个限流电阻；工作时，每个红外LED流过的电流根据所选用的红外LED额定电流来确 定，通过调节限流电阻使所选用的红外LED达到额定工作电流值；
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所述的稳压电路106提供稳定的电压给控制电路103及其他元器件供电；所述的晶振电路107为控制电路103提供时钟脉冲；所述的复位电路108可在调试时或者故障时令调制光补光重新启动。如图2所示，为一种人脸识别用的调制光补光方法的流程图，该补光方法包含以 下步骤步骤1、光传感器101 (光敏电阻)采集可见环境光，将可见环境光转换为相应的模 拟量电阻值，光传感器与分压电阻102串联组成电阻分压电路；步骤2、电阻分压电路将模拟量电阻值转换为模拟电压信号输出到控制电路103 ；步骤3、控制电路103 (单片机)将模拟电压信号通过A/D转换为数字量电压值 Vn ；步骤4、控制电路103(单片机)计算高电平占空比Pn，跳转到步骤5 ；Pn = ((Pl-PO)/(Vl-VO))* (Vn-VO)+PO ；其中，通过步骤4. 1得到强烈阳光环境下的数字量电压值Vl和占空比Pl ；通过步 骤4. 2得到黑暗环境下的数字量电压值VO和占空比PO ；步骤4. 1、在强烈阳光下，经光传感器101 (光敏电阻)采集、并经过A/D转换的电 压值为VI，设占空比Pi = 1 ；步骤4. 2、在黑暗环境下，经光传感器101 (光敏电阻)采集、并经过A/D转换的电 压值为V0，调整占空比P0，使得摄像头拍摄的人脸图像亮度能够达到人脸识别的要求(具 体要求的判定方法为将得到的一定数量的图像(比如4000张或5000张)进行人脸识别， 根据人脸识别方法对人脸检测的结果，就可以判定摄像头拍摄的人脸图像亮度能否达到人 脸识别的要求。(比如4000张或5000张中绝大多数能够检测出人脸，只有4张至5张不能 检测到人脸，检测失败率小于千分之一，就判断能达到人脸识别的要求))，从而得到黑暗环 境下的占空比P0;步骤5、控制电路103 (单片机)输出占空比为Pn的PWM脉冲信号给红外LED驱动 电路104 ；步骤6、红外LED驱动电路104将PWM脉冲信号放大后，输出给红外LED阵列105 ；步骤6. 1、根据红外LED特性调节串联的限流电阻，确定每组LED的工作电流；(通 过改变串联在每组红外LED电路中的限流电阻来调节，工作电流的范围依据所选用的红外 LED的额定工作电流确定)；步骤6. 2、根据强烈阳光下补光后的图像质量确定LED的组数，具体步骤为保持 红外LED常亮，逐步增加红外LED的并联组数，直到使得摄像头拍摄的人脸图像中能够有效 排除阳光造成的干扰，得到理想的图像；阳光对人脸识别造成的干扰，主要有阳光从上往下直射在人脸上造成的阴影，如 鼻子、眉毛等突出部位下方的阴影、阳光从左侧或右侧斜射在人脸上造成的阴阳脸问题、以 及逆光时人脸图像的黑脸问题，都是对人脸识别的干扰。调试时逐步增加并联的组数，使 整个LED阵列发出的红外光随着并联组数的增加逐步增强，红外光相对于阳光的比例就增 加，当这个比例增大到一定程度的时候，阴影、阴阳脸和黑脸就被照亮，得到的图像质量就 高，具体判定的方法为将得到的一定数量的图像(比如4000张或5000张)进行人脸识 别，根据人脸识别方法对人脸检测的结果，就可以判定是否有效排除了阳光的干扰。(比如4000张或5000张中绝大多数能够检测出人脸，只有4张至5张不能检测到人脸，检测失败 率小于千分之一，就可以判定有效排除了阳光的干扰)；步骤7、红外LED阵列105发出经过PWM调制的红外光，跳转到步骤1 ；其中，步骤4. 1,4. 2,6. 1,6. 2只在补光装置第一次运行之前的调试阶段执行，补 光装置正常工作时循环执行步骤1、2、3、4、5、6、7。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
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权利要求
一种人脸识别用的调制光补光装置，其特征在于，该装置包含依次电路连接的光传感器(101)、分压电阻(102)、控制电路(103)、红外LED驱动电路(104)和红外LED阵列(105)；所述的光传感器(101)与分压电阻(102)串联组成电阻分压电路。
2.如权利要求1所述的人脸识别用的调制光补光装置，其特征在于，所述的调制光补 光装置还包含分别电路连接所述控制电路(103)的稳压电路(106)、晶振电路(107)和复位 电路(108)。
3.如权利要求1所述的人脸识别用的调制光补光装置，其特征在于，所述的红外LED阵 列(105)包含若干组并联的红外LED组，每个红外LED组包含若干串联的红外LED和一个 限流电阻。
4.如权利要求1所述的人脸识别用的调制光补光装置，其特征在于，所述的光传感器 (101)选用光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电 传感器、色彩传感器、CCD电荷耦合器件和CMOS互补金属氧化物半导体图像传感器中的任意一种。
5.如权利要求4所述的人脸识别用的调制光补光装置，其特征在于，所述的光传感器 (101)优选光敏电阻。
6.如权利要求1所述的人脸识别用的调制光补光装置，其特征在于，所述的控制电路 (103)采用单片机。
7.一种人脸识别用的调制光补光方法，其特征在于，该补光方法包含以下步骤 步骤1、光传感器(101)采集可见环境光，将可见环境光转换为相应的模拟量电阻值，光传感器(101)与分压电阻(102)串联组成电阻分压电路；步骤2、电阻分压电路将模拟量电阻值转换为模拟电压信号输出到控制电路(103)； 步骤3、控制电路(103)将模拟电压信号通过A/D转换为数字量电压值Vn ； 步骤4、控制电路(103)计算高电平占空比Pn，跳转到步骤5 ； Pn = ((Pl-PO)/(Vl-VO))* (Vn-VO)+PO ；其中，通过步骤4. 1得到强烈阳光环境下的数字量电压值Vl和占空比Pl ；通过步骤 4. 2得到黑暗环境下的数字量电压值VO和占空比PO ；步骤5、控制电路(103)输出占空比为Pn的PWM脉冲信号给红外LED驱动电路(104)； 步骤6、红外LED驱动电路(104)将PWM脉冲信号放大后，输出给红外LED阵列(105)； 步骤7、红外LED阵列(105)发出经过PWM调制的红外光，跳转到步骤1。
8.如权利要求7所述的人脸识别用的调制光补光方法，其特征在于，在补光装置第一 次运行之前的调试阶段执行如下步骤步骤4. 1、在强烈阳光下，经光传感器101采集、并经过A/D转换的电压值为VI，设占空 比 Pl = 1；步骤4. 2、在黑暗环境下，经光传感器101采集、并经过A/D转换的电压值为V0，从0开 始逐步增大占空比，LED阵列发出的红外光也逐步增大，当调整到占空比PO时，使得摄像头 拍摄的人脸图像亮度能够达到人脸识别的要求，从而得到黑暗环境下的占空比P0。
9.如权利要求7所述的人脸识别用的调制光补光方法，其特征在于，在补光装置第一 次运行之前的调试阶段执行如下步骤步骤6. 1、根据红外LED特性调节串联的限流电阻，确定每组LED的工作电流； 步骤6. 2、根据强烈阳光下补光后的图像质量确定LED的组数。
10.如权利要求9所述的人脸识别用的调制光补光方法，其特征在于，所述的确定LED 的组数的具体步骤为保持红外LED常亮，逐步增加红外LED的并联组数，直到使得摄像头 拍摄的人脸图像中能够有效排除阳光造成的干扰，得到理想的图像。
全文摘要
一种人脸识别用的调制光补光装置和补光方法，该装置包含依次电路连接的光传感器、分压电阻、控制电路、红外LED驱动电路和红外LED阵列，还包含分别电路连接所述控制电路的稳压电路、晶振电路和复位电路。通过光传感器检测户外可见环境光的强度，然后由控制电路输出PWM(脉宽调制)脉冲控制红外LED阵列，使红外LED阵列发出与户外环境光强度相对应的红外光，达到更好的补光效果，从而进一步提高人脸识别的性能。
文档编号H05B37/02GK101917795SQ201010220898
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者唐坚, 朱学曦 申请人:上海洪剑智能科技有限公司