[發明專利]一種全自動智能恒光控制的LED手術無影燈系統

有效

• 申請號: 201410588273.2
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN104363676B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 劉宇紅;傅建國;吳配貴;李樂樂
• 申請（專利權）人: 許敏
• 主分類號: H05B37/02
• 分類號: H05B37/02
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司32243
• 代理人: 顧伯興

1.一種全自動智能恒光控制的LED手術無影燈系統，其特征在于：其采用攝像傳感技術實現照明區域光照度的閉環控制；該系統包括：CMOS攝像頭，超聲波測距儀，圖像預處理模塊，視頻幀圖像存儲單元，模糊視頻圖像處理模塊，智能控制器，恒流控制器，LED光源組件，步進電機控制器單元模塊；該系統通過CMOS攝像頭獲取被照區域的視頻圖像，通過圖像預處理模塊對圖像進行去噪和增強處理，處理后的數據送入視頻幀圖像存儲單元存放，接著進行模糊視頻圖像處理，通過圖像處理算法獲取照明區域的亮度信息和被照物體的顏色信息，并實時分割處理圖像中出現的遮擋物，獲取遮擋物形成的陰影區域，完成上述處理過程后，智能控制器要根據獲取的照明區域的亮度信息和被照物體的顏色信息，通過模糊神經網絡推算出需調節的LED光源的驅動電流值，再將照明區域的亮度信息和被照物體的顏色信息發送給LED恒流驅動器，調節相應LED的亮度和色溫；

該系統還具有步進電機控制接口和智能化的人機交互控制接口，可連接步進電機對LED燈的位置進行控制，實現照明光斑自動聚焦到工作區域；同時通過觸摸鍵盤用戶可以設置無影燈的工作模式和自定義的照度值；

基于模糊邏輯的視頻圖像處理算法過程為通過圖像灰度對圖像進行分割，對于一幅m×n圖像，其灰度級為0～255，通過原有分割算法對圖像進行預分割，通過預分割得到背景及目標區域，隨機選取有限個背景和目標區域像素點，結合灰度直方圖計算其灰度均值，得到和分別為背景與目標區域閾值，獲得目標區域OR，模糊區域以及背景區域BR的灰度范圍為以及將圖像分為確定的背景區域與目標區域，將背景區域和目標區域視為灰度集論域[0,1,…,F-1]的兩個模糊子集，本系統選用貼近度法中的距離貼進度，其中設論域U＝{x₁，x₂，...，x_n}，對任意的模糊集合A，模糊度為：

L(A)=1mnΣi=1mΣj=1n|μA(xij)-μ0.5(xij)|μA(xij)+μ0.5(xij)---(1)]]>

由該式可以計算出目標區域OR和背景區域BR的模糊度為L_OR和L_BR；

對模糊區內將其所分割范圍和分別加入到OR和BR中，g_f為g_FR集合的分割值，得到兩個新的模糊子集，記為OR′和BR′：

OR′=OR∪{gFR}=OR∪[go‾,gf]---(2)]]>

BR′=BR∪{gFR}=BR∪[gf,gb‾]]]>

由式(1)計算出新的L_OR′和L_BR′，在模糊子集加入了新的元素的情況下，其模糊度函數值會變大，即L_OR′＞L_OR，L_BR′＞L_BR，將其分別與L_OR和L_BR做歸一化，得到兩個模糊度影響因子，記為：

η1(gFR)=LOR′(gFR)LOR---(3)]]>

η2(gFR)=LBR′(gFR)LBR]]>

通過比較η₁和η₂的大小，判斷g_FR的加入是對背景還是目標區域的影響更大；若η₁>η₂,則g_FR對目標區域模糊子集影響更大，即與目標區域相似度更高，所以應將g_FR劃入背景區域的模糊集；反之，則將g_FR劃入遮擋物區域的模糊集；對模糊區域的灰度做同樣處理，則會有某一灰度值g_d，使η₁(g_d)＝η₂(g_d),則g_d為分割閾值；智能控制算法過程為以模糊系統模型為基礎，將每幀視頻圖像中需要識別的目標遮擋物與背景組成的場景看成一個模糊系統，用每一幀中提取的活動目標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神經網絡(FCNN)系統的輸入，利用模糊聚類辨識算法，構建一種能夠對LED的光強分布進行映射的模糊聚類神經網絡(FCNN)模型，對系統的輸出進行預測，給出一組在當前場景狀況下LED光源光強分布和位置分布的最佳控制參數，通過調節LED燈盤的光源照射強度和角度，實現照射工作區域恒光、無影的目的；模糊聚類神經網絡FCNN的結構由兩個部分組成：第一部分是模糊分類器，它由一個三層BP網絡構成，輸入層由P個節點組成，對應輸入向量的P個分量；隱層由C個節點構成，其第i個節點表示輸入向量與第i個聚類中心之間的偏差，它們的傳遞函數為：

dik=||xk-vi||2=Σj=1P(xkj-vij)2]]>

輸出層也由C個節點組成，每個節點的輸出代表輸入向量對某一類別的隸屬度，輸入節點與隱層節點之間的連接權代表了某一類的聚類中心v_i，它需要由學習算法進行優化；隱層節點與輸出節點之間采用無加權連接，它與各子網絡的輸出共同組成第三層節點的輸入，第二部分由C個子網絡組成，每個子網絡由一個雙層網絡構成，連接權矩陣w_i＝(w_i1，w_i2，…，w_iQ)^T，其中w_ij＝(w_j0⁽ⁱ⁾，w_j1⁽ⁱ⁾，w_j2⁽ⁱ⁾，…，w_jP⁽ⁱ⁾)，輸入向量θ_k＝(1，x_k1，x_k2，…，x_kP)^T，第i個子網絡的輸出為：它完成第k個輸入樣本的第i類規則后見輸出的計算，系統總的輸出為

系統輸出y_k將給出當前圖像場景中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現使被照區域的照度到達規定的值并保持恒定，同時又消除工作區陰影的目的，輸出y_k將作為調節量控制LED光源驅動電流和LED燈盤投射角度。