基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法及装置

1.一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1，在灶头上方安装摄像头，摄像头以固定间隔时间δ秒拍摄一幅正在烹煮的粥、奶的纹理图像；
步骤2，对该幅纹理图像计算其粗糙度，具体方法如下：对该幅图像的每个像素点p(x,y)，计算在五种不同尺寸的窗口中的灰度平均值Ak(x,y)，以p点为中心点的五种窗口k k
的大小为：2*2，k=1,2,3,4,5，其中：
函数f(x，y)为纹理图像在坐标(x，y)处的灰度值；
步骤3，在每个像素的水平和垂直两个方向，计算对应于每个k值的不重叠窗口的偏差Ek(x,y)，
K-1 K-1
EK，h(x，y)=|AK(x+2 ,y)-AK(x-2 ,y)|
K-1 K-1
EK，v(x，y)=|AK(x，y+2 )-AK(x，y-2 )|，
并判断每个像素点在水平或垂直方向的使Ek(x,y)最大的一个K值，记为Kmax，令
再取整幅纹理图像所有象素点的Sbest的平均值作为该纹理图像的粗糙度描述子的测量；
步骤4，根据预先设置的阈值分析粗糙度变化程度是否达到阈值的要求，如果达到则发出信号，控制炉具转为文火或低功率状态，并在达到预设的文火慢炖时间后关火；否则返回第一步，继续通过摄像头每隔δ秒拍摄一幅正在烹煮的粥、奶的纹理图像。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于上述摄像头的分辨率在
400*600-200*300之间。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于上述计算每个像素点p(x,y)在五种不同尺寸的窗口中的灰度平均值Ak(x,y)的步骤中，如果超出了图像的坐标范围采用在图像的四周补零的方法。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于上述计算偏差Ek(x,y)的步骤中，如果超出了图像的坐标范围采用在图像的四周补零的方法。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于上述粗糙度变化的阈值为2个单位的粗糙度。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于上述步骤4中，煮奶时的文火慢炖时间设置为0。
7.一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制装置，包括摄像头(1)，和火力控制装置(2)，其特征在于还包括控制上述摄像头(1)和火力控制装置(2)的控制处理模块(3)，以及与该控制处理模块(3)相连的控制面板(9)和时钟模块(10)，所述的控制处理模块(3)包括摄像头控制模块(5)和与该摄像头控制模块(5)连接的用于计算摄像头(1)拍摄的图像粗糙度的沸点检测模块(4)，且沸点检测模块(4)经由文火脉冲输出模块(6)而控制火力控制装置(2)，关火脉冲输出模块(7)自文火脉冲信号后根据数据存储模块(8)存储的文火慢炖时间向火力控制装置(2)发出关火信号，数据存储模块(8)位于控制处理模块(3)内并经由上述控制面板(9)而调整并显示文火慢炖时间；
上述摄像头控制模块(5)控制摄像头每隔1秒钟拍摄一幅图像，沸点检测模块(4)计算此图像的粗糙度，同时存储该粗糙度的数值，并丢弃该图像或者以下一幅图像覆盖该图像，以及计算粗糙度的变化是否达到阈值，如未达到阈值则向摄像头控制模块(5)发出信号继续拍摄图像。
上述沸点检测模块(4)按照以下方式计算图像的粗糙度:
首先，对该幅纹理的每个像素点p(x,y)，计算在五种不同尺寸的窗口中的灰度平均值k k
Ak(x,y)，以p点为中心点的五种窗口的大小为：2*2，k=1,2,3,4,5，其中：
函数f(x，y)为纹理图像在坐标(x，y)处的灰度值；
其次，在每个像素的水平和垂直两个方向，计算对应于每个k值的不重叠窗口的偏差Ek(x,y)，
K-1 K-1
EK，h(x，y)=|AK(x+2 ,y)-AK(x-2 ,y)|
K，v K-1 K-1
E (x，y)=|AK(x，y+2 )-AK(x，y-2 )|，
并判断每个像素点在水平或垂直方向的使Ek(x,y)最大的一个K值，记为Kmax，令
再取整幅纹理图像所有象素点的Sbest的平均值作为该纹理图像的粗糙度描述子的测量。
8.如权利要求7所述的控制装置，其特征在于上述沸点检测模块(4)以2个单位的粗糙度作为计算粗糙度变化程度的阈值。

基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种燃气炉具或电炉设备的控制方法和装置，具体涉及一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法及装置，属于机器视觉及智能电子领域。\n背景技术\n[0002] 烹饪灶具是一种生活必备的厨房用具，主要包括家用燃气灶和电炉。由于燃气价格的不断上涨，燃气灶的热效率性能显得格外重要；同时消费者对燃气灶的安全性、节能性、智能性也提出了更高的要求；并且节能型家电也越来越被国家和电器厂家所重视。\n[0003] 现有的燃气具产品的技术含量较初期有很大的提高，但是大多都着眼于安全性，虽有一部分考虑到了节能性，但主要局限在如何提高单位燃气量的最大供热能力上。无人监督的煮粥做法往往是检测温度或者是直接设置烹饪的时间，如具有煮饭和保温功能的控制器。目前主要有两类产品，一类是半机械式的调谐锅，用改变继电器的通断时间或二极管半波整流的方式来调节沸腾后的功率，但这些功率调节有限，仍会溢出；另一类是电子限温和微电脑控制技术的控制器，电脑中存有事先设置的各种功能控制程序，煲煮过程中不断测量传感器感应的温度，通过继电器的通断比来调节加热功率。\n[0004] 由于气压和每种粥、奶的特性的不同，每种粥、奶的沸腾温度也不一样，温度的阈值往往不好控制。目前的靠检测温度来调节燃气供给量的燃气炉或电炉往往不准确，煮出的粥粘稠度不一。而人眼视觉在粥、奶的沸腾度上具有敏锐地判断能力，根据人眼视觉的判断结果，按照不同粥、奶沸腾后立即控制燃气的供给量，提供不同的燃气火力或电功率。这不仅会节约大量的能源，而且更能保证不同性质的粥、奶按其特性进行烹煮。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是提供一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法，该方法基于人眼视觉对不同粥、奶的沸腾度的判断，能够根据各种粥、奶的沸腾度，控制燃气的供应量或电炉的功率，以克服现有技术的不足。不仅煮粥、奶时可节约燃气能量，而且更能保证不同种类的粥、奶按其特性进行烹煮，不会存在煮过或者煮不熟的情况，完全相当于烹煮过程中人眼对粥、奶在锅内的状态来判断沸腾程度，这种判断方式对于粥、奶种类的不同沸点、地方气压差异具有不变性。\n[0006] 本发明的另一个目的在于提供一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制装置，该装置实现两种功能，一种功能是根据沸点检测模块检测到的沸腾度，自动调节灶具的火力，以实现全自动煮粥、奶；另一种功能是控制从第一次检测到沸点到灶具关闭的时间，称之为文火慢炖时间。控制器中已经对各种粥品分成了六大类，每种粥品文火慢炖时间已经根据经验作了设定，用户可以根据实际修改文火慢炖时间，系统具有自动记忆功能，下次对该类粥品的文火慢炖时间按照上次的设定自动执行。\n[0007] 本发明方法的技术构思如下：\n[0008] 煮粥时，一般先用大火煮开，煮开后改成文火慢炖；煮奶时，当煮开之后可直接关火。如果有人在旁边观察，人眼根据锅中粥、奶的状态很容易判断何时是煮开状态，然后将燃气炉或电炉改为文火或小功率状态抑或关火，从而节约了大量的能源。\n[0009] 粥、奶的表面结构可视为一种纹理图像，煮的过程中，粥、奶表面特征会有明显的起伏变化和结构变化，这种特性和纹理的粗糙度非常相似；而人眼对粥、奶品的特征的变化与人眼对纹理的粗糙度感知有很大的关系，所以可以用纹理的粗糙度描述子来定量的描述粥品在烹煮过程中的特征变化，提出一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法，可实现相当于人眼视觉的监督效果。本发明是基于Tamura的纹理粗糙度的描述子，来总结每种粥、奶在烹煮过程中粗糙度的变化规律的。值得说明的是通过实验发现当粥、奶煮沸时或者说达到沸点时，粥、奶表面的各种特征是最不均匀的，此时粗糙度最大，而这种最大值是很容易检测到的，因此检测该最大值可作为判断沸点的依据。\n[0010] 为了有利于描述本发明的技术方案，需要简单介绍一下纹理粗糙度描述子的概念和含义：\n[0011] 粥、奶表面可以看成是一种纹理，而纹理的粗糙度描述子是与人类视觉感知相关联的一种主要的描述子之一，用于描述纹理基元的平均尺度。一幅纹理中通常包括多种尺度的纹理基元，粗糙度描述子与图像的灰度级空间变化有关，也就是与图像的纹理基元的尺寸有关，粗糙度描述子的目的就是要分辨出纹理中的平均纹理基元的尺度，既描述粥、奶表面的变化程度。\n[0012] 一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：\n[0013] 步骤1，在灶头上方安装摄像头，摄像头以固定间隔时间δ秒拍摄一幅正在烹煮的粥、奶的纹理图像；\n[0014] 步骤2，对该幅纹理图像计算其粗糙度，如下：对该幅图像的每个像素点p(x，y)，计算在五种不同尺寸的窗口中的灰度平均值Ak(x，y)，以p点为中心点的五种窗口的大小k k\n为：2*2，(k＝1，2，3，4，5)，其中：\n[0015] \n[0016] 函数f(x，y)为纹理图像在坐标(x，y)处的灰度值；\n[0017] 步骤3，在每个像素的水平和垂直两个方向，计算对应于每个k值的不重叠窗口的偏差Ek(x，y)，\n[0018] EK，h(x，y)＝|AK(x+2K-1，y)-AK(x-2K-1，y)|\n[0019] EK，v(x，y)＝|AK(x，y+2K-1)-AK(x，y-2K-1)|，\n[0020] 并判断每个像素点在水平或垂直方向的使Ek(x，y)最大的一个K值，记为Kmax[0021] 令\n[0022] 再取整幅纹理图像所有象素点的Sbest的平均值作为该纹理图像的粗糙度描述子的测量；\n[0023] 步骤4，根据预先设置的阈值分析粗糙度变化程度是否达到阈值的要求，如果达到则发出信号，控制炉具转为文火或低功率状态，并在达到预设的文火时间后关火；否则返回第一步，继续通过摄像头每隔δ秒拍摄一幅正在烹煮的粥、奶的纹理图像。\n[0024] 本发明正是根据不同尺寸的非重叠窗口的平均信号的不同，即通过检测这种最大的不均匀特征，作为判断粥的沸点的依据。\n[0025] 因为粥、奶在烹煮过程中会有水蒸气冒出，为了防止水蒸汽覆盖摄像头，一般将摄像头设置在偏离灶头正上方30～40度的位置处。\n[0026] 上述摄像头的分辨率不必太高，一般在400*600-200*300之间即可。\n[0027] 上述计算每个像素点p(x，y)在五种不同尺寸的窗口中的灰度平均值Ak(x，y)中，如果超出了图像的坐标范围采用在图像的四周补零的方法。\n[0028] 上述计算偏差Ek(x，y)的步骤中，如果超出了图像的坐标范围采用在图像的四周补零的方法。\n[0029] 一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制装置，包括一个用于模拟人眼视觉的摄像头，和火力控制装置，其特征在于还包括控制上述摄像头和火力控制装置的控制处理模块，以及与之相连的控制面板和时钟模块，所述的控制处理模块包括摄像头控制模块和与之连接的用于计算摄像头拍摄的图像粗糙度的沸点检测模块，且沸点检测模块经由文火脉冲输出模块而控制火力控制装置，关火脉冲输出模块根据数据存储模块存储的文火慢炖时间自文火脉冲信号后向火力控制装置发出关火信号，数据存储模块位于控制处理模块内并经由上述控制面板而调整文火慢炖时间。\n[0030] 上述控制处理模块可以通过单片机或者dsp实现。\n[0031] 上述控制面板可采用电容式感应按键，用于粥、奶的选择，与炖煮时间的修改。\n[0032] 本发明的步骤和装置结构简单、可靠易行、判断精确，实现了对煮粥煮奶自动火力控制的无监督判断，可有效地防止煮粥煮奶时的溢出，避免事故的发生，也节省了能源；显然本发明的技术方案也适用于以微型控制器为基础的工业和商业炉灶设备。\n[0033] 自动切换到文火状态后，可根据要煮的粥的性质，检测系统参数判断粥达到沸点后，需要文火炖多长时间；煮奶时，不用文火慢炖了，可立即关火或者将文火慢段时间设置为零。上述装置内具有预设的6种粥品和奶品共七个选择按钮的人机界面(即显示面板)，和一块显示各种粥文火炖煮的时间的电子屏，以及对时间修改的按钮和启动按钮，在开始煮粥前用户可根据显示面板选择煮粥的类型，系统中已预先设置6种粥的文火煮时间，当然此时间也可由用户自己修改。按下启动键就可实现无人监督自动煮粥煮奶，即可根据各种粥、奶煮开时的特征，控制燃气灶具自动动作，不仅节约能源，防止溢出，避免忘记关火的事故发生，而且做到粥品营养和美味俱佳的效果。\n附图说明\n[0034] 图1本发明的粗糙度计算示意图。\n[0035] 其中图1a与图1b分别是计算纵向和横向不重叠窗口的偏差的示意图。\n[0036] 图2各种粥和奶的粗糙度变化和沸点检测示意图(横坐标为时间，纵坐标为粗糙度)。\n[0037] 图3本发明的主程序流程图。\n[0038] 图4本发明的自动火力控制装置的结构示意图(图中包含了灶具)。\n[0039] 其中，1、摄像头，2、火力控制装置，3、控制处理模块，4、沸点检测模块，5、摄像头控制模块，6、文火脉冲输出模块，7、关火脉冲输出模块，8、数据存储模块，9、控制面板，10，时钟模块，11、灶头，12、火力控制阀，13、灶具。\n具体实施方式\n[0040] 一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：\n[0041] 步骤1，在燃气灶具或者电炉的灶头上方安装摄像头装置，为了防止水蒸汽覆盖摄像头，一般将摄像头设置在偏离灶头正上方30～40度的位置处；摄像头以固定间隔时间δ秒拍摄一幅正在烹煮的粥、奶的纹理图像，δ的取值范围可在0.1～2秒，为了便于计算可令δ＝1秒；摄像头的分辨率不需要非常高，一般在400*600——200*300之间即可，如实验时用的分辨率为321*521的摄像头。\n[0042] 步骤2，对该幅纹理计算其粗糙度，具体方法如下：\n[0043] 对该幅纹理的每个像素点p(x，y)，计算在五种不同尺寸的窗口中的灰度平均值k k\nAk(x，y)，以p点为中心点的五种窗口的大小为：2*2，(k＝1，2，3，4，5)，其中：\n[0044] \n[0045] 如图1所示，纹理图像的原点(0，0)坐标设在左上角，向下为x坐标方向，向右为y坐标方向，x的取值范围为[0，320]，y的取值范围为[0，520]，图中黑色圆点表示粥粒，黑色方点即为p点，其坐标为(x，y)，实线方框为p点的邻域(以p点为中心的窗口)，其大小为k k\n2*2，(k＝1，2，3，4，5)，按照公式(1)，计算以p点为中心的邻域的灰度平均值，函数f(x，y)为在坐标(x，y)处的灰度值。\n[0046] 对于每一个点，计算其Ak，(k＝1，2，3，4，5)，这一步结束后对图像中的每个点，对应着五个Ak值，在计算中如果超出了图像的坐标范围可在图像的四周补零，如对于A2的计算，图1中实线所示的16个小方格为计算A2时对应的(x，y)的邻域：\n[0047] \n[0048] 当对于边界像素计算A2时，需要在图像的左边补2列0，图像的上边补2行0，图像的下面补一行零，图像的右边补一列零；当然也可以复制临近的图像像素灰度值填充到补零的位置，对于其他的Ak值计算类似。\n[0049] 步骤3，在每个像素的水平和垂直两个方向，计算对应于每个k值的不重叠窗口的偏差Ek(x，y)，\n[0050] EK，h(x，y)＝|AK(x+2K-1，y)-AK(x-2K-1，y)| (3)\n[0051] EK，v(x，y)＝|AK(x，y+2K-1)-AK(x，y-2K-1)| (4)\n[0052] 如对于E2，h(x，y)的计算，如图1a所示\n[0053] E2，h(x，)＝|A2(x+2，y)-A2(x-2，y)| (5)\n[0054] 图1a中的圆点方框为计算A2(x+2，y)时，点(x+2，y)对应的邻域窗口，按照(1)式计算其值，点画线方框为计算A2(x-2，y)时，点(x-2，y)对应的邻域窗口，按照(1)式计算其值，以上两个邻域窗口为非重叠窗口(两个窗口没有共同的像素)；相应的纵坐标方向的计算雷同，如图1b所示；\n[0055] 并判断每个像素点在水平或垂直方向的使Ek(x，y)最大的那K值，记为Kmax[0056] 令\n[0057] 再取整幅纹理图像所有象素的Sbest的平均值作为该纹理的粗糙度描述子的测量。\n[0058] 步骤4，计算完一幅纹理后，该纹理图像不必保存，这样对dsp的存储容量要求较低，但要保存(6)中的结果作为该幅纹理的粗糙度测度；根据预先设置的阈值(阈值的设置在此部分之后说明)分析粗糙度变化程度是否达到阈值的要求，如果达到则发出信号，控制炉具转为文火或低功率状态，并在达到预设的文火时间后关火；否则转步骤(1)，继续通过摄像头每隔δ秒拍摄一幅正在烹煮的粥、奶的纹理图像。\n[0059] 由于粗糙度的计算是基于不重叠窗口的均值偏差，所以对环境的明暗和光线的照射方向是不敏感的，也就是具有光照不变性，增加了判别的稳定性。\n[0060] 实验结果显示，各种不同的粥、奶有着类似的变化规律，如图2所示。\n[0061] 图2中横坐标为按照每隔1秒的时间拍摄的图像，也就是时间轴，纵坐标为按照上述方法计算出的粗糙度描述子。随着持续烹煮，发现各种粥的粗糙度的变换规律，即每种粥的粗糙度的值都是遵循着先升后降的变换规律，每种粥的粗糙度曲线的最高点对应的拍摄到的图像恰好是粥刚刚煮开时对应的状态，该类图像显示此时各种粥正处在刚刚煮沸的状态，此后拍摄的是煮沸程度越来越大的纹理图像。经过实验发现，煮牛奶的变化曲线和图\n2的玉米粥的曲线很类似；并且无论煮其他各种奶品，其变化曲线和牛奶都基本相同；又因为煮牛奶在检测到阈值后，不用文火慢炖了，可立即关火或者将文火慢段时间设置为零，所以不像煮粥那样因文火慢炖时间不同而需要设置6个按钮，只需设置一个表示煮奶的按钮即可。由于检测到的粗糙度最高点处各种粥、奶均处在刚开始煮沸的状态，所以将阈值选在检测到自最大粗糙度下降了某几个粗糙度单位时发出文火控制脉冲信号，控制炉具到文火状态。经过实验发现各种粥的阈值近似为2，即如果检测到自历史最高粗糙度C之后，图像的粗糙度下降程度达到两个单位，则可以确定历史最高粗糙度C即粗糙度的最大值，所对应的时刻即开始沸腾的时刻，同时在粗糙度比最高粗糙度下降2个单位的时刻发出文火控制脉冲信号，并且此时与人眼判断的沸腾状态基本一致。\n[0062] 所以上述分析粗糙度变化是否达到阈值的要求，是判断自历史最大粗糙度之后粗糙度比最高粗糙度下降2个单位的时刻，并于此时刻发出文火控制脉冲信号。事实上，可以将煮奶视为一种无文火慢炖时间的煮粥，当检测到粗糙度下降了两个单位后，直接关火即可以或者设置文火慢炖时间为零。\n[0063] 图2中的‘*’即根据设好的阈值判断的各种粥、奶的沸点(因为是在比最高粗糙度下降2个单位的时刻，大致相当于煮开后5秒钟才发出文火控制信号，所以并不是粗糙度的最高点)。通过实验分别将包括八宝粥、大碴粥、大麦粥、麦片粥、小米粥、玉米粥和牛奶在内的各自的沸点与实拍图像进行了对照，对照结果显示各种粥的沸点提取值与人眼的判断基本一致。\n[0064] 如图4所示，一种基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制装置，包括一个用于模拟人眼视觉的摄像头1，和火力控制装置2，其特征在于还包括控制上述摄像头1和火力控制装置2的控制处理模块3，以及与之相连的控制面板9和时钟模块10，所述的控制处理模块3包括摄像头控制模块5和与之连接的用于计算摄像头1拍摄的图像粗糙度的沸点检测模块4，且沸点检测模块4经由文火脉冲输出模块6而控制火力控制装置2，关火脉冲输出模块7自文火脉冲信号后根据数据存储模块8存储的文火慢炖时间向火力控制装置2发出关火信号，数据存储模块8经由上述控制面板9而调整并显示文火慢炖时间。\n[0065] 上述控制处理模块3可以通过单片机或者dsp实现。\n[0066] 上述控制面板9可采用电容式感应按键，用于粥、奶的选择，与炖煮时间的修改。\n[0067] 上述基于人眼视觉原理的煮粥煮奶火力自动控制装置的控制程序如图3所示，启动后首先检测时间参数δ、阈值以及各种粥慢炖时间；\n[0068] 然后上述摄像头控制模块5控制摄像头每隔δ秒拍摄一幅图像，沸点检测模块4按照上述步骤2和3计算此图像的粗糙度，同时存储该粗糙度的数值，并丢弃该图像或者以下一幅图像覆盖该图像，以及按照上述步骤4计算粗糙度的变化是否达到阈值，如未达到阈值则向摄像头控制模块5发出信号继续拍摄图像；\n[0069] 如达到阈值(如以粗糙度下降程度2个单位为阈值)则通过文火脉冲输出模块6调节灶具为文火，自文火脉冲信号后直至达到数据存储模块8内预定的文火慢炖时间，而通过关火脉冲输出模块7自动关火。\n[0070] 上述数据存储模块8能够存储6种粥品的文火慢炖时间；控制面板的设计包括启动按钮和粥、奶的选择按钮，时间的显示和重新修改按钮。实际操作时，用户先选择奶或粥的种类，然后按下启动按钮即可。如果觉得默认的文火炖煮时间不合适，还可通过控制面板\n9进行手动修改后，再按下启动按钮；如果用户直接按下启动按钮，系统按照默认的时间执行。\n[0071] 对于电炉而言，上述火力控制装置2只需能够调节电炉的功率即可；对于燃气炉而言，可在燃气炉上设置电磁阀，上述火力控制装置2可以根据文火脉冲输出模块6或关火脉冲输出模块7输出的电信号通过电磁阀来调节燃气炉的火力，属现有技术。如图4所示，燃气炉可设有2个电磁阀，启动后两个电磁阀同时设为最大通气量，当沸点检测模块4监测到沸点时，文火脉冲控制模块6控制与之相连的电磁阀减少燃气的通气量，又当关火控制脉冲发出时，控制另一个电磁阀处于关闭状态。