微型摄影棚配光与控制系统的设计教材.docx
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微型摄影棚配光与控制系统的设计教材
知明行笃立诚致广
全日制及非全日制专业学位研究生学位论文开题报告
论文题目：
微型摄影棚配光与控制系统的设计
研究生姓名：
林宏国
培养方式：
全日制
学位类别：
工程硕士
所在学院：
光电与信息工程学院
年级/学号：
2015级/20151663
学科专业：
光学工程
研究方向：
光电信息处理及网络通信
指导教师：
郑华
报告时间：
2016年03月09日
福建师范大学学位评定委员会办公室制表
年月日填
注：
1.“学位类别”指教育硕士、体育硕士、艺术硕士、公共管理硕士、翻译硕士、工商管理硕士、社会工作硕士、汉语国际教育硕士、工程硕士、应用统计硕士、农业推广硕士、旅游管理硕士等12种；“培养方式”指全日制（双证）、非全日制（单证）。
2.本表应在导师指导下完成，并于规定时间内递交校学位办，未提交本表者，不得参加学位论文答辩。
3.本表应用黑色或碳素钢笔填写（一式2份），字迹要清楚。
如用计算机打印，除封面外，请用A4纸张双面填写并打印。
4.本表可访问栏下载，保持原格式不变，使用双面打印。
一、本选题的国内外研究现状与趋势（文献综述，含前人的研究成果，当前的研究动态、存在的问题和自己的见解，不少于2000字）
中国是世界上人口最多的国家，对证件照的需求量是很多的。
像身份证，护照，驾照，毕业证，简历等等都离不开一张小小的证件照。
在日本，是证件照要求最多的一个国家，每年大概有6920万次的证件照需求量，其中，履历表1300万件，护照及签证650万件，驾驶证750万件，并且每年呈现一个上升趋势，而中国人口远远高于日本人口，按国家统计局2006年7月公报，人口为13.2亿，流动人口数量已达1.4亿。
按日本年证件照数量类推，随着中国经济的发展，中国年证件照需求量不会低于10亿次[1]。
传统的照相馆需要摄影师布置好灯光及场景后方可拍摄。
拍摄完毕后，不能立即获取照片，还要等待摄影师处理完照片，将合格的照片打印出来才能领取，整个过程耗时长，操作繁杂，而且传统照相馆拍摄所占用空间大，需要拍照者跟被拍照者协调互动才能拍出理想的证件照，面对如此庞大的证件照需求量，传统的照相馆已不能满足现代对证件照的需求。
在这个越来越追求智能化地时代，智能化自助拍照机迎着时代的潮流应运而生。
自助摄影是起源于欧洲的一种全新的拍照模式照相馆，在这里没有摄影师，顾客进入摄影棚，可以拿着无线遥控快门完全按照自己的意愿和想法进行拍摄，2010年进入国内。
深受酷爱个性年轻群体青睐，自助摄影系统是为自助摄影量身定制的操作系统，让自助摄影的理念成为可能。
这套系统具有：
光影智能匹配、模式智能识别、同步闪光抓拍、高清即拍即现、灵动触摸大屏、内置千种摄影主题，可以输出高清psd格式大片，特别方便后期制作影像产品。
由街头拍客自拍照相馆独家研制。
可以实行实景自拍功能：
采用背景布、背景纸，婚纱摄影、儿童摄影、青春写真、亲子照、全家福、合影留念、证件照等传统摄影能办到的。
自助摄影是对单反相机遥控拍摄技术的衍生，利用引闪遥控器控制单反相机和闪光灯联动作业，同期配备特制电脑程序控制影像输出、传送，在大屏幕中实拍实显；与风行亚洲的大头贴自动拍照相机不同，大头贴是利用摄像头进行的简单画面捕捉，在拍摄效果上，大头贴普遍在100万像素以内，采用常亮光源（白炽灯）。
自助摄影采用影楼级专业设备（闪光灯、单反），拍摄过程，瞬间引闪，像素超过1500万，对光影的敏感捕捉使人物更立体，画面表现更丰富。
随着自助式证件快照机器在市场兴起，目前在学校，地铁，大型超市等公共场合开始优先铺设自动照相系统。
甚至在生日派对，婚礼，毕业典礼，各种会议，各种展览和各种派对等都可以见到这样的设备[3]。
目前国内主要有三家公司做自助照相机：
万铭达数码科技开发有限公司；思迈数码科技有限公司；新丰光科技有限公司。
目前这些产品拍摄的照片已经可以达到证件照的要求，并且根据戴眼镜的客户在正常配光模式下眼镜会反光的特点配备了眼镜配光模式和正常配光模式。
目前这些产品拍摄的照片已经可以达到日常出入境证件照的要求。
但这些产品仍存在不足之处，如人物拍摄立体感不强、需要手动调整电动座椅、客户体验舒适感较差等。
而且，自助照相亭主要分布在一线大城市中，如北京，上海，深圳。
而二三线城市几乎没有分布，面对如此广阔的发展空间和需求量，针对目前自助拍照机的不足，结合传统摄影棚的布光方式，设计合理的微型摄影棚和布光系统，使用户拍摄得到的证件照独具个人气质。
传统的照相馆配备有四种类型的光源
主光：
在小型摄影棚机型中主光灯应放置在被摄者左前方1米左右的位置可根据实际情况调节距离主光高度约为一米光线方向与相机夹角45度直射被摄人物用于产生明暗光增加真实感。
主光在整体布光体系中占支配地位线品质相对较硬,它对表现人物形态、轮廓和质感起主导作用。
判断主光灯位是否正确的简单方法鼻尖的阴影是否投射到嘴角。
目前大部分照相馆拍摄出来的眼神光都有两个亮斑。
而正确的不光拍摄出来的眼神光只有一个亮点。
保证眼神光的“独一无二”，避免拍摄时采用太平光，应拉开主，辅光的位置和角度，否则根据光线反射角等于入射角的原理，人眼中就很容易形成两个高光点，并且人物面部也会缺乏立体感。
辅光：
辅光灯应放置在被摄者正前方偏右的位置主要目的是减少主光阴影平衡光比。
为了保证一个眼神光,辅光灯箱光线通常比较柔和同时应尽量靠近照相机若被摄者戴眼镜可以升高辅光调整角度避开眼镜片的反光。
发光：
轮廓光应放置于被摄者头顶后侧它可以分离人物和背景增加立体感更好地表现出人物头发的质感和整体画面的层次。
背景光：
背景光常隐藏在被摄者身后用来消除主、辅光的阴影并使背景产生渐变效果。
注：
可用A4纸加附页，页码格式用1-1、1-2……表示。
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二、论文选题的理由或意义：
中国是世界上人口最多的国家，对证件照的需求量是很多的。
像身份证，护照，驾照，毕业证，简历等等都离不开一张小小的证件照。
但传统的照相馆需要摄影师布置好灯光及场景后方可拍摄。
拍摄完毕后，不能立即获取照片，还要等待摄影师处理完照片，将合格的照片打印出来才能领取，整个过程耗时长，操作繁杂，而且传统照相馆拍摄所占用空间大，需要拍照者跟被拍照者协调互动才能拍出理想的证件照，这已不能满足当代快节奏的生活方式，在这个越来越追求智能化地时代，智能化自助拍照机迎着时代的潮流应运而生。
随着自助式证件快照机器在市场兴起，目前在学校，地铁，大型超市等公共场合开始优先铺设自动照相系统。
甚至在生日派对，婚礼，毕业典礼，各种会议，各种展览和各种派对等都可以见到这样的设备。
它不仅操作简单，省时省力，符合现代快节奏的生活方式，因而自助证件快照机器有很大的推广空间，而且我所设计的摄影棚是微型、简单实用的，会让客户端坐在里面拍证件照有舒适感体验，带有配光微型摄影棚的设计占用空间小，所需要的材料在市面上容易获得，所耗用的经济成本不高，这套系统一旦能够在市场上推广，必将带来可观的经济收入，因而微型摄影棚配光与控制系统的设计的研究有很大的现实意义。
注：
可用A4纸加附页，页码格式用2-1、2-2……表示。
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三、研究方法（研究对象、研究手段、技术路线、实验方案等的可行性分析）
研究对象：
本课题要对微型摄影棚尺寸进行设计，根据人的高矮胖瘦，设计出让人感到适合进出的微型摄影棚；结合TracePro这款光学仿真软件建立几何模型;设置光学材质;定义光源参数;接着对灯具进行模拟，使仿真的结果通过调节主辅光灯的光比使人模脸部可以显得饱满，也可以使脸颊两边稍微显得暗淡些，接着对电源驱动进行设计，可以实现对主辅光灯的光比进行调控；最后结合PC机发送的指令给单片机，控制在微型摄影棚中的可升降的摄像机进行升降使其达到适合拍照的高度，拍摄出符合要求的证件照。
本研究系统由以下几个部分组成：
微型摄影棚的设计，灯具的模拟，光源及灯具驱动电源的设计，微型摄影棚控制系统的设计。
研究手段：
运用查找文献法、调查法，根据前人的研究，有目的、有计划、有系统地搜集有关摄影棚证件照光场布置的原理，对查找文献或者调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳、整理选取可行的在微型摄影棚中进行合理的光场的配置；完成光源的选型，通过TracePro光学仿真软件对灯具进行模拟设计，配置各路光源的光强的比例，使其达到本课题要求的一种光场分布，然后搭建实验开发平台，在实验过程中遇到的问题及时同导师进行沟通。
技术路线：
实验方案：
微型摄影棚的设计
根据人的高矮胖瘦，以及根根人的舒适感体验，设计如下所示的微型摄影棚（800*700*1500mm）
灯具的模拟
人物的胖瘦可以通过调节主、辅光的功率和角度来控制。
升高主光灯的位置增大主、辅光之间的角度，可以使被摄者偏瘦；降主光灯的位置减小主、辅光之间的角度可以使被摄者偏胖[4]。
如果人为地去调节主光灯与辅光灯的夹角，显得操作繁琐，智能化体现不出来，应当通过电流或电压法来调节主辅光的光比，从而使瘦的人看起来显胖，而胖的人看起来显瘦。
要达到这个效果灯具的模拟就显得尤为重要。
灯具采用T字形即（用两个相互垂直的长方形面作为发光面），灯具的长宽高设计为192mm,142mm,2mm,灯具仿真模拟图如下：
通过调节两对相互垂直的发光面的光比使胖的人显瘦，而瘦的人显胖，而本实验通过仿真来观察效果，打开人模前面一对前灯和一对侧灯，使拍摄出来效果比较饱满，使瘦的人显胖；而只打开左右一对前灯，使人模的脸颊稍微暗淡些，这样可以使拍摄出来的效果显瘦（现在通过仿真验证可行性）。
利用TracePro光学仿真软件对已建立好的人模进行光场布置，合理的对灯位，材质，主光源和辅光源的光比，表面光源的光通量，对主辅光灯光线角度进行计算等等，使设计的灯具的光场能够符合布光配置。
灯具的模拟主要是对主光源和辅光源的设计，通过TracePro光学仿真软件对人模进行光场仿真，使照射到人模上的光场均匀分布，符合证件照拍摄要求的一种光场。
光源及灯具驱动电源的选型
光源的选取，要考虑以下因素：
光强及发光效率，显色指数，色温，价格及寿命等等。
光强及发光效率：
光的强度一般以照度（lux）或流明（Lm）为计算单位。
发光效率则以每瓦功率所产生的光量标示（如75流明/瓦），效率愈高则表示相同电力可得到更多的光量。
照度：
为每一单位面积所通过的光线，单位为lux。
光束：
为光源所发出的光线（条数），单位为流明（Lm），例如省电灯泡发出780（条）光线，则总光束为780流明。
显色指数：
乃用数字描述物体在灯光照射下呈现出来的颜色与自然光的比较。
即光线对物体颜色呈现的程度，也就是颜色逼真的程度，演色性高的光源对颜色的表现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色，反之，演色性差的光源对颜色的表现偏差也较大。
可见光之波长在380nm至760nm之范围内，也就是我们在光谱中见到的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的范围，如果光源所放射的光之中所含的的各色光的比例和自然光相近，则我们眼睛所看到的颜色也就较为逼真。
就摄影棚光源的选择而言，对演色性的要求应高于其它因素，因其它因素的不足皆有其解决方法（如色温可利用滤镜校正），而演色性为该光源的天性，无法改变。
建议摄影棚光源的演色值（Ra值）应高于90以上，愈高愈好。
目前已有Ra>99的光源产品。
色温：
色温度是以绝对温度K（Kelvin）来表示，乃是将一标准黑体（例如铁）加热，温度升高至某一程度时颜色开始由深江－浅红－橙黄－白－蓝白－蓝，逐渐改变，利用这种光色变化的特性，当某光源的光色与黑体的光色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温度。
色温度在3000K以下时，光色就开始有偏红的现象，给人是一种温暖的感觉。
色温度超过5000K时颜色则偏向蓝光，给人是一种清冷的感觉。
色温会影响一张照片的感觉。
在早晨或黄昏拍摄的照片会偏红，在钨丝灯光下拍摄照片颜色会偏黄，这些现象都是因为当时的色温不能符合软片的色温标准而产生色偏。
彩色软片是针对标准照明的色温而设计，日光型软片以晴天中午5400K为标准，灯光A型正片以泛光灯光3400K为标准，B型正片与L型负片以钨丝灯光3200K为标准。
当色温不符合软片色温标准时，就不能摄得色彩纯正的底片，此时就需要用色温平衡滤光镜（LB滤镜）或灯光校色片来调整。
价格及寿命：
光源的价格及寿命直接影响到拍摄的成本，也是选择光源时的重要考虑因素之一。
以价格而言，知名品牌的售价皆偏高，优点是完成度高、稳定度佳且具完整售后服务。
以寿命而言，持续光源的灯泡、灯管皆属消耗品的一种，寿命愈长则相对成本愈低。
以下罗列着几种灯具参数的特性值：
灯具种类
光效（L/W）
寿命
（h）
色温
（K）
电压
启动时间
表面温度（℃）
可调光暗
显色指数
白炽灯
15
1000
2000/3000
AC220V
>0.5秒
170-550
有
95-99
节能灯
45
5000
2700/6500
AC220V
>1分钟
>70
无
70-90
卤素灯
216
2000
3000
AC230V
>十分钟
>300
有
95-99
LED灯
70-110
100000
3000/7000
DC3.3V
0
<65
有
6-85
由于LED灯光效强，寿命长，作为光源比较适合在摄影棚中使用。
灯具驱动电源:
恒流驱动电路在配光系统中作为关键的电路模块，具备了多通道，恒流输出电流值由取样电阻设定，多通道输出电流一致性高等特点。
目前的LED恒
流驱动输出恒流级采用低压差线性调节恒流技术实现，该技术是在电路内部产生一个基准电压，经过V-I转换（电压转电流模块）生成一路高精度基准电流，输出级再对这路基准电流进行按比例放大输出。
针对LED驱动电流在150mA内，那么输出级电路能够在压降约0.5V情况下实现恒流。
为了保证电流的精度，采用电阻对输出电流进行检测，采用运放进行反馈调节，这类电路输出电流精度高、稳定，但是需要消耗较大的电压降才能保证恒流。
微型摄影棚控制系统的设计
本课题是针对微型摄影棚内的自动升降摄像机进行设计，主要内容为从摄像机中拍出一张照片，根据人脸识别定位人眼坐标，然后再进行系统判断是否符合拍照高度，（设定一定范围的高度为标准高度），然后不符合要求，通过pc机发出指令控制单片机，然后单片机控制升降摄像机进行智能的升降，已达到标准高度。
控制系统设计款图如下：
可行性分析：
（1）本课题是在TracePro这款光学仿真软件中进行模拟仿真，通过对灯具的模拟，使人模采光初具均匀性；
（2）本项目研究所需要的器件如下：
一个摄像头、椅子、PC（装有Tracepro、AutoCad、AltiumDesigner等常用软件）、电机驱动模块，单片等等机所耗用的成本不高，要是能投入市场可以带来可观的经济收益。
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四、学位论文详细提纲
第一章绪论
1.1研究背景及意义
1.2课题相关研究现状
1.3研究内容与论文结构
第二章整体架构思想的构建
2.1证件照规格要求
2.2传统摄影棚光场的配置
2.2.1光源的介绍
2.2.2光场的组成要素
2.3自助证件快照的发展
2.4微型摄影棚的设计
2.5本章小结
第三章光学仿真软件的使用
3.1TracePro软件的简介
3.2微型摄影棚光场的仿真
3.3灯具的模拟
3.4仿真结果分析
3.5本章小节
第四章微型摄影棚的光场设计
4.1光源的选择
4.2电源驱动的选型
4.3微型摄影棚的光场配置
4.4本章小节
第五章控制系统的设计
5.1系统软硬件设计框图
5.2系统硬件的设计
5.2.1电机及驱动的模块的设计
5.2.2单片机的选用及简介
5.3系统的控制程序
5.4本章小节
第六章系统的整体调试及性能分析测试
6.1系统整体性能测试
6.2实验调试
6.3调试结果分析
6.4本章小结
第七章论文小结
7.1本文工作总结
7.2展望
参考文献
致谢
附录
-4-
五、论文工作进度安排
起止时间
工作内容
2015.09-2015.12
调研，做课题的可行性分析,查阅相关文献，撰写文档
2016.01—2016.06
利用TracePro光学仿真软件模拟出一组灯具（主光灯，辅光灯），使模拟出的灯具的的光源对人模进行仿真，使仿真的结果符合真实摄影棚证件照拍照的一种光场。
对电源驱动进行设计，最后搭建微型摄影棚硬件平台
2016.07—2016.10
对控制系统进行设计，搭建好硬件平台，然后进行程序控制，最后进行软件调试，通过图像处理人眼定位法来升降微型摄影棚中智能升降摄像机的高度，使其达到符合最适拍照高度。
2016.11—2016.12
整理文献文档，撰写学位论文
2017.01—2016.03
学位论文修改及自审
2017.04—2017.05
学位论文送审以及答辩
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六、本选题的创新点：
1、我所设计的带有配光微型摄影棚的设计占用空间小、简单实用，会让客户端坐在里面拍证件照有舒适感体验，市面上没有同类产品，具有独创性。
2、利用TracePro光学仿真软件模拟设计出一组灯具，使模拟出的灯具对人模进行仿真，使人模采光均匀化。
3、通过图像处理人眼定位来升降微型摄影棚中智能升降摄像机的高度，使其达到符合最适拍照高度。
七、已具备的研究条件、可能遇到的困难及拟采取的解决方法
已具备的研究条件：
一个摄像头、椅子、PC（装有Tracepro、AutoCad、AltiumDesigner等常用软件）、电机驱动模块，单片机,数字示波器，函数信号发生器，电钻机，数字测光表以及微型摄影棚所用到的材料市场上容易获得。
可能遇到的困难：
（1）灯具的设计是否使人模仿真采光均匀
（2）微型摄影棚尺寸的设计，是否让坐进去拍照者舒适难以掌握
（3）智能控制摄像机进行升降的单片机系统不稳定
拟采取的解决方法：
（1）通过对灯具形状，尺寸，出光角度，光通量的大小的选取使人模脸部采光均匀化
（2）选取不同年龄段的人群，体验下在设计好的微型摄影棚中进行拍照，然后再进行改进。
（3）在单片机系统中加进必要的抗干扰和掉电保护电路。
-6-
八、主要参考文献
序号
作者
文章题目或书目
期刊名称（出版单位）、时间
[1]自助快照亭无人生意最好做[J].职业圈.好财路,2004,06:
54.
[2]李明.自助快照亭迎合忙碌都市人[J].生意通,2010,07:
26.
[3]证件照
[4]高品质的证件照拍摄法及市场前景
[5]司马童.为“身份证自拍”点赞[N].河南日报,2015-09-24015
[6]刘建中.步进电机原理及使用说明[Z].在线工博会，2005.
[7]张明.步进电机的基本原理[J].科技信息，2007,9.
[8]周明安，朱光忠，宋晓华.步进电机驱动技术发展及现状[J].机电工程技术，2005,
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[13]杨平，李少林，谭刚林，智能家居照明系统设计，红外与激光工程，2008,37,316-319
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[21]HassanPF,GabrielARM.Current-SensingTechniquesforDC/DCConverters.IEEE,2002,2:
577-580
注：
可用A4纸另加附页，页码格式用7-1、7-2……表示。
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指导教师意见：
指导教师（签名）：
年月日
专业指导小组审定意见：
指导组组长（签名）：
年月日
学院学位评定分委员会意见：
分委员会主席（签名）：
年月日
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