基于視覺殘余的防偷拍LED矩陣的設計

吳晟宇，邱鈺淳，張 涵

南京工程學院，江蘇 南京 210000

0 引言

如今，相機設備普遍存在于人們的生活中，并且隨著消費者需求的提高，設備的性能也日新月異，在價格走低的同時，尺寸也在向小型化、輕便化靠攏，這在某種程度上導致盜版行業逐漸發展壯大。目前，國內的盜版現象嚴重，部分人群的版權意識薄弱，導致電影、教育資源、商業資料等的盜拍影像廣泛流傳。現有的盜拍手段較隱秘，不易讓人察覺，并且企業或機構防范盜拍的措施比較落后、單一，很難對盜拍行為起到震懾作用，資源泄密后的追查和追責也存在較大困難。

文章設計了一種基于視覺殘余的防盜拍LED矩陣，可以通過控制驅動模塊，調節LED矩陣發光的模式。在此模式下，人眼的觀看體驗不會受到影響，而相機拍攝的快門時間遠高于人眼的反應速度，會捕捉到提前設置好的水印，從而降低盜拍的影像質量，減少盜拍行為。設置的水印可以是靜態的，也可以是動態的。水印的圖像形態可以根據使用者的需求進行調整，使用者只需要利用取模軟件繪制圖形，將對應的數組字符串復制到程序中即可。

1 設計原理

人眼觀察物體時，光會對視網膜產生作用，在光停止作用后，其產生的視覺效果仍會保留一段時間，這就是視覺殘余效應，其主要是由視神經的反應速度較慢造成的。人眼的晶狀體可以成像；感光細胞可以感光，并將光信號轉化為電信號；大腦接收到信號后會產生視覺。感光細胞需要依靠感光色素完成感光，而感光色素的形成需要一定的時間，這就是視覺殘余形成的原理。

相機快門的反應時間要遠小于人眼視覺殘余的時間，根據這一情況，文章設計了一款防偷拍設備。以STC89C52單片機為主控芯片搭建最小系統，通過2片74HC595鎖存器級聯實現列驅動、2片74HC138譯碼器級聯實現行驅動，可以控制一個16×16的LED矩陣。采用逐行掃描的方式點亮LED，可以在程序中加入延時函數調節LED矩陣的刷新頻率，只要將頻率控制在相機快門和人眼視覺殘余的時間之間，就可以在相機中嵌入水印。水印的樣式可以通過預先定義的字符串進行設置，刷新頻率也可以通過延時函數進行設置。

2 系統的硬件設計

2.1 整體設計框圖

整個系統以STC89C52單片機作為主控中心，點陣采用16×16的LED點陣屏，通過行列驅動的方式實現圖像和頻率的刷新。系統硬件的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件的整體框圖

2.2 驅動電路的設計

2.2.1 列驅動

74HC595是具有8位串行輸入和并行輸出功能的位移緩存器[1]。2片74HC595通過級聯，僅用3個I/O口就可以驅動16個LED的引腳，達到列驅動的效果。2片芯片的輸入時鐘（SH_CP）和輸出時鐘（ST_CP）分別對應相連，下一級的數據輸入（DS）連接上一級的級聯輸出端（Q7'）。由于芯片自帶鎖存功能，在驅動LED時，能減少亂序的情況產生。

具體工作過程：當SH_CP處于上升沿時，數據由DS逐個輸入內部的移位寄存器，低位先進、高位后進；當ST_CP處于上升沿時，移位寄存器中的數據進入數據存儲寄存器。OE接低電平進行數據的實時輸出。

2.2.2 行驅動

74HC138譯碼器可接受3位二進制地址輸入，當其發揮功能時，可以提供8個互斥的低有效輸出。2片譯碼器利用使能端級聯，相當于僅用4個輸入端就可以控制16個輸出端，配合三極管放大電路放大電流后，可實現LED矩陣的行驅動[2]。

74HC138譯碼器行控制示意圖如圖2所示，3個二進制地址輸入端A、B、C對應連接。低位譯碼器的E2和高位譯碼器的E1相連，作為第4位的D輸入端，可以實現片選的功能[3]，其余使能端正常提供高有效或低有效電平。當D被賦予低電平時，低位譯碼器被片選，8位輸出根據輸入端A、B、C的電平組合決定，而高位片全輸出高電平；當D被賦予高電平時，高位譯碼器被片選，8位輸出根據輸入端A、B、C的電平組合決定，而低位片全輸出高電平。

圖2 74HC138譯碼器行控制示意圖

3 實物圖

設計得到的防偷拍LED矩陣的實物圖如圖3所示。

圖3 防偷拍LED及最小系統實物圖

4 系統測試及結果

4.1 測試方法

（1）測試環境：光線較昏暗的室內。

（2）測試設備：華為nova8原相機；直徑為5 cm的雙凸透鏡；白色毛絨物件。

（3）測試參數：相機曝光度為1 000；延時變量J的取值為15、20、40、60、80；快門時間S的取值為80 s、100 s、125 s、160 s。

（4）測試過程：提前將原相機曝光度設置為1 000，梯度調節LED矩陣延時函數變量，記錄不同相機快門時間下的水印效果圖。在測試過程中，會將LED矩陣通過雙凸透鏡成像到白色毛絨物件上。沒有嵌入水印的拍攝效果圖如圖4所示。

圖4 不帶水印的拍攝效果圖

4.2 測試結果

測試結果如表1所示。其中，J為控制延時函數的變量，J=15時約為1 ms，反映了LED矩陣的刷新頻率；S為相機快門時間。在程序中，可以利用字符串取“X”和“非X”的字模，以達到嵌入“X”形狀水印的效果。根據表1，隨著延時變量的增大，以及快門時間的縮短，水印嵌入的效果變差，一方面表現在水印呈現不完整，另一方面表現在拍攝時閃爍感增強。因此，選擇合適的延時變量和快門時間是成像質量的保證。

表1 測試結果

5 結論

針對國內盜版行業的現狀，防盜拍措施還有很大的提升空間。不僅要制定和完善相關的法律法規，更需要利用技術手段進行追查問責。文章的設計利用人眼視覺殘余的原理，通過控制驅動電路調節LED矩陣閃爍頻率，可以達到嵌入水印的目的。經過實驗測試，具有一定的可行性。另外，文章的設計利用鎖存器和譯碼器級聯的形式驅動LED矩陣，節省了I/O口，降低了成本，也有利于實現更大規模的驅動。