基于视觉残余的防偷拍LED矩阵的设计

吴晟宇，邱钰淳，张 涵

南京工程学院，江苏 南京 210000

0 引言

如今，相机设备普遍存在于人们的生活中，并且随着消费者需求的提高，设备的性能也日新月异，在价格走低的同时，尺寸也在向小型化、轻便化靠拢，这在某种程度上导致盗版行业逐渐发展壮大。目前，国内的盗版现象严重，部分人群的版权意识薄弱，导致电影、教育资源、商业资料等的盗拍影像广泛流传。现有的盗拍手段较隐秘，不易让人察觉，并且企业或机构防范盗拍的措施比较落后、单一，很难对盗拍行为起到震慑作用，资源泄密后的追查和追责也存在较大困难。

文章设计了一种基于视觉残余的防盗拍LED矩阵，可以通过控制驱动模块，调节LED矩阵发光的模式。在此模式下，人眼的观看体验不会受到影响，而相机拍摄的快门时间远高于人眼的反应速度，会捕捉到提前设置好的水印，从而降低盗拍的影像质量，减少盗拍行为。设置的水印可以是静态的，也可以是动态的。水印的图像形态可以根据使用者的需求进行调整，使用者只需要利用取模软件绘制图形，将对应的数组字符串复制到程序中即可。

1 设计原理

人眼观察物体时，光会对视网膜产生作用，在光停止作用后，其产生的视觉效果仍会保留一段时间，这就是视觉残余效应，其主要是由视神经的反应速度较慢造成的。人眼的晶状体可以成像；感光细胞可以感光，并将光信号转化为电信号；大脑接收到信号后会产生视觉。感光细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时间，这就是视觉残余形成的原理。

相机快门的反应时间要远小于人眼视觉残余的时间，根据这一情况，文章设计了一款防偷拍设备。以STC89C52单片机为主控芯片搭建最小系统，通过2片74HC595锁存器级联实现列驱动、2片74HC138译码器级联实现行驱动，可以控制一个16×16的LED矩阵。采用逐行扫描的方式点亮LED，可以在程序中加入延时函数调节LED矩阵的刷新频率，只要将频率控制在相机快门和人眼视觉残余的时间之间，就可以在相机中嵌入水印。水印的样式可以通过预先定义的字符串进行设置，刷新频率也可以通过延时函数进行设置。

2 系统的硬件设计

2.1 整体设计框图

整个系统以STC89C52单片机作为主控中心，点阵采用16×16的LED点阵屏，通过行列驱动的方式实现图像和频率的刷新。系统硬件的整体框图如图1所示。

图1 系统硬件的整体框图

2.2 驱动电路的设计

2.2.1 列驱动

74HC595是具有8位串行输入和并行输出功能的位移缓存器[1]。2片74HC595通过级联，仅用3个I/O口就可以驱动16个LED的引脚，达到列驱动的效果。2片芯片的输入时钟（SH_CP）和输出时钟（ST_CP）分别对应相连，下一级的数据输入（DS）连接上一级的级联输出端（Q7'）。由于芯片自带锁存功能，在驱动LED时，能减少乱序的情况产生。

具体工作过程：当SH_CP处于上升沿时，数据由DS逐个输入内部的移位寄存器，低位先进、高位后进；当ST_CP处于上升沿时，移位寄存器中的数据进入数据存储寄存器。OE接低电平进行数据的实时输出。

2.2.2 行驱动

74HC138译码器可接受3位二进制地址输入，当其发挥功能时，可以提供8个互斥的低有效输出。2片译码器利用使能端级联，相当于仅用4个输入端就可以控制16个输出端，配合三极管放大电路放大电流后，可实现LED矩阵的行驱动[2]。

74HC138译码器行控制示意图如图2所示，3个二进制地址输入端A、B、C对应连接。低位译码器的E2和高位译码器的E1相连，作为第4位的D输入端，可以实现片选的功能[3]，其余使能端正常提供高有效或低有效电平。当D被赋予低电平时，低位译码器被片选，8位输出根据输入端A、B、C的电平组合决定，而高位片全输出高电平；当D被赋予高电平时，高位译码器被片选，8位输出根据输入端A、B、C的电平组合决定，而低位片全输出高电平。

图2 74HC138译码器行控制示意图

3 实物图

设计得到的防偷拍LED矩阵的实物图如图3所示。

图3 防偷拍LED及最小系统实物图

4 系统测试及结果

4.1 测试方法

（1）测试环境：光线较昏暗的室内。

（2）测试设备：华为nova8原相机；直径为5 cm的双凸透镜；白色毛绒物件。

（3）测试参数：相机曝光度为1 000；延时变量J的取值为15、20、40、60、80；快门时间S的取值为80 s、100 s、125 s、160 s。

（4）测试过程：提前将原相机曝光度设置为1 000，梯度调节LED矩阵延时函数变量，记录不同相机快门时间下的水印效果图。在测试过程中，会将LED矩阵通过双凸透镜成像到白色毛绒物件上。没有嵌入水印的拍摄效果图如图4所示。

图4 不带水印的拍摄效果图

4.2 测试结果

测试结果如表1所示。其中，J为控制延时函数的变量，J=15时约为1 ms，反映了LED矩阵的刷新频率；S为相机快门时间。在程序中，可以利用字符串取“X”和“非X”的字模，以达到嵌入“X”形状水印的效果。根据表1，随着延时变量的增大，以及快门时间的缩短，水印嵌入的效果变差，一方面表现在水印呈现不完整，另一方面表现在拍摄时闪烁感增强。因此，选择合适的延时变量和快门时间是成像质量的保证。

表1 测试结果

5 结论

针对国内盗版行业的现状，防盗拍措施还有很大的提升空间。不仅要制定和完善相关的法律法规，更需要利用技术手段进行追查问责。文章的设计利用人眼视觉残余的原理，通过控制驱动电路调节LED矩阵闪烁频率，可以达到嵌入水印的目的。经过实验测试，具有一定的可行性。另外，文章的设计利用锁存器和译码器级联的形式驱动LED矩阵，节省了I/O口，降低了成本，也有利于实现更大规模的驱动。