CN102017807B - 用于处理光的照明系统和方法 - Google Patents

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Abstract

所提出的是一种照明系统(100)，包括：多个光源(10)，其配备有被布置用于使得从所述光源发射的光能够包括光源标识代码的编码器(20)。为了使得能够实现光效应试运行、即将所述光源(10)与它们的照明足迹(11)相关联，所述系统还包括：照相机(40)，其被布置用于记录照明光斑(11)的图像；以及信号处理器(111)，其被布置用于从所记录的图像中获得所述光源标识代码。布置所述编码器(20)来以高于预先定义的高等级的频率来调制所发射的光以包括快速代码(12)，并且以低于预先定义的低等级的频率来调制所发射的光以包括慢速代码(13)，这有益地允许使用简单的低成本照相机系统。

Description

用于处理光的照明系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理光的照明系统和方法。这样的系统和方法在创建支持照明的环境(atmosphere)以及系统的光源的光效应试运行(commissioning)时特别有用。
背景技术
用于在一结构(例如房间或其一部分、大厅、车辆等等)中处理光的这样的系统和方法(例如在欧洲专利申请07112664.3中描述的)典型地包括该结构中若干光源的布置。所述光源发射承载代码的光，用来标识光源。将照相机布置在该结构的照相机位置并且记录光斑(spot)的图像允许通过单独的代码的标识来确定哪个光源对照明图案有贡献。该光斑可以例如是地板、墙壁、或者天花板上的照明的区域。该图像甚至可以包括光源的直射光图像。除了从所记录的图像中获得单独的代码之外，信号处理装置还可以确定与关联的光源有关的一个或者多个性质(诸如，例如光源位置、光强度、色点(color point)等等)。该系统和方法的典型应用是光效应试运行以及实时足迹测量。
由于并入光源标识代码所必需的光调制典型地远高于1000Hz(允许对于人眼的不可见性以及用于数据传送的大带宽)，已知的系统需要并入高速照相机来区分代码并且从而区分照明系统中不同光源的足迹。这导致高成本的解决方案。
发明内容
本发明具有以下目的：提供一种上述种类的用于处理光的照明系统和方法，其允许使用低成本照相机系统，同时仍维持嵌入的代码对于人眼不可见和维持足够大的带宽用于数据传送。此目的利用根据如权利要求1中限定的本发明的第一方面的照明系统来实现。一种照明系统包括：多个光源，其配备有被布置用于使得从所述光源发射的光能够包括光源标识代码的编码器；照相机，其被布置用于记录从所述光源发射的光的照明光斑的图像；信号处理器，其被布置用于从所记录的图像中获得所述光源标识代码，所述照明系统的特征在于：所述编码器被布置用于以高于预先定义的高等级的频率来调制所发射的光以包括快速代码，并且以低于预先定义的低等级的频率来调制所发射的光以包括慢速代码。本发明提供了一种照明系统，其有利地允许使用廉价的慢速照相机系统用于所述光源的光效应试运行以及所述光源的足迹的确定。
在一个实施例中，其中所述高等级是100Hz，所述低等级是10Hz。有利地，这允许光调制对于人眼几乎不可见。这些值基于人眼的时间敏感度是高度非线性的这一认识。在典型的照明等级100-500lux处，作为闪光的长度(即，代码切换频率的倒数)的函数的人眼的敏感度表现出低于0.01s(高于100Hz)的非常低的敏感度。这允许快速代码不可见。此外，人眼敏感度在高于0.1s(低于10Hz)的脉冲持续时间中迅速下降并且平稳地成为低敏感度长脉冲尾部。由此，由于该长脉冲尾部不降低为零，因此人类视觉系统允许将低速代码以足够小的幅度并入所发射的光中，以对于照相机可见，同时对于人眼不可见。低成本的低速照相机系统典型地具有25-50帧/秒的帧速率，其非常适合检测足迹图像中的慢速代码。
根据一个实施例，所述照明系统还包括遥控设备，其包括光传感器，所述光传感器被布置用于检测所述快速代码，以允许用户与所述系统的迅速交互。
在一个实施例中，慢速代码调制被布置为处于预先定义的深度范围中，使得所述慢速代码调制能够对于人眼不可见，同时对于照相机可检测。
在一个实施例中，至少四个光源被包括在光模块中，这些光源中的每一个被布置用于发射原色，所述光模块被布置用于以期望的强度和色点(xyY)发射光，其中另外所述编码器被布置用于将慢速代码实现为原色对于强度和色点(xyY)的相对贡献中的调制。有利地，根据此调制方案，人眼将看不到逻辑“1”和“0”在(i)强度(Y)以及(ii)色点(xy)上的任何差异。换言之，将观察不到闪烁。此外，不需要使用色彩敏感的照相机(简单的黑-白照相机就足够)用于记录不同光模块的照明足迹，因为编码/数据被嵌入在原色对于xyY点的相对贡献中。唯一的要求是照相机/传感器具有不同于Vλ的依赖于波长的响应，使得逻辑“1”和“0”导致不同的输出等级。这是对于典型的照相机和光传感器的情况。当使用彩色照相机/传感器时，可以额外地测量足迹的色彩。
在本发明的一个实施例中，编码器20被布置用于使用扩频技术实现所述快速代码和慢速代码。有利地，这允许在快速代码和慢速代码之间不造成不利的干扰的情况下检测所述快速代码和慢速代码两者。
根据第二方面，本发明提供了一种光模块，包括：多个光源，其配备有被布置用于使得从所述光源发射的光能够包括光源标识代码的编码器，所述光模块的特征在于：所述编码器被布置用于以高于预先定义的高等级的频率来调制所发射的光以包括快速代码，并且以低于预先定义的低等级的频率来调制所发射的光以包括慢速代码。
根据第三方面，本发明提供了一种用于在结构中处理源自照明系统的光的方法，所述照明系统包括多个光源，所述方法包括以下步骤：(i)驱动所述光源以发射形成照明光斑的光，(ii)将光源标识代码嵌入所发射的光中，(iii)将照相机布置在所述结构中，使得所述照相机能够记录所述照明光斑，(iv)从所记录的图像中获得所述光源标识代码，以及(v)以高于预先定义的高等级的频率来将所述光源标识代码嵌入所发射的光中作为快速代码，并且以低于预先定义的低等级的频率来将所述光源标识代码嵌入所发射的光中作为慢速代码。
本发明的这些和其它方面从下文中描述的实施例中显而易见，并且将参照下文中描述的实施例而被阐明。
附图说明
本发明的其它的细节、特征和优点结合附图在以下的示例和优选实施例的描述中公开。
图1示出了在结构中安装的照明系统的实施例。
图2示出了用于在从光源发射的光中生成快速和慢速代码的编码器的实施例。
图3示出了照明系统的实施例。
图4示出了将快速代码嵌入由光源发射的光中的调制方案。
图5示出了将慢速代码嵌入由光源发射的光中的调制方案。
具体实施方式
图1示出了具有安装的照明系统100的结构200(在此情况下是房间)。该照明系统包括多个光源10，其配备有被布置用于使得从所述光源发射的光能够包括光源标识代码的编码器(20，参见图2)。所述光源例如可以是高/低压气体放电灯泡、无机/有机LED、或者激光二极管。可能地，可以将若干光源10组合到光模块30中。照明系统还包括置于所述结构200中的照相机40，其使得所述照相机40能够记录从所述光源10发射的光的照明光斑11的图像。例如被并入照相机40或者照明系统100的主控制器(110，参见图3)的信号处理器111被布置用于从所记录的图像中获得所述光源标识代码。通过确定光源标识代码，可以使光源10与它们的照明光斑11的足迹相关。进行此相关(其也被称为光效应试运行)使得用户能够使用包括光传感器51的遥控设备50来直观地创建照明环境。所述遥控设备例如通过无线RF链路与系统进行交互。
所述编码器20(图2)被布置用于向光源10提供驱动信号，所述编码器20包括三个元件。其包括：(i)光信号发生器21，用于创建期望的照明；(ii)快速代码信号发生器22，用于以高于预先定义的高等级的频率来调制从光源10发射的光以包括快速代码12；以及(iii)慢速代码信号发生器23，用于以低于预先定义的低等级的频率来调制所发射的光以包括慢速代码13。优选地，快速代码12的时钟处于高于100Hz的频率，慢速代码13的时钟处于低于10Hz。所有这三个信号被在组合器25中组合，并且被馈送到光源10的驱动器(未示出)。
在一个实施例中，主控制器110包括信号处理器111、同步单元112、以及控制单元113(图3)。在此实施例中，发光系统是完全同步的，即，光源10(经由编码器20)和照相机40全都被连接到同步单元112，并且通过同步单元112被同步，所述同步单元112本质上是参考频率发生器。更具体地，编码器20中的快速代码信号发生器22和慢速代码信号发生器23与同步单元112连接。将在下面讨论通过编码器进行的代码信号的实现。控制单元113连接到光信号发生器21，用于控制光源10的光输出(例如关于强度、和/或色彩等等)。
在一个替代实施例中，照明系统100异步地操作。预先地，有时期望在时间上将来自不同的光源10的光的发射分开，以便能够一次检测从单个光源发射的光。然而，通过使用光源标识代码，不需要在时间上同步光源。代之，光源10可以以异步模式工作，非同步地嵌入标识代码。
有利地，光源10以及它们的照明足迹11的光效应试运行与低成本照相机40相组合地使用慢速代码13。这将是清楚的：光效应试运行仅需要当在结构200中安装照明系统100之后(或者当重新分配结构内的诸如碗橱、沙发、桌、光源等等之类的物体的结构的大整修之后)的开始步骤期间进行。因此，用户可以例如使用遥控设备50来切换照明系统100，开启或关闭嵌入慢速代码。一旦已经执行了光效应试运行，用户可以使用遥控设备50以及被嵌入从光源10发射的光中的快速代码12来创建(注意：将光源与照明足迹相关的光效应试运行数据可以被存储在系统中的例如包括在控制单元113中的存储器设备中并且从其中取回)期望的照明环境。包括在遥控设备中的光传感器51使得能够检测快速代码以及与关联的光源10有关的至少一个发光性质(诸如强度、色点等等)。通过照明系统100的遥控设备50与主控制器110之间的无线链路，用户可以请求系统来提供期望的照明，可以控制照明的发光性质，并且可以将反馈信号提供给系统，以便校正相对于期望的发光性质的任何偏差。
在无适当的设计的情况下在所发射的光中同时嵌入快速代码12和慢速代码13导致两个编码信号之间的干扰，对于实现期望的照明环境不利。在一个实施例中，使用扩频技术来实现快速和慢速代码12、13。这样的技术被称为“码分复用/多路存取”(CDM或者CDMA)。为每个发光源10或者为每一组一个或者多个光源10，分配唯一代码。代码必须是正交的，即，代码的自相关值必须显著高于两个不同代码的互相关值。于是，诸如照相机40或者光传感器51之类的感测设备能够在由不同的光源10进行的经过调制的光的同时传输之间进行辨别，使得感测设备可以标识所述传输中的每一个。此外，感测设备可以测量从所标识的光源10接收的经过调制的光的发光性质(强度、色点等等)。对于经过调制的光的每个感测的发射，感测设备将包含发射光源10的标识以及所测量的发光性质的值的数据传送到主控制器110。取得了这样的数据，主控制器就能够控制光源10，改变所发射的光的强度或者色点，以满足感测设备周围区域中的期望的光效应。
1.图4示出了解释用于利用快速代码12调制由光源10发射的光的扩频调制技术的时间图。由于光源具有其所发射的光可以被调制的最大频率，因此该最大频率的倒数定义最小调制间隔。生成时钟信号，其提供具有大于最小调制间隔的周期时间的脉冲。这里假定时钟周期时间是周期T1。在每个周期T2中，例如凭借脉冲宽度调制(PWM)来传输数据比特。使用此调制方案，当对于传输逻辑“0”时的照明脉冲传输逻辑“1”时，照明脉冲被扩展(参见脉冲的灰色部分)。在周期T3中，完整的代码被传输，标识光源10(在此情况下是代码“101”)。将T3选择为足够短，使得光脉冲的开/关调制不可被人眼感知。由于所传输的占空比平均应当满足照明限制(期望的强度、色彩、或者lux等级)，因此使用像沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)那样的平衡代码是有益的。
图5解释了实现慢速代码13。如之前所解释的，慢速代码需要具有低于大约10Hz的频率以保持对于人眼不可见，同时可被低成本照相机检测。定义用于传输一比特慢速代码13的周期T4，其中T4等于用于不干扰的快速和慢速代码12、13的T3的倍数，完整的慢速代码将在周期T5(T5自身是T4的倍数)中被传送。在此实施例中，使用脉冲幅度调制(PAM)来实现慢速代码，其中相对于传输逻辑“0”的脉冲的高度增大照明脉冲的高度(即，所发射的光的强度)来传输逻辑“1”。如可以从图中看到的，快速代码12和慢速代码13两者都包含光源标识-在此情况下是“101”。由此，在以慢速代码13传输光源标识代码期间，快速代码12传递相同的光源标识代码多次(取决于光源标识代码的长度，在此示例中为6)。关于快速代码12，使用平衡编码方案(即，像沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)方案那样的无直流(DC)代码)对于慢速代码13来说尤其有益，因为这样的方案提供正交性，以对抗感测设备将监视的环境光的长周期DC项。注意：慢速代码13调制不影响快速代码12检测，因为其在诸如光传感器51之类的感测设备操作的T3周期中基本上是DC偏移。像沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)那样的平衡编码方案消除这样的准恒定偏移。
图4和图5描述了仅为例示目的的编码方案。可以在不偏离发明构思的情况下实现替代方案。例如，也可以使用PWM方案来实现慢速代码。代替所描述的开关键控(OOK)，可以应用双相位调制来实现快速和慢速代码。注意：用于慢速代码的双相位调制具有以下优点：光信号(即，导致照明)可以每2×T4周期、而不是在T5周期之后被改变。这在其中照明系统100包括非常多的光源10并且因此光源标识代码较长的情况下尤其有利。这一认识基于以下事实：由于期望的照明应当是恒定的，因此慢速代码的占空比在周期T5中应当是恒定的。使用双相位调制，此限制可以被减轻为2×T4周期。
由于慢速代码以人类视觉系统表现(尽管较低)非零敏感度的频率出现处，因此慢速代码调制被配置为处于预先定义的深度范围中，使得其能够对于人眼不可见，同时对于典型的低成本照相机系统可检测。
在照明系统100的实施例中，其包括光模块30，其中该光模块包括至少四个光源10，每个发射不同原色的光。由此，光模块30构成色彩可变的发光体。例如，光模块30可以包括作为光源发射红色、绿色、蓝色以及琥珀色光的LED。可以通过混合组成的原色而以各种不同的方式实现预先定义的强度和色点(XYZ，等效于xyY)，这是由于这样的4原色系统被过度定义(overdefine)的事实。人类视觉系统在XYZ(或者xyY)坐标保持相同的情况下不辨别光(色彩和强度)是以一种方式还是以另一种方式生成。然而，不同的组合将可被照相机辨别，因为照相机将具有与Vλ(人眼光度函数)不同的波长选择响应，并且每个光源10(即，在此情况下是原色)给出不同的波长响应。由此，在一个实施例中，至少四个光源10被包括在光模块30中。光模块中的每个光源被布置来发射原色，并且光模块30被布置来以期望的强度和色点(XYZ，等效于xyY)发射光。此外，编码器20被布置用于将慢速代码13实现为原色对于强度(Y)和色点(xy)的相对贡献中的调制。由此，慢速代码13在此实施例中标识光模块30，而不是单独的组成光源10。有利地，根据此调制方案，人眼将看不到逻辑“1”和“0”在(i)强度(Y)和(ii)色点(xy)上的任何差异。换言之，将观察不到闪烁。此外，不需要使用色彩敏感的照相机(简单的黑-白照相机就足够)来记录不同光模块的照明足迹，因为编码/数据被嵌入在原色对于xyY点的相对贡献中。唯一的要求是：照相机/传感器具有依赖于波长的响应，使得逻辑“1”和逻辑“0”在照相机/传感器的输出处导致不同的等级。这是对于典型的照相机和光传感器的情况。当使用彩色照相机/传感器时，可以额外地测量足迹的色彩。
由此，所提出的是一种照明系统100，包括：多个光源10，其配备有被布置用于使得从所述光源发射的光能够包括光源标识代码的编码器20。为了使得能够进行光效应试运行，即，使光源10与它们的照明足迹11相关，所述系统还包括：照相机40，其被布置用于记录照明光斑11的图像；以及信号处理器111，其被布置用于从所记录的图像中获得所述光源标识代码。布置所述编码器20以便以高于预先定义的高等级的频率来调制所发射的光以包括快速代码12，并且以低于预先定义的低等级的频率来调制所发射的光以包括慢速代码13，有益地允许使用简单的低成本的照相机系统。
尽管已经参照上述实施例阐明了本发明，但是可以使用替代实施例来达到相同目的是明显的。例如，代替以结构200的地板或者墙壁上的照明的区域的形式记录照明光斑11，照相机40可以被放置在地板附近并且朝上，以便记录来自光源10的直射光。于是，光斑由光源的出射窗构成。因此，本发明的范围不限于上述实施例。相应地，本发明的精神和范围仅由权利要求以及它们的等效物限制。

Claims (9)

1.一种照明系统(100)，包括：
-多个光源(10)，其配备有被布置用于使得从所述光源发射的光能够包括光源标识代码的编码器(20)，
-照相机(40)，其被布置用于记录从所述光源(10)发射的光的照明光斑(11)的图像，
-信号处理器(111)，其被布置用于从所记录的图像中获得所述光源标识代码，
其特征在于
所述编码器(20)被布置用于以高于预先定义的高等级的频率来调制要发射的光以包括快速代码(12)，并且以低于预先定义的低等级的频率来调制要发射的光以包括慢速代码(13)，其中高于预先定义的高等级的频率允许对于人眼的不可见性以及用于数据传送的大带宽，以及其中低于预先定义的低等级的频率允许对于照相机(40)的可见性和对于人眼的不可见性。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述高等级是100Hz，所述低等级是10Hz。
3.根据权利要求1所述的照明系统，还包括遥控设备(50)，其包括光传感器(51)，所述光传感器(51)被布置用于检测所述快速代码以及与关联的光源(10)有关的至少一个发光性质。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其中，慢速代码(13)调制处于这样的预先定义的深度范围中：使得所述慢速代码(13)调制对于人眼不可检测，同时对于照相机(40)仍可检测。
5.根据权利要求1所述的照明系统，其中，至少四个光源(10)被包括在光模块(30)中，这些光源中的每一个被布置用于发射原色，所述光模块(30)被布置用于以期望的强度和色点(xyY)发射光，其中所述编码器(20)还被布置用于将慢速代码(13)实现为原色对于强度和色点(xyY)的相对贡献中的调制。
6.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述编码器(20)被布置用于使用扩频技术实现所述快速代码(12)和慢速代码(13)。
7.一种光模块(30)，包括：
-多个光源(10)，其配备有被布置用于使得从所述光源发射的光能够包括光源标识代码的编码器(20)，其特征在于
-所述编码器(20)被布置用于以高于预先定义的高等级的频率来调制要发射的光以包括快速代码(12)，并且以低于预先定义的低等级的频率来调制要发射的光以包括慢速代码(13)，
其中高于预先定义的高等级的频率允许对于人眼的不可见性以及用于数据传送的大带宽，以及其中低于预先定义的低等级的频率允许对于照相机(40)的可见性和对于人眼的不可见性。
8.根据权利要求7所述的光模块，其中，所述高等级是100Hz，所述低等级是10Hz。
9.一种用于在结构(200)中处理源自照明系统(100)的光的方法，所述照明系统包括多个光源(10)，所述方法包括以下步骤：
-驱动所述光源(10)以发射形成照明光斑(11)的光，
-将光源标识代码嵌入要发射的光中，
-将照相机(40)布置在所述结构中，使得所述照相机(40)能够记录所述照明光斑(11)，
-从所记录的图像中获得所述光源标识代码，
其特征在于
-以高于预先定义的高等级的频率来将所述光源标识代码嵌入要发射的光中作为快速代码(12)，并且以低于预先定义的低等级的频率来将所述光源标识代码嵌入要发射的光中作为慢速代码(13)，
其中高于预先定义的高等级的频率允许对于人眼的不可见性以及用于数据传送的大带宽，以及其中低于预先定义的低等级的频率允许对于照相机(40)的可见性和对于人眼的不可见性。
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