CN102095496B - 一种测量动态照度分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量动态照度分布的方法，属于光电子测量技术领域；它主要使用数字成像设备对多测点同时进行照度的测量，并用数字图像模式识别技术排除环境影响，获取到被测量空间内的动态照度分布；数字成像设备包括镜头、图像传感器、图形信号处理电路、处理器和接口电路，其中图像传感器和被测平面、透镜一起构成光学成像系统，被测平面为物空间漫反射平面，通过透镜成像在像空间平面上。本发明发挥成像系统以及数字成像设备的优势，为大空间多测点照度同时测量提供一种操作性强、方便简捷的方法；此外，通过数字图像模式识别技术，利用边缘检测有效地判别被测平面是否受到干扰并排除影响，从而实现了照度测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种照度的测量方法，尤其是一种测量动态照度分布的方法，它主要利用数字图像模式识别技术进行测量，属于光电子测量技术领域。
背景技术
照度，是光度学中的一个概念，用以表征物体被照亮的程度。表面上一点处的光照度 
定义为入射在包含该点的面元上的光通量（
）除以该面元面积（
）之商，单位为勒克思（lx），即
。
照度分布一般用平均照度、照度均匀度来描述。
照度的测量通常用光电池式照度计。按接收器的材料，照度计可分为硒光电池式和硅光电池式。测量时，先针对不同的测量对象选择若干有代表性的测点，测点的选择分中心布点法和四角布点法。然后用照度计分别测量出各测点的照度值。
中心布点法的平均照度按式（1）计算：
式中
为纵向测点数，
为横向测点数，
为各测点照度。
四角布点法的平均照度按式（2）计算：
式中
为纵向测点数，
为横向测点数，
为测量区域四个角处的测点照度，
为除外四边上的测点照度，
为四边以内各测点照度。
照度均匀度一般有两种计算方法。照度均匀度（极差）取最小照度与最大照度之比，即
。照度均匀度（均差）取最小照度与平均照度之比，即。
上述照度分布测量方法简单有效，当被测空间较小、测点较少时，操作非常方便。不过，当被测空间加大，或者为了提高照度分布的准确性，需要布置更多的测点时，该方法就相对比较费时。此外，如果需要获取被测空间内的照度动态分布变化，在多测点测量的同步性上，该方法就更见不适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种测量动态照度分布的方法，主要使用数字成像设备对多测点同时进行照度的测量，并在此基础上，针对日常情况下，当测量空间内存在人体、物品等干扰时，用数字图像模式识别技术排除影响，获取到被测量空间内的动态照度分布。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种测量动态照度分布的方法，其特征在于：它主要使用数字成像设备对多测点同时进行照度的测量，并用数字图像模式识别技术排除环境影响，获取到被测量空间内的动态照度分布；数字成像设备包括镜头、图像传感器、图形信号处理电路、处理器和接口电路，其中图像传感器和被测平面、透镜一起构成光学成像系统，被测平面为物空间漫反射平面，通过透镜成像在像空间平面，即图像传感器上；本发明通过以下步骤来实现动态照度分布的测量：
1) 使用数字成像设备获取无干扰情况下的数字图像I0，并对图像I0进行边缘检测；
2) 根据边缘检测结果，确定测点所在被测平面Si和测点集合P；
3) 确定被测平面Si照度值与数字图像灰度值之间函数关系F(Y)；
4) 在正常干扰情况下获取数字图像Ii，并对图像Ii进行边缘检测；
5) 利用I0和Ii的边缘特征进行模式识别，确定排除干扰后有效测点集合P'；
6) 利用有效测点所在平面对应的F(Y)函数，可计算被测平面Si的平均照度、照度均匀度，即得到被测空间的动态照度分布。
本发明所述的边缘检测是指使用数学方法提取图像像元中具有亮度值（灰度）空间方向梯度大的边、线特征的过程，以期达到识别物体边缘的目的，本发明中，边缘检测采用Canny算子。
本发明所述的被测平面Si照度值E与数字图像灰度值Y之间函数关系F(Y)，F(Y)=
，其中F为镜头的光圈数，
是镜头的光能损失率（即透射比），
是视场角，
是漫反射表面的亮度与照度的反射比。
本发明所述的利用数字图像I0和Ii的边缘特征进行模式识别，其中无干扰情况下数字图像I0的测点集合为P，正常干扰情况下数字图像Ii中干扰Ii1和Ii2所包含的点集合为Pi1和Pi2，则在原被测点集合P中去除干扰点集合Pi1和Pi2后所得到的点即为有效测点P'。
本发明与现有技术相比，具有以下明显效果：本发明利用图像传感器将光信号转化为电信号，发挥成像系统以及数字成像设备的优势，为大空间多测点照度同时测量提供一种操作性强、方便简捷的方法；此外，通过数字图像模式识别技术，利用边缘检测有效地判别被测平面是否受到干扰并排除影响，从而在完成动态照度分布测量的同时，实现了照度测量的准确性。
附图说明
图1为本发明中数字成像设备的结构示意图。
图2为本发明中光学成像系统的结构示意图。
图3为本发明的操作流程图。
图4为本发明实际应用中视场角的示意图。
图5为本发明中原测点集合P及边缘特征点的示意图。
图6为本发明中图像Ii的边缘特征点示意图。
图7为本发明中干扰Ii1和Ii2的边缘特征点。
图8为本发明中有效测点集合P'的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
参见图1～图2，本发明主要使用数字成像设备4对多测点同时进行照度的测量，并用数字图像模式识别技术排除环境影响，获取到被测量空间内的动态照度分布；数字成像设备4包括镜头5、图像传感器3、图形信号处理电路6、处理器7、接口电路8和供电电路9，其中图像传感器3和被测平面1、透镜2一起构成光学成像系统，被测平面1为物空间漫反射平面，通过透镜2成像在像空间平面，即图像传感器3上。
参见图3，现结合流程图对本发明作进一步的阐述。
第一步，在无干扰情况下，被测平面1为物空间漫反射平面，通过透镜2成像在像空间平面，即图像传感器3上，从而获取到数字图像I0。
对数字图像I0进行边缘检测，边缘检测可选用Sobel、Roberts、Prewitt、Canny等算子。通常情况下，Canny算子对边缘点的定位更准确，并能有效抑制虚假边缘，故首选Canny算子进行边缘检测，进而得到图像I0的边缘特征值。
第二步，根据边缘检测结果，将数字图像I0划分成若干平面区间，结合实际需要，确定测点所在的被测平面Si。被测平面Si由若干测点组成，这些测点集合为P。一个被测平面拥有多个测点，保证了在某些测点受到干扰时，其它测点还能有效地进行照度测量。
第三步，由于被测平面Si可能是不同材质的漫反射表面，因此需要确定被测平面Si的照度值
与数字图像灰度值Y之间函数关系F(Y)。
对于成像系统，像空间平面的照度
与物空间平面的亮度
的呈正比关系，其对应公式为：
。其中，
是镜头的光能损失率（即透射比），
是镜头的物方孔径，是镜头的焦距，
为镜头的数值孔径，其倒数即为镜头的光圈数
，
是视场角。
对于漫反射表面，其亮度
与照度和反射比
有关。其计算公式为：（取自GB/T 5700-2008 照明测量方法 6.3.3）。
对于图像传感器3，其数字图像输出通常有YUV、RGB等多种格式。YUV格式中Y分量直接表征像素点的灰度值，而RGB格式也可通过公式计算出像素点的灰度值Y，常见公式Y = 0.21R + 0.59G + 0.11B。而灰度值Y与图像传感器3的照度呈正比关系，即
，K为一常数。
综上，可得出被测平面测点照度
，对某一测点的成像点而言，视场角
固定，
为常数，即测点照度
与数字图像像素点灰度也呈正比关系。
参见图4，实际应用中，由于数字成像设备通常固定，即各测点的视场角
也相应固定。对于近轴测点，
可近似视为1；对于轴外测点，视场角可由物空间或像空间计算，
或
。
对同一材质的物平面，预先用光源和照度计确定
常数，如调节光源达到一定强度，先用照度计测出某一测点照度值
，然后取该测点对应成像点的灰度值
，即可计算出常数
。以此类推，即可得到其它测点照度 与数字图像像素点灰度
之间的函数关系
。
当待测量的照度范围不能被图像传感器识别时，可考虑更换镜头或改变曝光时间长度等方法以使得成像系统调整至最适合的状态。
第四步，在正常干扰情况下，即日常使用情况下，使用相同参数配置的数字成像设备，获取到动态的数字图像Ii，并用第一步的算法，对图像Ii进行边缘检测。
第五步，确定排除干扰后被测平面Si的有效测点。
有效测点的计算过程参见图5～图8。
图5为原测点集合P（斜十字点）及边缘特征点（空心圆点）。
图6为图像Ii的边缘特征点，其中包括了干扰Ii1和Ii2的边缘特征点（实心圆点）。从图像Ii的边缘特征点去除图像I0的边缘特征点后，得到图7干扰Ii1和Ii2的边缘特征点。
然后，确定Ii1和Ii2的边缘特征点所构成的平面。这时，通常采用最小距离法，即先选择第一个点p1，在剩余点中找出与p1直线距离最近和第二近的两点p0、p2，p0、p1和p1、p2间直线作为待定平面周边的一部分，然后去掉p1，再寻找p2的最小距离点p3，以此类推，当pi计算出其最小距离点为p0时，即形成一个闭合的平面，如果此时还有特征点未被选取，则重复上述操作，直到选取完所有特征点。为加速计算，可先对特征点的x，y坐标值分别进行排序。当确定好若干平面后，即得到干扰Ii1和Ii2所包含的点集合Pi1和Pi2。
最后，参见图8，在原被测点集合P中去除干扰点集合Pi1和Pi2，得到有效测点集合P'。
当被测点集合P内点数较少时，采用逐测点判断的方法以节省计算时间。
第六步，利用有效测点所在平面对应的F(Y)函数，可逐点计算该点的照度，进而计算被测平面Si的平均照度、照度均匀度。
反复第四步到第六步，即得到被测空间的动态照度分布。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种测量动态照度分布的方法，其特征在于：它使用数字成像设备对多测点同时进行照度的测量，并用数字图像模式识别技术排除环境影响，获取到被测量空间内的动态照度分布；所述的数字成像设备包括镜头、图像传感器、图形信号处理电路、处理器和接口电路，其中图像传感器和被测平面、透镜构成光学成像系统，被测平面为物空间漫反射平面，通过透镜成像在像空间平面，即图像传感器上；动态照度分布的测量的具体步骤如下：
使用数字成像设备获取无干扰情况下的数字图像I0，并对图像I0进行边缘检测；
根据边缘检测结果，确定测点所在的被测平面Si，被测平面Si由测点组成，测点的集合为P；
确定被测平面Si照度值E与数字图像灰度值Y之间函数关系F(Y)；
在正常干扰情况下获取数字图像Ii，并对图像Ii进行边缘检测；
利用数字图像I0和Ii的边缘特征进行模式识别，确定排除干扰后有效测点集合P'；
利用有效测点所在平面对应的F(Y)函数，可计算被测平面Si的平均照度、照度均匀度，即得到被测空间的动态照度分布。
2.根据权利要求1所述的一种测量动态照度分布的方法，其特征在于：所述的边缘检测是指使用数学方法提取图像像元中具有亮度值空间方向梯度大的边、线特征的过程，以期达到识别物体边缘的目的，边缘检测采用Canny算子。
3.根据权利要求1所述的一种测量动态照度分布的方法，其特征在于：所述的被测平面Si照度值E与数字图像灰度值Y之间函数关系F(Y)，F(Y)= ，其中F为镜头的光圈数，K为一常数，
是镜头的光能损失率，
是视场角，
是漫反射表面的亮度与照度的反射比。
4.根据权利要求1或2所述的一种测量动态照度分布的方法，其特征在于：所述的利用数字图像I0和Ii的边缘特征进行模式识别，其中无干扰情况下数字图像I0的测点集合为P，正常干扰情况下数字图像Ii中干扰Ii1和Ii2所包含的点集合为Pi1和Pi2，则在原被测点集合P中去除干扰点集合Pi1和Pi2后所得到的点即为有效测点P'。
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