CN107179123A - 摄像头与led灯融合的亮度标定与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，通过灯具控制器调节LED灯到最低和最高亮度，在两种情况下分别用固定的摄像头拍摄场景俯视图，计算指定区域在两种情况下的平均V值（HSV色彩空间中表示明暗的值V），再将摄像头实时获取的图像中对应的区域代入公式计算该区域的亮度。本发明的技术方案提供了一种在现有灯具控制器基础上，增加摄像头设备进行亮度的标定与测量的方法，把亮度测量功能集成到摄像头模块上，简化了智能家居产品的模块。

Description

摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域及智能LED灯具领域，尤其涉及摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法。

背景技术

HSV(Hue,Saturation,Value)是根据颜色的直观特性由A.R.Smith在1978年创建的一种颜色空间,也称六角锥体模型(Hexcone Model)。这个模型中颜色的参数分别是：色调(H)，饱和度(S)，明度(V)。

色调H：用角度度量，取值范围为0°～360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°,蓝色为240°。它们的补色是：黄色为60°，青色为180°,品红为300°；

饱和度S：饱和度S表示颜色接近光谱色的程度。一种颜色，可以看成是某种光谱色与白色混合的结果。其中光谱色所占的比例愈大，颜色接近光谱色的程度就愈高，颜色的饱和度也就愈高。饱和度高，颜色则深而艳。光谱色的白光成分为0，饱和度达到最高。通常取值范围为0％～100％，值越大，颜色越饱和。

明度V：明度表示颜色明亮的程度，对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关；对于物体色，此值和物体的透射比或反射比有关。通常取值范围为0％(黑)到100％(白)。

RGB和CMY颜色模型都是面向硬件的，而HSV(Hue Saturation Value)颜色模型是面向用户的。

HSV模型的三维表示从RGB立方体演化而来。设想从RGB沿立方体对角线的白色顶点向黑色顶点观察，就可以看到立方体的六边形外形。六边形边界表示色彩，水平轴表示纯度，明度沿垂直轴测量。

Modbus是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。ModBus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。ModBus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。

当前，传统的对亮度进行测量的方法主要是使用照度计，其原理是硒光电池的光电效应。光电池是把光能直接转换成电能的光电元件。当光线射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜到达半导体硒层和金属薄膜的分界面上，在界面上产生光电效应。产生的光生电流的大小与光电池受光表面上的照度有一定的比例关系。这时如果接上外电路，就会有电流通过，电流值从以勒克斯(Lx)为刻度的微安表上指示出来。光电流的大小取决于入射光的强弱。

此方案的优点是测量精度准确，以照度的国际单位勒克斯表示，使用范围广泛；且反应迅速灵敏，能满足大多对响应速度有要求的应用；光照测量范围广泛，一般为1Lux～50,000Lux，甚至更高。

但是，该方案也存在一定的不足，包括：

1.硒光电池对温度敏感，其测量值的温度特性是±0.1％/℃，能保证精确的操作温湿度为0℃～40℃(32℉～104℉)0～70％Rh。

2.对于类似本发明的有摄像头传感器的应用，传统方案测量照度需要增加额外的设备——照度计，会增加额外的成本，还需要协调摄像头和照度计测量数据的时间匹配。

3.照度计无法对测量范围进行分割，其测量的值是整个可视范围的平均亮度，没有办法精确到某个特定区域的照度。如果需要测量多个位置的照度，需要为每一个区域配置一个照度计，十分复杂麻烦。

4.对于本发明的应用范围而言，对亮度的测量准确度要求不高，只需要对亮度进行标定，使测量结果基于一致的基准值即可，无需额外使用照度计，可把亮度标定和测量功能集成到摄像头传感器上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其融合利用摄像头设备与LED灯具及灯具灯控制器，利用摄像头作为检测设备，计算机作为中控与处理设备，灯具控制器是连接计算机和LED灯具的通讯桥梁；通过灯具控制器调节LED灯到最低和最高亮度，在两种情况下分别用固定的摄像头拍摄场景俯视图，计算指定区域在两种情况下的平均V值即HSV色彩空间中表示明暗的值V；将摄像头实时获取的图像中对应的区域代入公式，利用标定方法得到的参数计算该区域的亮度。

进一步地，所述摄像头及LED灯在场景中的位置是固定不变的，摄像头位于场景正上方，摄像头拍摄的是场景的俯视图。

进一步地，摄像头实时采集到的彩色图像数据映射到计算机内存中；计算机对彩色图像数据进行处理，生成控制编码；控制编码发送到灯具控制器中进行译码；灯具控制器根据指令控制灯具；灯具控制器将控制结果返回给计算机。

进一步地，计算机与灯具控制器之间的通讯协议基于Modbus协议制定，灯具控制器能设置为两种传输模式为标准的Modbus网络通信中的ASCII或RTU模式。

进一步地，亮度标定过程中，除LED灯具作为光源外，场景要保持黑暗状态，LED灯的亮度为标定过程的唯一变量，不允许其他环境光线的存在。

进一步地，LED灯的电压电流由支持灯具控制器所使用协议的电子镇流器控制。

进一步地，亮度标定过程中，通过灯具控制器调节LED灯到最低亮度，用摄像头连续拍摄多张照片，然后对多张照片求平均值，合成一张照片P1；所述合成的照片P1从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，记为H1；所述HSV色彩空间的照片H1划分为n个区域，n≥1，对每个区域的V值求平均值A[x]，作为为该区域的图像最低亮度，x∈[1,n]。

进一步地，通过灯具控制器调节LED灯到最高亮度，用摄像头连续拍摄多张照片，然后对多张照片求平均值，合成一张照片P2；所述合成的照片P2从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，记为H2；所述HSV色彩空间的照片H2划分为n个区域，n≥1，对每个区域的V值求平均值B[x]，作为为该区域的图像最高亮度，x∈[1,n]。

进一步地，摄像头实时拍摄照片i,将照片从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间；对指定区域的V值求平均，得到平均V值C[x]；代入下列计算获得指定区域环境亮度X：

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明不同于基于光电效应的光电池照度计和光敏电阻传感器的亮度测量方法，利用不同强度光线照射在相同物体上反射的颜色深浅明暗不一样的特性，使用摄像头拍摄彩色图片进行亮度的标定和测量。同时，本发明具有较强的适用性，只需要一般智能灯具备的摄像头和灯具控制器即可完成亮度的标定和测量，无需额外的设备。

附图说明

图1为本发明实例中的摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量系统基本物理结构示意图；

图2为本发明实例中的技术方案流程图；

图3为本发明实例所使用的Modbus协议穿行链路PDU帧格式示意图；

图4为本发明实例的摄像头与LED灯融合的亮度标定和测量抽象设备工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。

图1为摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量系统基本物理结构示意图。其中，计算机通过V4L2API接口或调用OpenCV的库函数对摄像头进行管理，包括对摄像头设备的打开，初始化，捕获数据，读取数据，释放资源。

计算机与LED灯具之间通过灯具控制器作为桥梁进行简介的数据交互，根据Modbus协议制定的规范抽象出一套LED灯操作接口，包括打开灯具、关闭灯具、提高1级亮度、降低一级亮度、设置灯具到某一级别亮度。接口使用的指令格式如图3。

其中地址域表明要控制的LED灯在灯具控制器上注册的地址；

功能码表示操作类型；

数据段是操作的参数，如亮度级别等；

CRC为校验码，校验正确，执行命令，校验错误则要求对方重发或者等待超时重发。

LED灯具的电子镇流器需要符合灯具控制器的标准，如DALI或DMX512控制协议。

图2为本发明的技术方案流程图，下述的技术方案为对图2步骤的详细说明。

通过实现图1的一套系统，系统实现亮度标定和测量两个功能，摄像头作为系统的数据来源，将实时图像数据传输给计算机处理，计算机再发送数据包给灯具控制器，灯具控制器解析数据包，控制LED灯具。

其中，摄像头需要始终固定在场景上方的固定位置，俯拍场景，摄像头可视范围为系统的检测范围。

计算机需要具有OpenCV环境，通过有线或无线的方式与摄像头、灯具控制器连接。

灯具控制器作为计算机和LED灯的沟通桥梁，接受并根据控制协议解析计算机发送的控制指令，控制LED灯，检测LED灯的状态并返回给计算机。

图4为摄像头与LED灯融合的亮度标定抽象设备工作流程图。计算机作为系统的中心，负责运行整个程序，摄像头设备和灯具控制器被计算机调用。图4主要解决计算机如何控制摄像头和灯具控制器来确定最低亮度和最高亮度值，完成亮度的标定工作。

模块4.1摄像头。计算机连接摄像头，通过V4L2API/OpenCV来调用摄像头的驱动程序，主要包括摄像头的初始化，打开摄像头，摄像头捕捉到的帧数据映射到计算机内存中，关闭摄像头。这些接口是对摄像头硬件(寄存器)的直接访问，通过发送数据结构到摄像头，摄像头根据数据结构中的值设置寄存器，返回设置结果给计算机，或将数据结构要求的寄存器中的相应值填充到数据结构中，然后返回该数据结构给计算机。

模块4.2计算机。计算机分别与摄像头，灯具控制器连接，计算机运行Linux操作系统环境，需要配置有OpenCV环境，提供所需的图像视觉处理库；需要具备USB硬件接口，连接摄像头；需要具备RS232/RS484串口，连接灯具控制器。

步骤4.2.1初始化设备。根据V4L2API接口标准，对摄像头进行初始化，包括查询设备能力，设置摄像头的参数，如格式、帧率、分辨率，申请缓存空间。

步骤4.2.2打开设备。打开设备文件，以及开始摄像头工作，将缓冲队列中的帧存放采集到的数据。

步骤4.2.3帧数据映射。将已经存放了数据的帧从队列中取出，然后映射到计算机的内存中，然后计算机才读取到摄像头拍摄的图像数据。

步骤4.2.4关闭设备。释放申请的内存资源，关闭摄像头设备文件。

模块4.3灯具控制器。计算机通过Modbus的协议来与灯具控制器交互，主要包括开灯，关灯，提高一级亮度，降低一级亮度，设置某级亮度。计算机控制LED灯是间接访问，通过发送命令给灯具控制器，有灯具控制器解析命令并执行，然后返回结果给计算机。

步骤4.3.1&4.3.2开灯，关灯。计算机发起LED灯的间接调用。计算机发送Modbus帧给灯具控制器，地址段填充灯具控制器中所要控制灯的地址，该地址在LED灯接入灯具控制器时动态分配。功能码制定操作类型，包括关灯、开灯、提高一级亮度、降低一级亮度、设置某级亮度，是二进制编码。数据段是在此步骤中全0代表没有数据。灯具控制器就收到命令后，会查询LED灯的当前状态，如果可以执行命令，将给LED灯具上电或者复位，然后返回结果给计算机。

步骤4.3.3&4.3.4提高一级亮度，降低一级亮度。灯具控制器在接收到命令后，会查询LED灯的当前亮度，如果已经是最低或最高亮度，则不能调低或调高亮度，返回失败结果给计算机。否则，执行命令，返回LED当前亮度等级和成功结果给计算机。

步骤4.3.5设置某级亮度。灯具控制器在接收到命令后，会查询LED灯的当前亮度，如果与设置的值相等，则返回设置失败结果给计算机。否则，执行命令，将控制器中的亮度寄存器值修改为命令中的级别，返回成功结果和LED灯级别给计算机。

完成上述硬件和软件的实施后，就可以按照技术方案的方法，调用相应的接口完成所发明的方法的每一步操作和数据获取。具体来说，就是：

步骤1计算机系统启动，进行初始化，即步骤4.2.1。

步骤2计算机向灯具控制器发送“调节到最低亮度”的指令，灯具控制器执行该指令，获取执行后的LED灯状态，并返回执行结果给计算机。即步骤4.3.5，其中参数为最高亮度级别的数值。在测试的系统中为二进制的40。

步骤3摄像头连续拍下多张照片，将他们合成为一张照片，方法是逐一对相同位置的像素点求平均值。

步骤4将合成的照片由RGB色彩空间转化为HSV色彩空间，方法为使用OpenCV的转换函数。

步骤5对转换后的照片根据一定的规则划分区域，如四等分、六等分、九等分等。然后分别求区域的所有像素的V值的平均数作为该区域的绝对最低亮度A。

步骤6计算机向灯具控制器发送“调节到最高亮度”的指令，灯具控制器执行该指令，获取执行后的LED灯状态，并返回执行结果给计算机。即步骤4.3.5，其中参数为最高亮度级别的数值。在测试的系统中为二进制的255。重复步骤2-5得到对应区域的绝对最高亮度B。得到A和B后，亮度标定完成。

在亮度测量方法中，需要使用亮度标定方法得到的参数A和B，然后系统测量步骤如下：

步骤1摄像头实时拍摄图片，映射到计算机内存中。

步骤2计算机将实时图片由RGB色彩空间转换为HSV色彩空间。

步骤3将对应区域中的每一个像素点的V值求平均数，结果为该区域的绝对亮度C。

步骤4将绝对亮度C带入公式中计算该区域的相对亮度X

Claims (9)

1.一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于融合利用摄像头设备与LED灯具及灯具灯控制器，利用摄像头作为检测设备，计算机作为中控与处理设备，灯具控制器是连接计算机和LED灯具的通讯桥梁；通过灯具控制器调节LED灯到最低和最高亮度，在两种情况下分别用固定的摄像头拍摄场景俯视图，计算指定区域在两种情况下的平均V值即HSV色彩空间中表示明暗的值V；将摄像头实时获取的图像中对应的区域代入公式，利用标定方法得到的参数计算该区域的亮度。

2.根据权利要求1所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于摄像头及LED灯在场景中的位置是固定不变的，摄像头位于场景正上方，摄像头拍摄的是场景的俯视图。

3.根据权利要求1所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于摄像头实时采集到的彩色图像数据映射到计算机内存中；计算机对彩色图像数据进行处理，生成控制编码；控制编码发送到灯具控制器中进行译码；灯具控制器根据指令控制灯具；灯具控制器将控制结果返回给计算机。

4.根据权利要求1所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于计算机与灯具控制器之间的通讯协议基于Modbus协议制定，灯具控制器能设置为两种传输模式为标准的Modbus网络通信中的ASCII或RTU模式。

5.根据权利要求1所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于亮度标定过程中，除LED灯具作为光源外，场景要保持黑暗状态，LED灯的亮度为标定过程的唯一变量，不允许其他环境光线的存在。

6.根据权利要求1所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于LED灯的电压电流由支持灯具控制器所使用协议的电子镇流器控制。

7.根据权利要求1所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于亮度标定过程中，通过灯具控制器调节LED灯到最低亮度，用摄像头连续拍摄多张照片，然后对多张照片求平均值，合成一张照片P1；所述合成的照片P1从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，记为H1；所述HSV色彩空间的照片H1划分为n个区域，n≥1，对每个区域的V值求平均值A[x]，作为为该区域的图像最低亮度，x∈[1,n]。

8.根据权利要求7所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法，其特征在于通过灯具控制器调节LED灯到最高亮度，用摄像头连续拍摄多张照片，然后对多张照片求平均值，合成一张照片P2；所述合成的照片P2从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，记为H2；所述HSV色彩空间的照片H2划分为n个区域，n≥1，对每个区域的V值求平均值B[x]，作为为该区域的图像最高亮度，x∈[1,n]。

9.根据权利要求8所述的一种摄像头与LED灯融合的亮度标定与测量方法,其特征在于摄像头实时拍摄照片i,将照片从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间；对指定区域的V值求平均，得到平均V值C[x]；代入下列计算获得指定区域环境亮度X：

<mrow> <mi>X</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow> 1