CN110543191B - 基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置和方法 - Google Patents

基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，包括图像采集装置，图像处理装置，遮阳控制装置，与图像处理装置信号连接；遮阳构件与遮阳控制装置连接；图像处理装置接收图像采集装置发送来的室内全景图像，从室内全景图像提取第一亮度分布信息并转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，图像处理装置根据第二亮度分布信息发送信号到遮阳控制装置，遮阳控制装置驱动遮阳构件动作。本发明通过提取和分析室内亮度分布信息，基于分析结果调控室内采光，使室内亮度分布符合室内采光标准，满足多数个体视觉舒适度要求。本发明还涉及基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法。

Description

基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置和方法
技术领域
本发明涉及建筑采光领域，特别是涉及基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置和方法。
背景技术
建筑采光控制是智能建筑的一个重要组成部分，在节能减排和提高居住者舒适性中扮演着重要角色。使用遮阳控制系统来调节进入室内的光线是目前较为流行的改善室内视觉和热舒适性的方式。
传统的建筑遮阳装置的操作方式以手动控制为主，控制方式比较简单，其优势是根据个体主观真实感受来进行舒适度判断后发出指令。
智能建筑遮阳装置通过传感器检测室外的太阳直射光强度，然后根据检测结果控制窗口上的遮阳构件的闭合以调节建筑物内光线。其通过传感、控制、信息等技术的融合，对建筑遮阳进行智能控制优化应用，提供更加舒适和节能的个性化室内环境。
目前智能建筑遮阳装置存在以下问题：
(1)由于检测的光线来自室外的太阳直射光，而通过分析室外的太阳直射光来调控室内采光，室内亮度分布不一定符合室内采光标准；
(2)室内亮度分布无法满足多数个体视觉舒适度。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，其能够通过提取和分析室内亮度分布信息，基于分析结果调控室内采光，室内亮度分布符合室内采光标准，满足多数个体视觉舒适度。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，通过提取和分析室内亮度分布信息，基于分析结果调控室内采光，使室内亮度分布符合室内采光标准，满足多数个体视觉舒适度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，包括
图像采集装置，设于室内，用于采集室内全景图像；
图像处理装置，与图像采集装置信号连接；
遮阳控制装置，与图像处理装置信号连接；
遮阳构件，设于室内，用于遮挡太阳光线，与遮阳控制装置连接；
其中，图像处理装置接收图像采集装置发送来的室内全景图像，从室内全景图像提取第一亮度分布信息并将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，图像处理装置根据第二亮度分布信息发送信号到遮阳控制装置，遮阳控制装置驱动遮阳构件动作。
进一步，第二亮度分布信息包括最高亮度、平均亮度、亮度对比度和视觉舒适度指标。
进一步，图像处理装置分别与图像采集装置和遮阳控制装置无线连接。
进一步，遮阳控制装置包括主控制器、驱动装置和转角传感器，转角传感器与遮阳构件对应设置，用于收集当前遮阳构件的转角位置信息，主控制器分别和图像处理装置和转角传感器信号连接，分别接收由图像处理装置和转角传感器发送来的数据。主控制器控制驱动装置动作，驱动装置驱动遮阳构件打开或关闭。
进一步，图像采集装置为高动态范围图像相机。
进一步，相机设于室内顶部中心位置，相机镜头朝下。
基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，包括以下步骤，
S1、图像采集装置采集室内全景图像并将室内全景图像发送至图像处理装置；
S2、图像处理装置从室内全景图像提取第一亮度分布信息；
S3、图像处理装置将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息；
S4、根据第二亮度分布信息，图像处理装置发送信号到遮阳控制装置；
S5、遮阳控制装置驱动遮阳构件动作。
进一步，S3包括以下步骤，
建立空间三维直角坐标系A，设定房间内任意一点E的空间坐标为(XE,YE,ZE)，人眼所在空间位置坐标为A1(XP,YP,ZP)，屋顶相机的安装位置坐标为A2(XC,YC,ZC)；
建立以屋顶相机俯视的二维直角坐标系B1；建立以人眼平视的二维直角坐标系B2；三维直角坐标系A中点E映射到二维直角坐标系B1的坐标为EB1(XEC,YEC)，映射到二维直角坐标系B2的坐标为EB2(XEP,YEP)；
三维直角坐标系A中点E与二维直角坐标系B1中点EB1的关系式为：
Figure BDA0002181964890000031
Figure BDA0002181964890000032
三维直角坐标系A中点E与二维直角坐标系B2中点EB1的关系式为：
Figure BDA0002181964890000041
Figure BDA0002181964890000042
通过公式(1)～(4)计算出点EB2的坐标XEP和YEP；
从第一亮度分布信息中提取点EB1(XEC,YEC)的亮度值D；
将点EB2的亮度值设为D。
进一步，S4包括以下步骤，
转角传感器测量遮阳构件的当前转角位置实际值；
转角传感器将当前转角位置实际值发送到遮阳控制装置的主控制器；
遮阳控制装置的主控制器将当前转角位置实际值发送到图像处理装置；
图像处理装置根据当前转角位置实际值和第二亮度分布信息计算出符合人眼舒适度的遮阳构件的转角位置预设值；
图像处理装置发送转角位置预设值到主控制器。
进一步，S5包括以下步骤，
遮阳控制装置的主控制器计算当前转角位置实际值与转角位置预设值之间差值，根据差值发送控制信号到驱动装置，驱动装置驱动遮阳构件动作。
总的说来，本发明具有如下优点：
图像采集装置能够采集室内全景图像，从室内全景图像提取第一亮度分布信息并转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，根据第二亮度分布信息，图像处理装置能够发送信号到驱动装置，驱动装置驱动遮阳构件相应动作。相比于现有技术采集分析室外的太阳光，本发明能够通过提取和分析室内亮度分布信息，基于分析结果调控室内采光，使室内亮度分布符合室内采光标准，满足多数个体视觉舒适度要求。
附图说明
图1为本发明实施例的平面结构示意图。
图2为基于相机俯视视角的室内全景图像。
图3为基于室内个体人眼视角方向的人眼视角图。
图4为本发明实施例建立的三维直角坐标系A的示意图。
图5为本发明实施例基于室内个体人眼视角方向建立的二维直角坐标系B1的示意图。
图6为本发明实施例基于相机俯视视角建立的二维直角坐标系B2的示意图。
图7为本发明实施例的模块框图。
附图标记说明：
1——相机；
2——图像处理主机；
3——遮阳控制电机；
4——遮阳构件；
5——侧窗、51——一窗、52——二窗、53——三窗、54——四窗；
61——前墙、62——右墙、63——后墙、64——左墙；
7——地面。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1～图3所示，基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，包括
图像采集装置，设于室内，用于采集室内全景图像；
图像处理装置，与图像采集装置信号连接；
遮阳控制装置，与图像处理装置信号连接；
遮阳构件4，设于室内，用于遮挡太阳光线，与遮阳控制装置连接；
其中，图像处理装置接收图像采集装置发送来的室内全景图像，从室内全景图像提取第一亮度分布信息并将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，图像处理装置根据第二亮度分布信息发送信号到遮阳控制装置，遮阳控制装置驱动遮阳构件4动作。
通过图像采集装置采集室内全景图像，图像处理装置从室内全景图像提取第一亮度分布信息并将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，根据第二亮度分布信息，图像处理装置能够发送信号到驱动装置，驱动装置驱动遮阳构件4相应动作。相比于现有技术采集分析室外的太阳光，本发明能够通过提取和分析室内亮度分布信息，基于分析结果调控室内采光，使室内亮度分布满足个体室内亮度习惯，符合室内采光标准，满足多数个体视觉舒适度要求。
第二亮度分布信息包括最高亮度(Lmax)、平均亮度(Lavg)、亮度对比度(LR)和视觉舒适度指标(DGP)。这些参数是决定个体人眼舒适度的关键指标。
图像处理装置分别与图像采集装置和驱动装置无线连接。可以采用WIFI或者蓝牙连接，使图像处理装置可以远程接收来自图像采集装置发送来的信号，以及远程控制遮阳控制装置动作。本实施例中，图像处理装置为图像处理主机2。
遮阳构件4包括卷帘或百叶窗。
遮阳控制装置包括主控制器、驱动装置和转角传感器，转角传感器与遮阳构件4对应设置，用于收集当前遮阳构件4的转角位置信息，主控制器分别和图像处理装置和转角传感器信号连接，用于分别接收由图像处理装置和转角传感器发送来的数据。主控制器控制驱动装置动作，驱动装置驱动遮阳构件4打开或关闭。本实施例中，驱动装置为遮阳控制电机3。
图像采集装置为高动态范围图像(HDR)相机1，能够获得较佳的亮度、对比度、饱和度及色调等参数，为图像处理装置提供适合分析的图像。
相机1设于室内顶部中心位置，相机1镜头朝下，能够拍摄获得整个室内全景图像，从而获得整个室内的亮度分布信息，即第一亮度分布信息。
以室内个体人眼视角朝前、个体左耳朝向侧窗5为例，如图2所示，为基于相机1俯视视角的室内全景图像，室内全景图像中包括有前墙61、右墙62、后墙63、左墙64和地面7，左墙64中设有侧窗5，侧窗5依次包括有一窗51、二窗52、三窗53和四窗54。从该室内全景图像可以提取第一亮度分布信息；如图3所示，为基于室内个体人眼视角方向的人眼视角图，人眼视角图中包括有前墙61、右墙62、左墙64和地面7，左墙64中显示有一窗51和二窗52。人眼视角图中每个像素点均可在室内全景图像找到对应点，并且亮度相同，即，室内全景图像中的一窗51和平视图像中的一窗51亮度相同，室内全景图像中的二窗52和平视图像中的二窗52亮度相同。由于平视图像中不包含三窗53和四窗54，即第二亮度分布信息不包含三窗53和四窗54的亮度信息，因此基于第二亮度分布信息，图像处理主机2发送信号给遮阳控制装置，使遮阳控制装置相应控制三窗53和四窗54关闭，减少进入室内的光线。
如图7所示，为本发明实施例的模块框图，其中包括有图像采集装置、图像处理主机2和遮阳控制装置，图像采集装置包括全景相机1、微控制器和第一WiFi模块，微控制器获取全景相机1拍摄到的室内全景图像信息并进行压缩，通过第一WiFi模块发送到WiFi路由单元，经WiFi路由单元转发到图像处理主机2；图像处理主机2从室内全景图像提取第一亮度分布信息并将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，根据第二亮度分布信息分析出符合人眼舒适度的遮阳构件4的转角位置预设值，再把转角位置预设值经WiFi路由转发到遮阳控制装置的第二WiFi模块；遮阳控制装置的主控制器接收第二WiFi模块发送来的转角位置预设值，并与转角传感器反馈的遮阳构件4的当前转角位置实际值进行比较，相应给驱动装置控制信号，驱动装置驱动并调节遮阳构件4的开合度。
基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，包括以下步骤，
S1、图像采集装置采集室内全景图像并将室内全景图像发送至图像处理装置；
S2、图像处理装置从室内全景图像提取第一亮度分布信息；
S3、图像处理装置将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息；通过该步骤能够将客观的室内第一亮度分布信息，转换为主观的符合室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，为图像处理装置控制驱动装置相应动作提供了基础数据。
S4、根据第二亮度分布信息，图像处理装置发送信号到遮阳控制装置；
S5、遮阳控制装置驱动遮阳构件4动作。通过打开或关闭遮阳构件4，增加或减少从窗口处进入室内的光线，使得室内亮度符合个体人眼舒适度。
由于人眼视角在某一瞬间为朝向某个特定方向，当任意调整人眼视角方向时，人眼视角所采集到的图像也相应变化，转换得到的第二亮度分布信息也相应变化，遮阳控制装置驱动遮阳构件4的动作相应调整，以使得室内亮度符合变化后的第二亮度分布信息。
由于图像采集装置采集的是室内全景图像，图像处理装置从室内全景图像提取的第一亮度分布信息包括了整个室内各个方向的亮度分布信息，无论人眼视角朝向哪个方向，经过转换后的第二亮度分布信息均能在第一亮度分布信息中对应提取得到。图像处理装置根据第二亮度分布信息发送信号到遮阳控制装置，遮阳控制装置驱动遮阳构件4动作，增加或减少从窗口处进入室内的光线，使得室内亮度符合第二亮度分布信息，满足室内个体人眼亮度习惯，符合个体人眼舒适度。
因此采用本发明基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，能够使整个室内亮度分布符合室内采光标准，满足多数个体视觉舒适度要求。
进一步，S3包括以下步骤，
如图4～图6所示，建立空间三维直角坐标系A，设定室内任意一点E的空间坐标为(XE,YE,ZE)，室内个体人眼所在空间位置坐标为A1(XP,YP,ZP)，室内屋顶相机1的安装位置坐标为A2(XC,YC,ZC)；
建立以屋顶相机1俯视的二维直角坐标系B1；建立以人眼平视的二维直角坐标系B2；三维直角坐标系A中点E映射到二维直角坐标系B1的坐标为EB1(XEC,YEC)，映射到二维直角坐标系B2的坐标为EB2(XEP,YEP)；
三维直角坐标系A中点E与二维直角坐标系B1中点EB1的关系式为：
Figure BDA0002181964890000091
Figure BDA0002181964890000092
三维直角坐标系A中点E与二维直角坐标系B2中点EB2的关系式为：
Figure BDA0002181964890000093
Figure BDA0002181964890000101
通过公式(1)～(4)计算出点EB2的坐标XEP和YEP；
由于已知点E在二维坐标系B1(屋顶相机1视角图中)的坐标信息，即已知点EB1(XEC,YEC)，又已知个体人眼所在空间位置坐标点A1(XP,YP,ZP)和屋顶相机1的安装位置坐标点A2(XC,YC,ZC)。通过公式(1)至(4)，则可计算出点E在二维坐标系B2(人眼视角图中)的坐标信息XEP和YEP，从而实现从屋顶相机1视角图到人眼视角图的坐标点转化。
从第一亮度分布信息中提取点EB1(XEC,YEC)的亮度值D；
将点EB2的亮度值设为D。
由第一亮度分布信息转换到第二亮度分布信息是基于像素点空间坐标转化的方式实现的。房间内的任意一点用相机1以任意一个视角拍摄时，不同视角拍出的图像中对应该点(在图像中记作像素点)的亮度值都是相同的，即该点在屋顶相机1拍摄的室内全景图像中的亮度与人眼视角图内该点的亮度相等，那么只要从屋顶相机1拍摄的俯视图像中得到某一像素点坐标信息并映射到人眼视角图内的坐标信息，就可以成功转换该像素点的亮度值，进而实现亮度分布信息的视角转换。
通过以上步骤，即可将人眼视角图中的任意一点和屋顶相机1拍摄的室内全景图像相对应，并将室内全景图像中对应点的亮度值赋予人眼视角图中的所述任意一点，从而将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息。当个体人眼视角方向变化时，转换得到的第二亮度分布信息也相应变化，能够相应调整遮阳构件4的开合度，以使得在室内各个方向均能符合室内个体人眼舒适度。
进一步，S4包括以下步骤，
转角传感器测量遮阳构件4的当前转角位置实际值；
转角传感器将当前转角位置实际值发送到遮阳控制装置的主控制器；
遮阳控制装置的主控制器将当前转角位置实际值发送到图像处理装置；
图像处理装置根据当前转角位置实际值和第二亮度分布信息计算出符合人眼舒适度的遮阳构件4的转角位置预设值；
图像处理装置发送转角位置预设值到主控制器。
通过转角传感器测量并反馈遮阳构件4的当前转角位置实际值，图像处理装置可以计算出遮阳构件4所需要的转角位置预设值，使主控制器能够得到准确的数据。
进一步，S5包括以下步骤，
遮阳控制装置的主控制器计算当前转角位置实际值与转角位置预设值之间差值，根据差值发送控制信号到驱动装置，驱动装置驱动遮阳构件4动作。
通过主控制器能够精确计算出遮阳构件4需要转动的角度，以控制驱动装置相应驱动遮阳构件4动作。
本发明的工作原理：
设于室内顶部中心位置的全景相机1镜头朝下，拍摄HDR室内全景图像，并将室内全景图像发送到图像处理主机2。图像处理主机2从室内全景图像提取第一亮度分布信息，并将第一亮度分布信息转换为假设的室内人眼视角方向的第二亮度分布信息；
转角传感器测量遮阳构件4的当前转角位置实际值并反馈到主控制器，主控制器将当前转角位置实际值发送到图像处理主机2；
根据当前转角位置实际值和第二亮度分布信息，图像处理主机2计算出遮阳构件4所需要的转角位置预设值，并将转角位置预设值发送到主控制器；
主控制器计算当前转角位置实际值与转角位置预设值之间差值，根据差值发送控制信号到驱动装置，驱动装置驱动遮阳构件4动作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，其特征在于：包括
图像采集装置，设于室内，用于采集室内全景图像；
图像处理装置，与图像采集装置信号连接；
遮阳控制装置，与图像处理装置信号连接；
遮阳构件，设于室内，用于遮挡太阳光线，与遮阳控制装置连接；
其中，图像处理装置接收图像采集装置发送来的室内全景图像，从室内全景图像提取第一亮度分布信息并将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息，图像处理装置根据第二亮度分布信息发送信号到遮阳控制装置，遮阳控制装置驱动遮阳构件动作。
2.按照权利要求1所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，其特征在于：第二亮度分布信息包括最高亮度、平均亮度、亮度对比度和视觉舒适度指标。
3.按照权利要求1所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，其特征在于：图像处理装置分别与图像采集装置和遮阳控制装置无线连接。
4.按照权利要求1所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，其特征在于：遮阳控制装置包括主控制器、驱动装置和转角传感器，转角传感器与遮阳构件对应设置，主控制器分别和图像处理装置和转角传感器信号连接，主控制器控制驱动装置动作，驱动装置驱动遮阳构件打开或关闭。
5.按照权利要求1所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，其特征在于：图像采集装置为高动态范围图像相机。
6.按照权利要求5所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制装置，其特征在于：相机设于室内顶部中心位置，相机镜头朝下。
7.基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、图像采集装置采集室内全景图像并将室内全景图像发送至图像处理装置；
S2、图像处理装置从室内全景图像提取第一亮度分布信息；
S3、图像处理装置将第一亮度分布信息转换成室内个体人眼视角方向的第二亮度分布信息；
S4、根据第二亮度分布信息，图像处理装置发送信号到遮阳控制装置；
S5、遮阳控制装置驱动遮阳构件动作。
8.按照权利要求7所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，其特征在于：S3包括以下步骤，
建立空间三维直角坐标系A，设定室内任意一点E的空间坐标为(XE,YE,ZE)，室内人眼所在空间位置坐标为A1(XP,YP,ZP)，室内屋顶相机的安装位置坐标为A2(XC,YC,ZC)；
建立以屋顶相机俯视的二维直角坐标系B1；建立以人眼平视的二维直角坐标系B2；三维直角坐标系A中点E映射到二维直角坐标系B1的坐标为EB1(XEC,YEC)，映射到二维直角坐标系B2的坐标为EB2(XEP,YEP)；
三维直角坐标系A中点E与二维直角坐标系B1中点EB1的关系式为：
Figure FDA0002181964880000021
Figure FDA0002181964880000022
三维直角坐标系A中点E与二维直角坐标系B2中点EB2的关系式为：
Figure FDA0002181964880000031
Figure FDA0002181964880000032
通过公式(1)～(4)计算出点EB2的坐标XEP和YEP；
从第一亮度分布信息中提取点EB1(XEC,YEC)的亮度值D；
将点EB2的亮度值设为D。
9.按照权利要求7所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，其特征在于：S4包括以下步骤，
转角传感器测量遮阳构件的当前转角位置实际值；
转角传感器将当前转角位置实际值发送到遮阳控制装置的主控制器；
遮阳控制装置的主控制器将当前转角位置实际值发送到图像处理装置；
图像处理装置根据当前转角位置实际值和第二亮度分布信息计算出符合人眼舒适度的遮阳构件的转角位置预设值；
图像处理装置发送转角位置预设值到主控制器。
10.按照权利要求9所述的基于室内视觉图像分析的建筑采光控制方法，其特征在于：S5包括以下步骤，
遮阳控制装置的主控制器计算当前转角位置实际值与转角位置预设值之间差值，根据差值发送控制信号到驱动装置，驱动装置驱动遮阳构件动作。
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