CN111052721B - 天空监视系统 - Google Patents

Abstract

天空监视系统(S)，包括图像传感器(1)，广角镜头(16)，微处理器(3)和存储单元(11、18)，所述天空监视系统(S)被配置为拍摄天空场景的照片，细分每个天空场景的照片为一组图块，并为每个图块确定一个亮度值，所述天空监控系统(S)被配置为基于图块的亮度值计算输出，图像传感器(1)，广角镜头(16)，微处理器(3)和存储单元(11、18)被集成到一个单独的天空监视装置中，从而使天空监视系统(S)成为嵌入式系统。

Description

天空监视系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的天空监视系统。本发明还涉及一种根据权利要求10所述的使用天空监视系统的方法。

背景技术

最大限度地利用日光已成为建筑物设计中的一种趋势，以最大程度地减少对消耗电能的人造照明的需求。同时，通过在建筑物中使用更多的日光，可以改善建筑物居民的视觉舒适度和非视觉健康。快速增加的光模拟在建筑设计，照明性能分析和建筑工程方面发挥着重要作用。尤其是在房地产翻新行业中，客户对室内半真实照明的可视化有着强烈的需求。尽管如此，大多数日光模拟传统上都是基于对天空，天气或环境条件的概略的假设，而不是基于室外测量。这些假设在许多方面导致明显的偏差。

通常，在建筑设计和建筑物自动化中使用光模拟时，必须满足对准确性和时间响应的严格要求。此外，在光模拟中假设标准天空的一般方法可能导致与真实条件相比严重的不匹配。

可以通过实时-现场监视天空状况来提高日光模拟的质量。但是，实时-现场监控局限于覆盖天空和周围物体的设备的动态范围，因为太阳的亮度(约1.6×10⁹cd/m²)与阴影中的物体的亮度(10-100cd/m²)之间的差异非常大。除此之外，天空图块的分辨率(记录的天空通常被细分为天空块)和庞大计算的时间消耗是挑战实时-现场光模拟的众多因素之一。

近年来，高动态范围(HDR)成像技术用于光度测量设备已表明是可行的。然而，现有系统仍然存在难以满足户外应用中同时监测太阳和周围物体的宽亮度范围要求(>150dB)的问题。此外，可用的HDR图像传感器非常昂贵且笨重。

发明内容

有待解决的问题

本发明的目的是解决或至少减少上述缺点。特别地，本发明的目的是提供一种实时灵活地监视天空状况的可能性，并将这些监视结果用于日光模拟，同时保持监视成本尽可能低并且使监视变得尽可能简单。

解决问题的方法

该问题通过包括图像传感器，广角镜头，微处理器和存储单元的天空监视系统解决，其中，天空监视系统被配置为拍摄天空场景照片，细分每个天空场景照片为一组图块，并为每个图块确定一个亮度值，还基于图块的亮度值来计算输出。图像传感器，广角镜头，微处理器和存储单元被集成到一个单独的天空监视设备中，从而使天空监视系统成为嵌入式系统。

在这种情况下，术语“天空场景”应理解为是一个天空穹顶的视图，它可能包含晴朗的天空元素和/或多云的天空元素和/或太阳和/或周围景观元素，例如建筑物，树木之类的。术语“图块”应理解为多个像素。在特定实施例中，每个图块仅有一个像素。换句话说：该特定实施例是确定天空场景的每个像素的亮度。术语“计算”应当优选地是指高级计算，例如光线追踪分析。“嵌入式系统”的表述可以是指设备的所有组件被集成到或附接到公共印刷电路板(PCB)上。

天空监视系统的所有组件都集成在进行板载照明计算的单独天空监视设备中，得到了高度灵活且可移动的天空监视系统，该系统不需要其他外部组件，并且可以使用标准组件，从而降低了成本。

在典型实施例中，天空监视系统被配置为提供建筑物内照明场景的渲染图像和/或建筑物内表面的照度图和/或当前天空状况和/或当前太阳光强度和/或当前太阳位置作为输出。这些类型的输出的优势在于，这些输出可直接用于光模拟应用中的逼真渲染，建筑物中的照明控制和/或用于太阳跟踪(例如在光伏(PV)应用中)。

在典型的实施例中，图像传感器是CMOS图像传感器，优选地包括300万至700万像素，优选地400万至600万像素，更优选地约500万像素，其信噪比优选为20dB至60dB，优选为30dB至50dB，更优选为35dB至45dB，最优选为38.1dB，图像传感器最好具有12位模数转换器，其优选适于在-40℃至80℃之间，优选地在-30℃至70℃之间工作。这种CMOS传感器的使用具有在确保良好功能的同时使图像传感器的成本保持较低的优点。

在典型的实施例中，广角镜头的焦距在1mm至4mm之间，优选地在2mm至3mm之间，更优选地大约2.5mm。在这种情况下，术语“大约”应理解为“最大公差为+/-10％”。术语“大约”的相同定义将贯穿整个说明书，特别是在上文和下文中。发明人已经发现，在该范围内的焦距可以帮助确保成像系统的视场(FOV)覆盖天空穹顶和周围景观的主要区域，同时将畸变影响保持在最小。

在典型的实施例中，在广角镜头与图像传感器之间布置有短通滤光片和长通滤光片。以这种方式，V(λ)-可以获得校正。

在典型的实施例中，天空监视系统包括不透明的护罩，该不透明的护罩被配置为位于镜头的闭合位置和太阳之间，以便使镜头和图像传感器免受太阳的照射。其中，天空监视系统优选地包括电动机，例如微型电动机或步进电动机，其被配置为在图像捕获时自动打开不透明护罩并且此后关闭不透明护罩。这种可移动的不透明护罩具有保护光学系统尤其是图像传感器免于长时间的直接日光照射并因此免于过热和损坏的优点。替代不透明护罩，可以使用百叶窗。与百叶窗相比，不透明的护罩具有结构简单和高可靠性的优点。

在典型的实施例中，不透明护罩的最大打开时间大约为0.5秒。发明人发现，这样的打开时间在图像传感器的保护与图像质量之间保持了良好的平衡。

在典型的实施例中，天空监视装置的最大尺寸为20cm×15cm×10cm，优选最大尺寸为10cm×10cm×10cm。这样的尺寸是有利的，因为它们使设备灵活且便携，同时还为必备性部件提供足够的空间。

在典型的实施例中，微处理器包括现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片。这种FPGA芯片的优势在于，它可以进行高水平的板载计算，例如光线跟踪分析和硬件加速，同时具有相对较低的成本。这样的板载FPGA芯片的使用因此使得不需要诸如笔记本电脑之类的外部计算装置。在特定实施例中，FPGA芯片是微处理器。

使用本发明的上述天空监视系统的方法，天空监视系统用于照片般逼真的渲染和/或用于照明控制和/或用于太阳位置跟踪和/或用于太阳光强度监视。

附图说明

在下文中，将通过附图详细描述本发明：

图1：本发明的天空监视系统的示意性框图。

图2：本发明的FPGA微处理器的示意性框图。

图3：本发明的天空监视系统安装在建筑物窗户外面并面向天空。

图4：由本发明的天空监视系统创建的办公室房间的照片般逼真渲染参考图。

具体实施方式

在优选实施例中，天空监视系统是具有天空监视和亮度映射的准实时照明计算的集成化嵌入式系统，其也可以用于照片般逼真的渲染，照明性能参数评估和建筑自动化。嵌入式系统包括SoC(系统级芯片)FPGA(现场可编程逻辑门阵列)芯片和带有广角镜头的经过校准的低成本图像传感器。嵌入式系统配置为采用高动态范围(HDR)技术，使嵌入式系统的亮度检测范围涵盖7个数量级(121cd/m²到3x10⁹cd/m²)，包括白天的阳光，天空和环境物体。监视的亮度被映射为123万个天空图块，然后FPGA芯片基于光线跟踪，通过例如RADIANCE程序进行照明计算。这种照明计算是在板上进行的；换句话说：天空监控系统配置为通过板上光线跟踪和/或不使用外部计算设备进行照明计算。

图1示出了本发明的天空监视系统S的示意性框图。天空监视系统S包括图像传感器1，光学连接到图像传感器1的广角镜头16，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片3，内部存储器11，SD存储器18和多个输出端口19。所有这些组件都集成在印刷电路板(PCB)17上。所有这些部件构成天空监视系统S的天空监视装置。换句话说，在本实施例中，天空监视系统S是集成的天空监视设备，其所有组件都嵌入在PCB 17上。内部存储器11和/或SD存储器18优选地是1GB的存储器。因此，图1显示了独立于任何外部计算平台的高度集成的嵌入式天空监视系统S。

在图1所示的本发明的实施例中，低成本数字图像传感器1被用作该平台中的主要检测器。图像传感器1包括一个1/2.5英寸互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，具有500万像素(2592×1944)，38.1dB信噪比(SNR)和12位模数转换器(ADC)。该图像传感器1是低功耗设备，最大功率为381mW。从-30℃到70℃的宽工作温度使其可以在地球上大多数地理位置和季节使用。

图像传感器1与焦距为2.5mm的广角镜头16耦合，确保天空监视系统S的视场(FOV)覆盖被监视的天空穹顶和周围景观的主要区域。在此特定实施例中未使用更大的广角镜头的原因在于考虑将畸变保持在可容忍的范围内，因为极宽的广角镜头往往会遭受明显的径向和切向畸变，从而加剧后期校准的复杂性。对于本实施例的天空监视装置，成像系统在水平和垂直方向上分别跨越129.8°×96.8°的视角，并且在对角线方向上最大跨越162.5°。

在一个优选实施例中，在广角镜头16和图像传感器1之间放置短通滤光片和长通滤光片，以根据CIE感光光度函数V(λ)校正其光谱响应，从而使图像传感器1测光正确(f1’误差8.5％)。滤光片未在图1中显示。

在一个优选实施例中，对广角镜头16的晕影和几何畸变进行测量和校准以确保映射精度。

在另一优选实施例中，考虑到太阳光线的强烈强度，在广角透镜16的前面设置了不透明护罩，以保护图像传感器1免受入射的太阳光线的影响(图1中未示出)。优选地，不透明护罩由步进电动机控制，以在图像捕获时自动打开不透明护罩，并在图像捕获完成时再次关闭不透明护罩。最大打开时间优选为0.5秒，从而确保图像传感器1在短时间内不会因强烈的直射太阳光线而过热，从而限制了对图像传感器1的像素不可逆地物理损坏的风险。

在图1所示的实施例中，FPGA芯片3和1G外部SD存储器18构成用于逻辑控制和计算的中心。作为嵌入式系统，其功耗，紧凑性和计算能力是主要问题。作为非循环工程中的经济解决方案，由于其高度可定制的功能，因此选择了单个FPGA-SoC(系统芯片)微处理器来完成任务，包括传感器和执行器的精确控制，HDR成像中的合成，亮度映射和板上照明计算。FPGA芯片3例如是Altera Cyclone V芯片。

图2更详细地示出了已经在图1中示出的FPGA芯片3。FPGA芯片3在单晶硅片上集成了两个主要部分：FPGA架构部分4和硬核处理器(HPS)部分5。FPGA架构部分4是大规模可编程逻辑门阵列(85K逻辑单元)，更适合于传感器的并行计算和控制。在此实施例中，FPGA架构部分4限于图像传感器1和用于为广角镜头16遮挡天空和太阳的步进电动机2的控制。HPS部分5主要由ARM处理单元9(特别是工作在925MHz的ARM Cortex-A9双核处理器)以及通向FPGA架构部分4的通信桥14组成。在此实施例中，HPS部分5被设计为负责较高级别的算法，包括HDR成像的合成，天空场景的亮度映射以及光模拟。

图2还显示了FPGA架构部分4，包括带有硬件接口7和计算加速器8的外围控制器6。外围控制器6连接到图像传感器1以及不透明护罩(未示出)的电动机和致动器2。外围控制器6通过FPGA架构部分4的桥15连接到HPS部分5的SDRAM控制器10。SDRAM控制器10链接到存储器(RAM)11。

FPGA架构部分4还包括输入/输出接口12，其经由通信桥14连接到HPS部分5。输入/输出接口12连接多个按钮13。

FPGA架构部分4向图像传感器1馈送96MHz的高频时钟，以驱动像素的连续输出。处理器能够与多个内部计数器一起控制图像传感器1的曝光时间范围从10纳秒到数分钟。基于捕获快速移动的云的图像的考虑，最大曝光时间通常限制为400ms，以避免模糊。由于多个时钟在FPGA芯片3内工作，因此最小曝光时间通常设置为1μs，以减少跨时钟域(CSC)的影响，从而确保最小积分时间的准确性。

尽管图像传感器的12位ADC输出1到4096级的离散灰度值，但是本发明的实施例过滤掉像素的线性区域之外的值，并且仅保留50到3400的有效范围，同时排除暗电流噪声和传感器的复位噪声。这样，在同一帧中，最亮的像素接收的光子比最暗的像素接收的光子多64倍。在优选实施例中，以曝光时间分别为1μs，10μs，655μs，42ms和400ms连续拍摄五帧。合成的亮度跨越7个数量级(150dB)。这足以覆盖白天太阳直射光的亮度范围(3x10⁹cd/m²)和环境物体的亮度范围(121cd/m²)。

在优选实施例中，RGB通道的每四个像素合并为一个组，因此该设备能够输出123万个亮度值单元，其中每个单元对应于入射光线的唯一方向角。因此，可以映射来自天空或地面穹顶的123万个色块图像平面的亮度值。由于广角镜16的焦距与天空监控设备和环境物体(例如相邻建筑物，花园和静态车辆)之间的距离相比是无穷小的，则有可能使周围物体和天空都距离广角镜16无限远，并且实际上环境物体浸没在无限的天地穹顶中，包括在云层和太阳内，合成为一个完整的图像。

图1和图2所示实施例中的空中监视系统的微处理器，即FPGA芯片3，能够在一秒钟内完成对HDR成像和亮度映射的控制。天空和物体的映射亮度存储在计算文件中，在光模拟中作为RADIANCE的输入，光模拟在天空模拟设备S的板上运行。对于具有单面外立面的房间的照明计算，窗户面向的天空半球的一半与具有周围环境物体的地面半球的一半一起作为照明源。鉴于此，总的来说，面对房间外立面的天空和地面穹顶的半球足以用于单侧立面场景的亮度监控和照明模拟。因此，可以将天空监视设备放置在房间的窗玻璃前面以执行监视和照明计算，确保镜头的轴与窗玻璃面向的方向相同，如图3所示。

图3示出了集成为天空监视装置形式的天空监视系统S，其安装在建筑物外部的一个建筑物窗户20的前面。天空监视系统S指向天空21，以便拍摄天空场景，通常包括至少一部分天空和地面穹顶。在图3所示的特定实施例中，天空21是晴朗的天空并且包括太阳22。

在使用天空监视设备S的优选方法中，基于后向光线跟踪算法，使用RADIANCE程序来计算办公室房间中的照明。首先创建办公室房间的场景，然后微处理器，例如FPGA芯片3，将监视的天空和地面半球的亮度(也称为天空场景)与办公室的场景合成为八叉树文件，用作照明计算的输入。然后，RADIANCE的rtrace和rpict子程序在FPGA芯片3的HPS部分5上运行，以生成渲染并计算房间内的照度分布。

图4可视化了以监视的天空，太阳和周围物体的亮度作为输入的办公室的晴天渲染参考图。由于高分辨率映射，从房间内部朝向外部的角度来看，周围建筑物和树木的轮廓清晰地呈现在渲染的图像上。由于仅涉及光度度量，因此忽略了光源的颜色，因此天空和周围的景观显示为灰色。为了追踪1.41×10⁶个光线，发明人发现在天空监视系统的处理器，例如FPGA芯片3，的HPS部分5上，用123万个映射的天空或地面图块作为输入，完成渲染需要79.2秒。

本发明的位于房间外并且面向天空的嵌入式天空监视设备，也可以用于内部场景的照明估计以进行照明控制。简而言之：例如，图3中所示的天空监控系统S可以用来拍摄房间外的天空场景的图片，可以计算房间内当前的照明情况，例如房间内工作平面上的照度分布。然后，该照度分布可用于照明控制，例如用于在工作平面的特定区域中的照度水平变得太低的情况下自动接通电照明。这意味着照明控制是基于天空监视系统S提供的模拟结果而不是通过照度计进行的实际测量来进行的。

由于其快速的HDR成像技术和光谱响应校准，嵌入式天空监视设备显示了其在精确检测太阳亮度和跟踪太阳位置方面的能力。天空监视设备可用于例如测量太阳的亮度，方位角和天顶角，可将其潜在地应用于太阳能PV面板的自动化中，以根据太阳调整其角度位置以最大化其发电量。

本发明至少部分地具有以下优点：

-天空监视系统S体积紧凑，并且独立于PC或服务器等外部计算平台。仅嵌入式系统就能完成所有功能。

-宽动态范围，能监视白天太阳直射光线和阴影中周围环境物体的亮度。

-能确保眩光检测的高分辨率和光模拟的准确性。

-亮度测量和光模拟集成在一起。

-实时精确测量太阳的角位置。

本发明至少具有以下应用领域：

-用作亮度计，在10-⁷sr的立体角下具有高分辨率，可覆盖包括太阳的亮度(1.6x10⁹cd/m²)和周围物体的亮度(10-100cd/m²)在内的高动态范围的同时，只需几秒钟即可快速响应。

-作为建筑设计师的房间照明的真实现场模拟器。该设备可以放在未建建筑物的位置，也可以放在需要翻新的房间的窗户前面。它能够以真实的环境物体和天空作为输入，模拟进行设计的建筑物内部或房间的照明条件，该设备还可以为用户生成可视化的照明条件的图像，并帮助设计人员分析/评估照明强度级别(采光性能)以及它们是否满足特定要求。

-在楼宇控制中的应用。作为一种紧凑且响应迅速的设备，它可以安装在建筑物上，以监视天空和周围物体的真实状况，并根据准实时照明仿真的结果，帮助控制建筑物的阴影以保持房间的照明度在一定水平。

-实时控制太阳能光伏系统，例如根据太阳位置调整其位置。

本发明不限于这里描述的优选实施例。保护范围由权利要求书限定。

此外，以下权利要求据此合并到优选实施例的描述中，其中每个权利要求可以作为独立的实施例而独立存在。尽管每个权利要求可以单独作为一个单独的实施例，但应注意-尽管从属权利要求在权利要求中指的是与一个或多个其他权利要求的特定组合-其他实施例也可以包括从属权利要求与彼此的从属或独立权利要求的主题的组合。除非指出没有特定的组合，否则本文提出了这种组合。此外，意图是将权利要求的特征也包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接依赖于独立权利要求也是如此。

还要注意的是，说明书或权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的各个动作中的每一个装置的设备来实现。

参考列表：

1.图像传感器

2.马达和执行器

3.现场可编程门阵列(FPGA)芯片

4.FPGA芯片的FPGA结构部分

5.FPGA芯片的硬核处理器(HPS)部分

6.外围控制器

7.硬体介面

8.计算加速器

9.ARM处理单元

10.SDRAM控制器

11.存储器(RAM)

12.输入输出接口

13.按钮

14.HPS到FPGA架构的桥

15.FPGA架构到SDRAM控制器的桥

16.广角镜头

17.印刷电路板(PCB)

18.SD存储器

19.输出端口

20.建筑物的窗户

21.天空

22.太阳

S 天空监视系统

Claims (18)

1.天空监视系统(S),包括

-图像传感器(1),

-广角镜头(16),

-微处理器(3),和

-存储单元(11,18),

-所述天空监视系统(S)被配置为拍摄天空场景的照片,

其特征在于：

所述图像传感器(1)，所述广角镜头(16)，所述微处理器(3)和所述存储单元(11、18)被集成到一个单独的天空监视装置中，从而使所述天空监视系统(S)成为嵌入式系统；其中，根据CIE感光光度函数V(λ)校正其广角镜头(16)和图像传感器(1)的光谱响应；所述天空监视系统(S)被配置为细分每个天空场景的照片为一组图块，并且每个图块对应于入射光线的唯一方向角，进而为每个图块确定一个亮度值，所述天空监视系统(S)被配置为基于图块的亮度值计算输出，其中，所述计算是指光线追踪分析，所述输出包括建筑物内照明场景的渲染图像和/或建筑物内表面的照度分布。

2.根据权利要求1所述的天空监视系统(S),其特征在于：在所述广角镜头(16)与所述图像传感器(1)之间布置有滤光片，所述滤光片包括短通滤光片和长通滤光片。

3.根据权利要求1所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述的天空监视系统(S)包括不透明的护罩被配置为位于所述镜头(16)的闭合位置和太阳之间，以便使所述镜头(16)和所述图像传感器(1)免受阳光照射；所述天空监视系统(S)包括电动机(2)，被配置为在图像捕获时自动打开所述不透明护罩并且此后关闭所述不透明护罩。

4.根据权利要求3所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述不透明护罩的最大打开时间为0.5秒。

5.根据权利要求1所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述天空监视装置的最大尺寸为20cm×15cm×10cm。

6.根据权利要求1所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述天空监视装置的最大尺寸为10cm×10cm×10cm。

7.根据权利要求1所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述微处理器(3)包括现场可编程逻辑门阵列芯片(3)。

8.根据权利要求1所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述图像传感器(1)是CMOS图像传感器(1)，所述CMOS图像传感器(1)的像素为300万至700万像素，所述CMOS图像传感器(1)的信噪比为20dB至60dB；所述CMOS图像传感器(1)具有12位模数转换器，所述CMOS图像传感器(1)工作温度范围在-40℃至80℃之间。

9.根据权利要求8所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述CMOS图像传感器(1)的像素为400万至600万像素。

10.根据权利要求8所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述CMOS图像传感器(1)的像素为500万像素。

11.根据权利要求8所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述CMOS图像传感器(1)的信噪比为30dB至50dB。

12.根据权利要求8所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述CMOS图像传感器(1)的信噪比为35dB至45dB。

13.根据权利要求8所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述CMOS图像传感器(1)的信噪比为38.1dB。

14.根据权利要求8所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述CMOS图像传感器(1)工作温度范围在-30℃至70℃之间。

15.根据权利要求1或2所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述广角镜头(16)的焦距在1mm至4mm之间。

16.根据权利要求15所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述广角镜头(16)的焦距在2mm至3mm之间。

17.根据权利要求15所述的天空监视系统(S)，其特征在于：所述广角镜头(16)的焦距为2.5mm。

18.使用前述权利要求中的任一项所述的天空监视系统(S)进行照明控制的方法，其特征在于：所述天空监视系统(S)拍摄房间外的天空场景的图片，计算房间内工作平面上的照度分布，然后，将该照度分布用于在工作平面的特定区域中的照度水平变得太低的情况下自动控制电接通照明。

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