CN116685015A - 一种基于环境光线的灯光控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环境光线的灯光控制方法，涉及灯光控制领域，本发明中将环境图像变换到HSI空间，提取其表面亮度变化的I分量，从而得到图像亮度，根据图像亮度，估算出环境光线亮度，从而再根据需求的目标亮度与当前的环境光线亮度的差值，得到亮度差值，电流控制模型根据当前的亮度差值，计算出电流控制量，从而实现对亮度的稳定控制，避免亮度的突增或突减造成的LED灯控制不稳定。本发明中LED灯亮度跟随环境光线亮度变化，在环境光线亮度大时，LED灯亮度低，从而实现根据环境的光强变化，自动调整LED亮度，实现节约电能。

Description

一种基于环境光线的灯光控制方法

技术领域

本发明涉及灯光控制技术领域，具体涉及一种基于环境光线的灯光控制方法。

背景技术

灯的亮灭由开关控制，在环境光线强时，关闭灯光，在环境光线弱时，开启灯光，大多数情况下，人们容易遗漏对灯的关闭，灯长期在非必要时间使用，造成用电浪费，同时，灯光较强时，强光容易造成眼部不适，使得眼睛干燥，灯管较弱时，弱光容易造成用眼过度，使得眼睛疲劳。

现有通过光敏二极管测量环境的光线强弱，计算得到环境亮度，根据环境亮度的大小，对LED灯进行控制，在环境亮度大时，减少LED灯的控制电流，在环境亮度小时，增加LED灯的控制电流，但是在夜间，光敏二极管对于夜间的光强变化敏感度较低，因此，对于环境亮度计算有误差，造成LED灯亮度控制不准确，同时，LED灯容易控制不稳定，造成灯光明显波动，容易晃眼。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于环境光线的灯光控制方法解决了现有灯光控制方法存在LED灯亮度控制不准确，以及LED灯控制不稳定的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于环境光线的灯光控制方法，包括以下步骤：

S1、根据环境图像在HSI空间中的I分量，计算图像亮度；

S2、根据图像亮度，计算环境光线亮度；

S3、根据环境光线亮度和目标亮度，计算亮度差值；

S4、根据亮度差值，构建电流控制模型，得到电流控制量；

S5、根据电流控制量，对LED稳流输出芯片的电流进行控制。

进一步地，S1包括以下分步骤：

S11、对环境图像中每个通道进行去噪处理，得到去噪图像；

S12、将去噪图像进行切块，得到图像子块；

S13、将图像子块转换到HSI空间，提取I分量均值；

S14、根据各图像子块的I分量均值，计算图像亮度。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中对每个通道进行去噪处理，从而保障每个通道值为有效通道值，避免噪声对其的影响，造成对图像亮度的计算不准确；本发明对去噪后的图像进行分块，并将分块后的图像转换到HSI空间中，提取出I分量均值，从而实现对图像的分区，根据不同区域的I分量均值，计算图像亮度。

进一步地，S11中去噪处理的公式为：

；

其中，q _D,i 为去噪后位置点(x,y)的第i种通道值，q _o,i 为去噪前位置点(x,y)的第i种通道值，q _o,i,j 为位置点(x,y)邻域范围的第j个位置点的第i种通道值，| |为绝对值，q _th 为通道阈值，x为位置点(x,y)的横坐标，y为位置点(x,y)的纵坐标，位置点(x,y)邻域范围的第1个位置点为(x-1,y+1)，位置点(x,y)邻域范围的第2个位置点为(x+1,y+1)，位置点(x,y)邻域范围的第3个位置点为(x+1,y-1)，位置点(x,y)邻域范围的第4个位置点为(x-1, y-1)。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中以位置点(x,y)处的通道值作为中心通道值，取其邻域范围内对角的四个通道值对其进行滤波处理，在中心通道值q _o,i 与四个通道值的平均通道值小于通道阈值时，则属于正常的波动范围，对其不进行滤波处理，保留原本的通道值，避免过度滤波对图像亮度的影响，在中心通道值q _o,i 与四个通道值的平均通道值大于等于通道阈值时，采用四个通道值的平均通道值替换原本的中心通道值，从而实现对异常点的滤波。

进一步地，通道阈值的计算公式为：

；

其中，max为取最大值，min为取最小值，k的取值范围为1到4的正整数，i与k同时不取相同的值，为位置点(x,y)邻域范围的第j个位置点的第i种通道值q _o,i,j 与邻域范围的另一个位置点k的第i种通道值q _o,i,k 相减，q _o,i,k 为位置点(x,y)邻域范围的第k个位置点的第i种通道值。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中通道阈值根据四个通道值的大小进行设置，其随着中心通道值的位置变化而变化，本发明中取四个通道值中相距最大的通道值与相距最小的通道值相比，得到通道值在该范围波动的比例系数，从而确定中心通道值可能波动的范围，尽可能的滤除噪点，且保留原本正常的通道值。

进一步地，S14中计算图像亮度的公式为：

；

其中，L为图像亮度，I _n 为第n个图像子块的I分量均值，N为图像子块的数量。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明将去噪图像进行切块处理，从而便于根据各个区域的I分量情况进行加权处理，提高图像亮度的计算精度。

进一步地，S2中计算环境光线亮度的公式为：

；

其中，L _f 为环境光线亮度，e为自然常数，L为图像亮度，ln为对数函数，θ ₁为第一亮度系数，θ ₂为第二亮度系数，θ ₃为第三亮度系数，ε为亮度偏移系数，R为相对孔径，T为曝光时间。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中图像在拍照时，会释放一定的光强，因此，本发明同时考虑曝光时间和相对孔径，建立曝光时间、相对孔径和图像亮度与环境光线亮度的映射函数，消除拍照时相机本身带来的影响，提高环境光线亮度的计算精度。

进一步地，S4包括以下分步骤：

S41、根据当前的亮度差值，计算比例系数，构建比例控制模型；

S42、根据历史亮度差值，计算累计误差系数，构建累计误差控制模型；

S43、根据亮度差值的变化，计算稳定控制参数，构建稳定控制模型；

S44、根据比例控制模型的输出、累计误差控制模型的输出和稳定控制模型的输出，构建电流控制模型；

S45、根据电流控制模型的输出，得到电流控制量。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中比例控制模型可根据当前的亮度差值快速提高光线亮度，当前亮度差值越大，比例控制模型输出越大，实现快速响应；本发明中累计误差控制模型统计历史亮度误差，尽可能的消除误差，使得亮度误差逐步减小；本发明稳定控制模型捕捉亮度差值变化，从而避免光线亮度变化过快，使得震荡太大，造成灯光明显波动，电流控制模型综合比例控制模型、累计误差控制模型和稳定控制模型，综合三个模型的优势，稳定控制灯光的电流。

进一步地，S41中比例控制模型为：

；

其中，L _1,t 为比例控制模型第t时刻的输出，l _t 为第t时刻的亮度差值，μ为比例系数；

比例系数的计算公式为：

；

其中，e为自然常数；

累计误差控制模型为：

；

其中，L _2,t 为累计误差控制模型第t时刻的输出，γ为累计误差系数，l _τ 为第τ时刻的亮度差值，t为当前时刻；

累计误差系数的计算公式为：

；

稳定控制模型为：

；

其中，L _3,t 为稳定控制模型第t时刻的输出，δ为稳定控制参数，l _t 为第t时刻的亮度差值，l _t-1为第t-1时刻的亮度差值；

稳定控制参数的计算公式为：

；

其中，| |为绝对值。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明在亮度差值越大时，计算的比例系数越大，从而使得比例控制模型具备快速响应的能力；在累计误差控制模型中，本发明取历史多次累计误差的均值，在亮度差值减小至0过程中，均值逐步被进一步减小，但在亮度差值较大时，均值仍保持较大值，从而使得累计误差控制模型具备统计误差情况，且消除误差的能力，本发明中通过累计误差系数衡量当前的误差均值情况，从而使得累计误差控制模型具备更强的误差均值感知能力；本发明稳定控制模型用于根据邻近时间亮度差值的变化趋势，通过稳定控制参数去了解这种变化的比例，从而防止过度调节。

进一步地，S44中电流控制模型为：

；

其中，I _t 为电流控制模型第t时刻输出的电流控制量，w ₁为第一权重，w ₂为第二权重，w ₃为第三权重，b为偏置，tanh为双曲正切函数。

上述进一步地方案的有益效果为：本发明中设置双曲正切函数，感应各个模型的输出，根据各个模型的输出，调整电流控制模型的输出，同时分别为比例控制模型的输出、累计误差控制模型的输出和稳定控制模型的输出赋予不同权重，方便在使用时，根据不同需求对电流控制模型输出进行调节，在需要响应速度快时，可为第一权重赋予更多值，提高电流控制模型的灵活度。

综上，本发明的有益效果为：本发明中将环境图像变换到HSI空间，提取其表面亮度变化的I分量，从而得到图像亮度，根据图像亮度，估算出环境光线亮度，从而再根据需求的目标亮度与当前的环境光线亮度的差值，得到亮度差值，电流控制模型根据当前的亮度差值，计算出电流控制量，从而实现对亮度的稳定控制，避免亮度的突增或突减造成的LED灯控制不稳定。本发明中基于环境图像的处理，得到环境的亮度，相比于光敏二极管，对夜间光线强弱变化更敏感，环境光线亮度计算更准确，同时，本发明中LED灯亮度跟随环境光线亮度变化，在环境光线亮度大时，LED灯亮度低，从而实现根据环境的光强变化，自动调整LED亮度，实现节约电能。

附图说明

图1为一种基于环境光线的灯光控制方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于环境光线的灯光控制方法，包括以下步骤：

S1、根据环境图像在HSI空间中的I分量，计算图像亮度。

S1包括以下分步骤：

S11、对环境图像中每个通道进行去噪处理，得到去噪图像。

S11中去噪处理的公式为：

；

其中，q _D,i 为去噪后位置点(x,y)的第i种通道值，q _o,i 为去噪前位置点(x,y)的第i种通道值，q _o,i,j 为位置点(x,y)邻域范围的第j个位置点的第i种通道值，| |为绝对值，q _th 为通道阈值，x为位置点(x,y)的横坐标，y为位置点(x,y)的纵坐标，位置点(x,y)邻域范围的第1个位置点为(x-1,y+1)，位置点(x,y)邻域范围的第2个位置点为(x+1,y+1)，位置点(x,y)邻域范围的第3个位置点为(x+1,y-1)，位置点(x,y)邻域范围的第4个位置点为(x-1, y-1)。

本发明中以位置点(x,y)处的通道值作为中心通道值，取其邻域范围内对角的四个通道值对其进行滤波处理，在中心通道值q _o,i 与四个通道值的平均通道值小于通道阈值时，则属于正常的波动范围，对其不进行滤波处理，保留原本的通道值，避免过度滤波对图像亮度的影响，在中心通道值q _o,i 与四个通道值的平均通道值大于等于通道阈值时，采用四个通道值的平均通道值替换原本的中心通道值，从而实现对异常点的滤波。

通道阈值的计算公式为：

；

其中，max为取最大值，min为取最小值，k的取值范围为1到4的正整数，i与k同时不取相同的值，为位置点(x,y)邻域范围的第j个位置点的第i种通道值q _o,i,j 与邻域范围的另一个位置点k的第i种通道值q _o,i,k 相减，q _o,i,k 为位置点(x,y)邻域范围的第k个位置点的第i种通道值。

本发明中通道阈值根据四个通道值的大小进行设置，其随着中心通道值的位置变化而变化，本发明中取四个通道值中相距最大的通道值与相距最小的通道值相比，得到通道值在该范围波动的比例系数，从而确定中心通道值可能波动的范围，尽可能的滤除噪点，且保留原本正常的通道值。

S12、将去噪图像进行切块，得到图像子块。

S13、将图像子块转换到HSI空间，提取I分量均值。

S14、根据各图像子块的I分量均值，计算图像亮度。

本发明中对每个通道进行去噪处理，从而保障每个通道值为有效通道值，避免噪声对其的影响，造成对图像亮度的计算不准确；本发明对去噪后的图像进行分块，并将分块后的图像转换到HSI空间中，提取出I分量均值，从而实现对图像的分区，根据不同区域的I分量均值，计算图像亮度。

S14中计算图像亮度的公式为：

；

其中，L为图像亮度，I _n 为第n个图像子块的I分量均值，N为图像子块的数量。

本发明将去噪图像进行切块处理，从而便于根据各个区域的I分量情况进行加权处理，提高图像亮度的计算精度。

S2、根据图像亮度，计算环境光线亮度。

S2中计算环境光线亮度的公式为：

；

其中，L _f 为环境光线亮度，e为自然常数，L为图像亮度，ln为对数函数，θ ₁为第一亮度系数，θ ₂为第二亮度系数，θ ₃为第三亮度系数，ε为亮度偏移系数，R为相对孔径，T为曝光时间。

本发明中图像在拍照时，会释放一定的光强，因此，本发明同时考虑曝光时间和相对孔径，建立曝光时间、相对孔径和图像亮度与环境光线亮度的映射函数，消除拍照时相机本身带来的影响，提高环境光线亮度的计算精度。

S3、根据环境光线亮度和目标亮度，计算亮度差值。

S4、根据亮度差值，构建电流控制模型，得到电流控制量。

S4包括以下分步骤：

S41、根据当前的亮度差值，计算比例系数，构建比例控制模型。

S42、根据历史亮度差值，计算累计误差系数，构建累计误差控制模型。

S43、根据亮度差值的变化，计算稳定控制参数，构建稳定控制模型。

S44、根据比例控制模型的输出、累计误差控制模型的输出和稳定控制模型的输出，构建电流控制模型。

S45、根据电流控制模型的输出，得到电流控制量。

本发明中比例控制模型可根据当前的亮度差值快速提高光线亮度，当前亮度差值越大，比例控制模型输出越大，实现快速响应；本发明中累计误差控制模型统计历史亮度误差，尽可能的消除误差，使得亮度误差逐步减小；本发明稳定控制模型捕捉亮度差值变化，从而避免光线亮度变化过快，使得震荡太大，造成灯光明显波动，电流控制模型综合比例控制模型、累计误差控制模型和稳定控制模型，综合三个模型的优势，稳定控制灯光的电流。

S41中比例控制模型为：

；

其中，L _1,t 为比例控制模型第t时刻的输出，l _t 为第t时刻的亮度差值，μ为比例系数；

比例系数的计算公式为：

；

其中，e为自然常数；

累计误差控制模型为：

；

其中，L _2,t 为累计误差控制模型第t时刻的输出，γ为累计误差系数，l _τ 为第τ时刻的亮度差值，t为当前时刻；

累计误差系数的计算公式为：

；

稳定控制模型为：

；

其中，L _3,t 为稳定控制模型第t时刻的输出，δ为稳定控制参数，l _t 为第t时刻的亮度差值，l _t-1为第t-1时刻的亮度差值；

稳定控制参数的计算公式为：

；

其中，| |为绝对值。

本发明在亮度差值越大时，计算的比例系数越大，从而使得比例控制模型具备快速响应的能力；在累计误差控制模型中，本发明取历史多次累计误差的均值，在亮度差值减小至0过程中，均值逐步被进一步减小，但在亮度差值较大时，均值仍保持较大值，从而使得累计误差控制模型具备统计误差情况，且消除误差的能力，本发明中通过累计误差系数衡量当前的误差均值情况，从而使得累计误差控制模型具备更强的误差均值感知能力；本发明稳定控制模型用于根据邻近时间亮度差值的变化趋势，通过稳定控制参数去了解这种变化的比例，从而防止过度调节。

S44中电流控制模型为：

；

其中，I _t 为电流控制模型第t时刻输出的电流控制量，w ₁为第一权重，w ₂为第二权重，w ₃为第三权重，b为偏置，tanh为双曲正切函数。

本发明中设置双曲正切函数，感应各个模型的输出，根据各个模型的输出，调整电流控制模型的输出，同时分别为比例控制模型的输出、累计误差控制模型的输出和稳定控制模型的输出赋予不同权重，方便在使用时，根据不同需求对电流控制模型输出进行调节，在需要响应速度快时，可为第一权重赋予更多值，提高电流控制模型的灵活度。

在本实施例中，第一权重w ₁、第二权重w ₂、第三权重w ₃和偏置b的获取方法包括以下步骤：

A1、设定灯光最快变化速率l _L ，计算得到电流控制量最快变化速率I _v ；

；

其中，为速率变化系数；

A2、对第一权重w ₁、第二权重w ₂、第三权重w ₃和偏置b赋予初值；

A3、根据当前的电流控制模型在相邻时间内输出的差值，得到电流控制量差值I _t -I _t-1，其中，I _t-1为电流控制模型第t-1时刻输出的电流控制量；

A4、判断电流控制量差值是否满足条件公式，若是，则所有权重和偏置为所需值，结束，若否，则对权重和偏置进行更新，并跳转至步骤A3，其中，条件公式为：。

其中，A4中对权重和偏置进行更新的公式为：

；

；

；

；

其中，w _1,m+1为第m+1次更新的第一权重，w _1,m 为第m次更新的第一权重，w _2,m+1为第m+1次更新的第二权重，w _2,m 为第m次更新的第二权重，w _3,m+1为第m+1次更新的第三权重，w _3,m 为第m次更新的第三权重，b _m+1为第m+1次更新的偏置，b _m 为第m次更新的偏置。

在电流控制量差值满足条件公式时，灯光变化速率满足需求，在不满足条件公式时，灯光变化速率过快，造成灯光明显波动，因此，降低第一权重、第二权重和偏置，增加第三权重，降低灯光变化速率。

S5、根据电流控制量，对LED稳流输出芯片的电流进行控制。

本发明中将环境图像变换到HSI空间，提取其表面亮度变化的I分量，从而得到图像亮度，根据图像亮度，估算出环境光线亮度，从而再根据需求的目标亮度与当前的环境光线亮度的差值，得到亮度差值，电流控制模型根据当前的亮度差值，计算出电流控制量，从而实现对亮度的稳定控制，避免亮度的突增或突减造成的LED灯控制不稳定。本发明中基于环境图像的处理，得到环境的亮度，相比于光敏二极管，对夜间光线强弱变化更敏感，环境光线亮度计算更准确。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据环境图像在HSI空间中的I分量，计算图像亮度；

S2、根据图像亮度，计算环境光线亮度；

S3、根据环境光线亮度和目标亮度，计算亮度差值；

S4、根据亮度差值，构建电流控制模型，得到电流控制量；

S5、根据电流控制量，对LED稳流输出芯片的电流进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述S1包括以下分步骤：

S11、对环境图像中每个通道进行去噪处理，得到去噪图像；

S12、将去噪图像进行切块，得到图像子块；

S13、将图像子块转换到HSI空间，提取I分量均值；

S14、根据各图像子块的I分量均值，计算图像亮度。

3.根据权利要求2所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述S11中去噪处理的公式为：

；

其中，q _D,i 为去噪后位置点(x,y)的第i种通道值，q _o,i 为去噪前位置点(x,y)的第i种通道值，q _o,i,j 为位置点(x,y)邻域范围的第j个位置点的第i种通道值，| |为绝对值，q _th 为通道阈值，x为位置点(x,y)的横坐标，y为位置点(x,y)的纵坐标，位置点(x,y)邻域范围的第1个位置点为(x-1,y+1)，位置点(x,y)邻域范围的第2个位置点为(x+1,y+1)，位置点(x,y)邻域范围的第3个位置点为(x+1,y-1)，位置点(x,y)邻域范围的第4个位置点为(x-1,y-1)。

4.根据权利要求3所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述通道阈值的计算公式为：

；

其中，max为取最大值，min为取最小值，k的取值范围为1到4的正整数，i与k同时不取相同的值，为位置点(x,y)邻域范围的第j个位置点的第i种通道值q _o,i,j 与邻域范围的另一个位置点k的第i种通道值q _o,i,k 相减，q _o,i,k 为位置点(x,y)邻域范围的第k个位置点的第i种通道值。

5.根据权利要求2所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述S14中计算图像亮度的公式为：

；

其中，L为图像亮度，I _n 为第n个图像子块的I分量均值，N为图像子块的数量。

6.根据权利要求1所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述S2中计算环境光线亮度的公式为：

；

其中，L _f 为环境光线亮度，e为自然常数，L为图像亮度，ln为对数函数，θ ₁为第一亮度系数，θ ₂为第二亮度系数，θ ₃为第三亮度系数，ε为亮度偏移系数，R为相对孔径，T为曝光时间。

7.根据权利要求1所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述S4包括以下分步骤：

S41、根据当前的亮度差值，计算比例系数，构建比例控制模型；

S42、根据历史亮度差值，计算累计误差系数，构建累计误差控制模型；

S43、根据亮度差值的变化，计算稳定控制参数，构建稳定控制模型；

S44、根据比例控制模型的输出、累计误差控制模型的输出和稳定控制模型的输出，构建电流控制模型；

S45、根据电流控制模型的输出，得到电流控制量。

8.根据权利要求7所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述S41中比例控制模型为：

；

其中，L _1,t 为比例控制模型第t时刻的输出，l _t 为第t时刻的亮度差值，μ为比例系数；

所述比例系数的计算公式为：

；

其中，e为自然常数；

所述累计误差控制模型为：

；

其中，L _2,t 为累计误差控制模型第t时刻的输出，γ为累计误差系数，l _τ 为第τ时刻的亮度差值，t为当前时刻；

所述累计误差系数的计算公式为：

；

所述稳定控制模型为：

；

其中，L _3,t 为稳定控制模型第t时刻的输出，δ为稳定控制参数，l _t 为第t时刻的亮度差值，l _t-1为第t-1时刻的亮度差值；

所述稳定控制参数的计算公式为：

；

其中，| |为绝对值。

9.根据权利要求8所述的基于环境光线的灯光控制方法，其特征在于，所述S44中电流控制模型为：

；

其中，I _t 为电流控制模型第t时刻输出的电流控制量，w ₁为第一权重，w ₂为第二权重，w ₃为第三权重，b为偏置，tanh为双曲正切函数。