CN1383700A - 利用ccd传感器控制照明的照明控制设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种照明装置,其包括一个能测量房间中电磁辐射的优选为可见光以及红外光的传感器,并包括用于依赖于测量的辐射值来控制房间内照明的控制装置,传感器包括一个视频传感器,例如一个能产生房间的电子图像的CCD(电荷耦合器件)传感器。

Description

利用CCD传感器控制照明的照明控制设备和方法

本发明涉及一种照明控制设备，其包括一个能测量房间中电磁辐射的传感器和能响应测量的辐射值来控制房间中照明的控制装置。

在这一关系中，“电磁辐射”被用来表示，尤其是，可见光和近红外光。众所周知的是，利用安放在天花板并以特定观察角度监视工作场所的包括单光电元件的传感器来测量和控制办公室内的光度。该公知的传感器的缺点在于它测量的是观察范围内的积分光强。如果窗户部分地或全部地位于观察范围内，则穿过窗户到达传感器的光量(例如来自建筑外停车场的反射)，可成为光传感器整个输出信号的主导因素。作为其结果，由于光控制行为而使内部变得过暗。这一可能的干扰在基本程度上取决于天气状况和外部亮度。如果直射阳光穿过窗户进入，相似的干扰可发生，从而在窗格子玻璃、桌子或甚至是地板上产生极明亮的光斑。这些光斑几乎总是位于传感器的观察范围内。

除了没有上述缺点的检测器之外，还需要有利用遥控来控制的照明。此外，还需要有依赖于人的存在的自动控制的照明。为这一目的，在公知的传感器中，红外元件和运动检测器必须分别靠近光电元件安装。

本发明的目的是提供一种有效的、实用的和精确的照明控制设备，其能以低成本实行多个以上功能，并致使公知系统的缺点减少。

为实现这一点，传感器包括一个视频传感器，例如一个CCD(电荷耦合器件)传感器，其能够产生房间的电子(视频)图像。这样的传感器经常用在视频摄像机中，且因大数量而能经济地生产制造。电子图像能由用以精确调整房间内照明的控制装置来分析。

优选地，响应于测量的可见光和红外辐射两者的辐射值，传感器和控制装置能恰当地用于来控制照明。这能使得例如照明也可利用由传感器引导的红外遥控来控制。为这一目的，优选地，控制装置能响应由遥控发射的信号。如果房间内黑暗，设备也能利用红外检测来检测人的存在。为这一目的，例如，一个近红外光源应存在于视频传感器对其敏感的空间。

优选地，控制装置能响应图像值间的对比来控制照明。控制装置优选地也能响应在图像的预定部分中可见光的辐射值来控制照明，以便能忽略干扰图像的部分，如房间内被太阳明亮地照亮的部分。这些部分或自动被确定或手动被编入。

优选地，控制装置能响应图像的色温值来控制照明。鉴于此，结合一个能用以改变色温的照明器，有可能带来一个恒定的色温或相反地，照明的不同色温能依赖于目标而得以调整。

优选地，控制装置包括运动检测装置，其在人进入房间时能接通照明。更为优选地，控制装置包括物体识别装置，其能识别在CCD视频图像中的特定物体，以便不动物体(例如不运动的人)也能被观察到。

另外，本发明涉及一种控制房间内照明的方法，其中房间内电磁辐射用传感器来测量，房间内的照明响应测量的辐射值利用控制装置来控制，并且电磁辐射由产生房间的电子图像的CCD(电荷耦合器件)传感器来测量。

参考此后所述的实施方案，本发明的这些和其它方面将是显而易见的且将被阐明。

附图中：

图1示出由CCD传感器观察到的视频图像；

图2分别示出(A)图1所示的视频图像的视频线的视

频信号，(B)与视频信号有关的比较器的输出，和(C)

所得的处理过的视频信号；

图3示出图2信号的处理图；并且

图4A-4H示出一系列视频图像以举例说明在本发明范围

内的物体识别过程。

图1示出由提供有透镜的CCD传感器观察到的图像(CCD传感器因而也被称为CCD摄像机)，该CCD传感器，结合控制装置，形成部分的照明控制设备且安放于天花板上。照明控制设备连接到位于房间内的不同的照明器上，并且能调整这些照明器用以照亮屋内不同点的强度。其目的是在工作场所实现最佳可能光照度。利用CCD摄像机，通过下述的方法，原则上，这里上面讨论的传感器的缺点都能得以消除。静态遮蔽：

因为摄像机图像中窗户1的位置是已知的，则在这些位置上被观察到的光能从由控制装置实行的计算算法中排除。这可以手动调整或可以是自动(自学)过程。例如，在办公室的照明没有被点亮时，各图像被收集且图像可能利用对比度改进技术由被观察到的高亮度的位置构成。这一图像被冻结并在后来的阶段中被用于数据分析过程中以去除窗户1的干扰位置(位置或立体角和其光视觉印象都在计算中忽略)。这一键控技术也用于例如普遍称为“色度键控”(色彩信息键控；通常选择蓝色)的彩色电视技术。这里，一种类型的信息被另一种类型的信息代替，正如天气预测者图像的情形：蓝色背景被气象图代替。光强遮蔽：

从窗户1进入的直射阳光在桌子3上阳光入射处的路径2内将产生一个光强，其强度比这些路径外的光强高得多。在读出由摄像机产生的图像时，视频线I的视频输出信号4中的相当大的波动(如图2)将恰在这些阳光路径2的边缘被发现。如果这一视频输出信号4超过预定值5，这些位置和光视觉印象也能从信息流动中被键控，从而得到处理过的输出信号6，如图2所示。

为信息量控制目的，这样的技术被使用在例如“闭路电视”中。以这种方式，可以抑制发自例如头灯的过辐射。在黑暗中会显示非常明亮的光。在所述的应用领域中，该技术称为“峰值白色反转”。因而，容易理解在由图像上可见的穿极白衬衣的人引起的光感干扰也可消除。

把上述的技术组合能在正常工作场所给出优势光值(prevailing light value)的相当好的视觉印象，因为最具干扰性的因素已经去除。

图3图解地示出如何能实现这一点。窗户1的冻结图像的比较器输出7以及“活”图像的比较器输出7’共同通过一个OR电路，且该输出用于键控来自由摄像机产生的“活”图像信号4的极其明亮的光。如果积分器13、14的复位11、12在图像开始时发生，那么图像的总光值(不包括明亮的光)将在图像持续时间末存在于积分器14上，并且不应在其上发生求平均值的图像持续时间存在于积分器13上。平均光值(不包括明亮的光)因而为：E_average＝(E_total)/(图像持续时间-T_min)。

但是在整个办公室内日光的贡献是不均匀的。在照明技术中，这一现象被称为日光因数。这一因数描述了特定的日光衰减曲线。靠近窗户1，日光贡献较大，随距窗户1的距离增大日光贡献减小。这是一条非线性曲线。这一日光因数也依赖于季节。通过把传感器的图像分成，例如，两个域，即一个靠近窗户1，一个比较远离窗户1，此外，该域必须与来自两个单独的照明器排的单独的照明基本相一致，从而有可能轻微地补偿这一日光梯度。因此，摄像机可同时驱动不同的控制电路。换句话说，多个传统的传感器可由一个摄像机代替，而且，它表现更优良。色彩识别：

使用彩色CCD摄像机，通过使用色彩含量也能作出某些判定。发自彩色CCD的信息，原则上，包括三个图像：一个红色的图像，一个绿色的图像，一个蓝色的图像。通过把这三个成分加在一起，对每个成分使用某一个权重因子，就得到一个显示亮度(黑-白)的图像。因而，该图像受上述过程支配。

但是，直接进入房间的阳光具有的红色的成分比其它颜色的高得多。所以，通过把这一红色成分与另一信息规模恰当地相比较，原则上，直射阳光的斑点也能被识别，因此可以进行一个与就“光强遮蔽”所述的相似的操作。控制色温：

彩色CCD也可使判断光的优势色温成为可能。因而这一信息也能用于建立一个结合照明器的控制电路，借此，光的该色温可被调整以控制光色温。这个的应用实例是：在调光(dimming)期间保持色温恒定，或有意对雇员的喜欢的设置进行控制，或为了刺激更高的生产效率以模拟日光周期，等。

为检测办公室空间一个人或多个人的存在(为了根据这一信息打开或关闭光)，迄今，一直使用无源红外检测器、超声检测器或普通声音检测器或雷达检测。这些检测方法通常用于保安系统或自动开门器。事实上，检测技术都基于改变物理量，即基于移动的物体，在前面情况中该物体一定放射热量，而在后面情况中，该物体一定显示电磁场的吸收(50到100升水)。对于这一应用，用于自动接通和切断光的检测器通常被最优化(被安放在天花板上；恰当的灵敏度用以检测到在落座位置上只移动他们的手的人)。

在当前使用的光开关系统和光控制系统中，人工照明应仅在有人在房间时才打开且同时人工照明的量应在日光进入房间时是可控制的，有必要使用传感器(存在传感器和光传感器)的组合。利用CCD摄像机的存在检测：

为安全原因而使用视频摄像机是普遍公知的。但这一视频信息也能用于自动生成警报的事实却少为人知，虽然过去它经常被用于保卫，例如，停放在平台上的无人航空器。这种情况中所用的技术是：形成一个包围要保卫的物体的画面。将该画面的位置处先前的图像(或先前的多个图像)的视频内容与新图像作比较。这些图像间明显的差异表明有某物或某人正试图穿透这一画面，其结果是警报生成。这样的技术也能用于接通照明。

一个实例在图4中示出。多个工作场所15在安放于天花板的CCD范围内。形成包围独立的可开关的照明组的画面16。如果一个人17进入这个画面，视频内容将在人17进入该画面的位置发生变化。在这一变化的位置上划出一条轮廓线18。如果人17完全进入画面16内，会有一个围住某一表面区域的闭合轮廓线18。如果这一表面区域足够大，可假定这一表面区域代表一个人。照明将接通。只要这一轮廓线18(或多个轮廓线18)位于这一画面16内，即使其中的人17在他的桌子后面睡着了，照明也保持打开。在这一示例中，照明在图像C接通，在图像G切断。利用摄像机图像的其它广为人知的物体识别法当然也能使用。

显然，这一类型的图像处理要求一定量的光，因为没有光就没有图像。为了能在漆黑中产生图像，可使用红外发射二极管(LED)或其它的红外光源。这是一种应用于保安摄像机的广为人知的技术，其中IR LED的全部阵列有时安排于摄像机透镜周围。这些光源不必连续发光，每个图像扫描闪光一次就足够了。显而易见，在这些情况中，摄像机必须对近红外光(850或950纳米)敏感。

如果有的话，这样的IR-LED也用于其它任务，例如红外遥控代码的发射或其他数据业务。对于遥控通常可使用不同的技术。用于电视接收器的遥控刚刚起步时，使用的是超声信号。如今，用于电视接收器的大部分遥控设备基于的是红外光。射频遥控的已有技术只是刚刚可用，因为关于使用这些射频的国际立法近来刚被修改。两个技术都要求使用相当复杂的和大量的代码，因为需要把这些遥控同时用于同一房间中不同的应用中。例如用于电视机、录像机、投影机、音响、遮阳蓬，并且也可用于照明。对于射频应用，这一空间是是非常大的，因为这一辐射也能穿过墙壁。范围从50到100米变化。

在所用的红外协议(飞利浦标准，RC-5)中，不同的代码块被分配到所有这些不同的应用中，并且，在由飞利浦照明控制器使用的块中，定义了子块以能够单独地操纵大房间中不同的照明组。因而，数字讯息包括指示该讯息用于哪个系统的信息以及指示应该任何做的信息。目前，为操纵办公室内的照明，使用了分成具有每组15个独立命令的8个子组。利用CCD摄像机的遥控：

视频摄像机的扫描频率通常与输电干线频率有关，以防止光源(灯)强度变化的干扰。对于欧洲，这表明每帧20毫秒或每个图像40毫秒。所以，可由CCD实现的信号采样率非常低，同时，由于人类工程学的原因，必须有可能在250毫秒内解释一条讯息。因而可以得出，现今的RC-5协议不能用标准的CCD摄像机处理。RC-5协议对于摄像机有太多的“开销”，因为摄像机能给发射器(或发射器的发射方向)定位。从这一点，命令含义的基本部分可能已经被推断出。

一个安放在门附近的发射器只能，在原则上，发射两条命令，即：“光通”和“光断”。“光通”的命令表明在一些情况下定向照明不得不被打开(以便人能找到通往工作场所的路)，而在另外一些情况下它表明所有的照明都必须打开(例如用于清洁维护)，这个事实利用其他信息如时钟信息由系统来确定。在摄像机图像中，因而将有可能限定一个区域(在门附近)，以便有一种以某种方式调制的光现象在所述区域被观察时能具有这些含义。

如果希望给这一发射器也赋予室温功能时，于是只需要加两条命令，即“热通”和“热断”。所以，总共只有4条命令。

对于可用在工作场所的移动发射器，通常希望有更多的可能性，例如：“光况1”；“光况2”；“光况3”和“光断”。也可以加上遮阳篷功能：“上”；“停”；和“下”，全部的命令数是7。

如果摄像机看到在包括工作场所的画面内的一特定的光调制，如已经在图4中指示的，那么这一命令对这一工作场所执行。发生于画面外的这样的信号没有意义，所以不被执行。

从上述可推出，必需的讯息的数量实际非常有限。简单的5中选3的代码已经能传达十条讯息：

5！/(3！*(5-3)！)＝10。

因而，如果讯息涉及一个七个采样的画面，其中第一个必须总是“1”，随后的五个采样段，只有其中的三个可包含“1”，并且第七个采样总是“0”，然后一条讯息在七个采样内传达。这最大需要280毫秒。

以上所述，给CCD摄像机提供IR-LED会是有价值的。如果遥控发射器也提供有IR接收器，那么这些发射器也能例如被摄像机同步化或它们可被赋予不同的功能，或改变设置(例如温度发射器)，或询问发射器(这种情况下发射器的输出只能是“是”或“不是”)。这将产生更多实际的可能性。

Claims (10)

1.一种照明控制设备，其包括一个能测量房间中电磁辐射的传感器和能响应测量的辐射值来控制房间中照明的控制装置，其特征在于所述传感器包括一个能摄取房间的电子图像的视频传感器。

2.如权利要求1的照明控制设备，其特征在于所述视频传感器包括一个CCD(电荷耦合器件)。

3.如权利要求1或2的照明控制设备，其特征在于所述传感器和控制装置能响应测量的可见光和红外辐射两者的辐射值来恰当地控制照明。

4.如权利要求1、2或3的照明控制设备，其特征在于控制装置能响应图像预定部分中可见光的辐射值来控制照明。

5.如前述任何一个权利要求的照明控制设备，其特征在于控制装置能响应图像的色温值来控制照明。

6.如前述任何一个权利要求的照明控制设备，其特征在于控制装置能响应图像值之间的对比度来控制照明。

7.如前述任何一个权利要求的照明控制设备，其特征在于控制装置包括运动检测装置。

8.如前述任何一个权利要求的照明控制设备，其特征在于控制装置包括物体识别装置。

9.如前述任何一个权利要求的照明控制设备，其特征在于控制装置能对遥控发射的信号作出反应。

10.一种控制房间内照明的方法，其中房间内电磁辐射用传感器来测量，房间内的照明利用控制装置并响应测量的辐射值来得以控制，其特征在于电磁辐射由产生房间的电子图像的CCD(电荷耦合器件)传感器来测量。

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