TWI536001B - 天光輝度分佈採樣系統以及採樣方法 - Google Patents

Description

天光輝度分佈採樣系統以及採樣方法

本發明是有關於一種天光輝度分佈採樣技術，能夠在晝光下即時拍攝天穹的影像得知天穹的亮度。

在一些技術應用上，是有需求對天穹(sky dome)的影像進行觀測。例如在氣象觀測的應用上，其有需要對天空的雲層長時間監測。然而在晝天時，天空會出現太陽。由於太陽的亮度遠比周圍的亮度大，如果在太陽直射下會造成無法實際觀測到太陽周圍的實際狀況。

傳統技術中有提出幾種對天穹的拍攝技術，例如高動態範圍成像(High Dynamic Range image,HDRi)的取像技術，其將整個天穹的光強度分佈，經過多個不同程度的曝光，而以曝光重疊(exposure bracket)攝影法，在一分鐘內擷取，而再透過後端處理，將影像依145 CIE的天空組片(sky patch)或其他需求切分，讀取每一個組片的晝光強度。

圖1繪示傳統對天穹拍攝影像的基本機制。參閱圖1，例 如在地面上的攝影機100對天穹102拍攝影像。在晝天時，天穹102會存在一個太陽104。圖2繪示根據HDRi的取像技術，天穹的組片結構示意圖。參閱圖2，天穹102可以投影到一平面圓形的影像來表現，因此切分為多個不同寬度的環區，每一個環區再依照需求切分出多個組片106。

傳統的HDRi的技術，一般是無法長期用於有直射太陽光的場合，太陽點光源直射光的強度，往往超過其他背景天光強度的總和，以背景天光強度調曝光時，直射太陽光會將感光元件燒毀。又如果使用濾光器來降低太陽直射光進入感光元件的強度，其他部分的訊號遊會受基頻雜訊的干擾而失實。又濾光器需要用人工插換，耗時費力，抵銷了原有快速取樣的優勢。

本發明提供一種光輝度分佈採樣技術，能夠在晝光下即時拍攝天穹的影像得知天穹的亮度。

本發明提供一種天光輝度分佈採樣系統，包括攝影單元、第一日射強度量測單元及第二日射強度量測單元。攝影單元包括：第一支撐機構；數位攝影機，設置於該第一支撐機構上，具有魚眼鏡頭以拍攝天穹的影像；以及第一遮日元件，設置於該第一支撐機構上，其中該遮日元件的位置對應當時當地的太陽的位置，以對該數位攝影機遮蔽該太陽。第一日射強度量測單元包括：第二支撐機構；第一日射強度計，設置於該第二支撐機構上，對該天穹 量測出第一強度訊號；以及第二遮日元件，設置於該第二支撐機構上，其中該第二遮日元件與該第一遮日元件是相同結構，且第二遮日元件的位置對應當時當地的該太陽的位置，以對該第一日射強度計遮蔽該太陽，其中該第二支撐機構與該第二遮日元件對應該第一支撐機構與該第一遮日元件是分開設置，又或是該第二支撐機構與該第二遮日元件及該第一支撐機構與該第一遮日元件是共用的相同元件。第二日射強度量測單元，包括：第三支撐機構；以及第二日射強度計，設置於該第三支撐機構上，在沒有遮蔽該太陽下對該天穹量測出第二強度訊號；以及處理單元接收該第一日射強度計與該第二日射強度計的該第一強度訊號與該第二強度訊號以及該數位攝影機拍攝的影像，其中將該第二強度訊號的值減去該第一強度訊號的值以得到參考強度值，根據該第一強度訊號的值與該參考強度值校正該天穹的該影像的亮度。

本發明提供一種天光輝度分佈採樣方法，包括：藉由數位攝影機以拍攝天穹的影像，其中利用第一遮日元件，對應當時當地的太陽的位置，以對該數位攝影機遮蔽該太陽；藉由第一日射強度量測單元對該天穹量測出第一強度訊號，其中利用與該第一遮日元件相同結構第二遮日元件，對應當時當地的該太陽的位置，以對該第一日射強度計遮蔽該太陽，其中該第二支撐機構與該第二遮日元件對應該第一支撐機構與該第一遮日元件是分開設置，又或是該第二支撐機構與該第二遮日元件及該第一支撐機構與該第一遮日元件是共用的相同元件；藉由第二日射強度量測單 元，在沒有遮蔽該太陽下對該天穹量測出第二強度訊號；以及藉由處理單元，將該第二強度訊號的值減去該第一強度訊號的值以得到參考強度值，且根據該第一強度訊號的值與該參考強度值校正該天穹的該影像的亮度。

如一實施範例，在天光輝度分佈採樣系統或方法中，該第一遮日元件與該第二遮日元件是遮日環，該遮日環的環面是對應該太陽的軌跡面設置，以對該數位攝影機及該第一日射強度計遮蔽該太陽。

如一實施範例，在天光輝度分佈採樣系統或方法中，根據該參考強度值校正該天穹的該影像的亮度是將調整該影像的總亮度依照該參考強度值校正加入直射陽光的亮度。

如一實施範例，在天光輝度分佈採樣系統或方法中，該第一遮日元件與該第二遮日元件是遮日片，藉由控制機構依照該太陽的軌跡隨時間移動遮蔽的區域。

如一實施範例，在天光輝度分佈採樣系統或方法中，該數位攝影機是高動態成像(HDRi)的攝影機。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧攝影機

102‧‧‧天穹

104‧‧‧太陽

106‧‧‧組片

120‧‧‧攝影單元

122a、122b、122c‧‧‧支撐機構

124‧‧‧數位攝影機

126、126’‧‧‧遮日元件

128‧‧‧日射強度計

130a、130b、130c‧‧‧訊號纜線

140‧‧‧第一日射強度量測單元

160‧‧‧第二日射強度量測單元

200‧‧‧天穹影像

202‧‧‧陰影

S100、S102、S104、S106‧‧‧步驟

圖1繪示傳統對天穹拍攝影像的基本機制。

圖2繪示根據HDRi的取像技術，天穹的組片結構示意圖。

圖3繪示依據本發明一實施例，天光輝度分佈採樣系統的示意圖。

圖4繪示依據本發明一實施例，對應圖3的環境條件示意圖。

圖5繪示依據本發明一實施例，天光輝度分佈採樣系統的遮日元件結構示意圖。

圖6繪示依據本發明一實施例，天光輝度分佈採樣方法的示意圖。

本發明提出天光輝度分佈採樣系統與方法，透過例如遮日環或是遮日片的遮日元件與日射強度計的整體配置，將直射陽光(sun light)與天光(sky light)分開測量。測量過程中，使得在HDRi的機制下，其組件不再需要人工置換，更能達到省時省力的效果。本發明經過實驗的驗證，能不受直射日光的限制，且能達到快的更新頻率，允許於戶外數小時連續操作。

本發明可以即時對天光的偵測，其例如在建築物的採光技術應用上，能即時提供天光的資訊，運用該資訊於晝光利用的自動控制。

以下提供多個實施範例來描述本發明，但是本發明不僅限於所舉得多個實施範例。

圖3繪示依據本發明一實施例，天光輝度分佈採樣系統 的示意圖。參閱圖3(a)，本實施例的天光輝度分佈採樣系統可以包括攝影單元120、第一日射強度量測單元140及第二日射強度量測單元160。攝影單元120的結構例如包括支撐機構122a、數位攝影機124及遮日元件126。數位攝影機124設置於支撐機構122a上，具有魚眼鏡頭以拍攝天穹的影像。拍攝的機制可以是依照HDRi的機制進行取像，但也可以其它傳統或是未來發展的取像方式。數位攝影機124所派設到的天穹影像會傳送給後端的處理單元處理，例如由訊號纜線130a將資料輸出，然而也可以利用無先方式輸出，不限定於特定的方式。後端的處理單元例如是電腦系統或是其他類似的設備。

由於在晝天時的天穹，除非太陽被雲遮住，否則一般會存在有直射陽光，其亮度遠比天光強。為了能處理直射陽光影響對天光拍攝的問題，本發明提出遮日元件126。遮日元件126設置於支撐機構122a上。數位攝影機124與太陽的相對幾何方向是會隨時間改變。遮日元件126的位置對應當時與當地所存在太陽的位置，以對數位攝影機124遮蔽太陽。由於太陽在天穹的移動軌跡是可以取得的資料，且近似一個弧。本實施例的遮日元件126的結構，例如可以採用遮日環的結構。遮日環的環對應太陽的弧軌跡，以對數位攝影機124遮住直射陽光，如此數位攝影機124減少受到直射陽光的影響，可以拍攝到天光。但是由於拍攝時沒有加入直射陽光的強度，雖然可以拍攝到的天穹的細部結構，但是總亮度仍會與實際的天穹有差異。因此拍攝到的影像需要校正。

關於亮度的校正，其需要得知本發明提出使用第一日射強度量測單元140及第二日射強度量測單元160。參閱圖3(b)，第一日射強度量測單元140包括支撐機構122b、日射強度計128及遮日元件126。日射強度計128也是設置於支撐機構122b上，可以對天穹量測出第一強度訊號。然而，在此第一強度訊號的量測時，也同時使用遮日元件126，其設置於支撐機構122b。在圖3(b)的遮日元件126與圖3(a)的遮日元件126是相同結構，且此遮日元件126的位置也是對應當時當地的太陽的位置，以對日射強度計128遮蔽太陽。日射強度計128的訊號例如利用訊號纜線130b輸出給後端處理單元。由於遮日元件126相對於日射強度計128的配置是相同於遮日元件126相對於數位攝影機124的配置是相同，因此日射強度計128是對應數位攝影機124在拍攝時的環境條件。

在本實施例，其中圖3(b)的支撐機構122b與遮日元件126對應圖3(a)的支撐機構122a與遮日元件126是分開設置。然而由於遮日元件126的配置相同，因此於另一實施例的變化，數位攝影機124與日射強度計128可以設置在相同的支撐機構上。也就是，支撐機構122a與在其上的遮日元件126及支撐機構122b與在其上的遮日元件是共用的相同元件。如此，圖3(a)與圖3(b)可以整合為一個單元。

參閱圖3(c)，第二日射強度量測單元160包括支撐機構122c以及日射強度計128。日射強度計128設置於支撐機構122c 上。在圖3(c)的日射強度計128是與3(b)的日射強度計128相同，但是在沒有遮蔽太陽的環境下，對該天穹量測出第二強度訊號。日射強度計128的第二強度訊號也是例如透過訊號纜線130c輸出到後端的處理單元。

後端的處理單元，接收在圖3(b)的(第一個)日射強度計128與在圖3(c)的(第二個)日射強度計128分別輸出的第一強度訊號與該第二強度號，以及接收數位攝影機124拍攝的影像。處理單元例如根據HDRi的方式對影像處理，另外關於亮度校正的部分，會將圖3(c)中的日射強度計128所得到的第二強度訊號的值減去在圖3(b)中的日射強度計128所得到的第一強度訊號的值以得到參考強度值。第一強度訊號代表天穹全部亮度減除了太陽的亮度的物理量。第二強度訊號代表天穹全部亮度的物理量。因此，參考強度值代表示太陽的物理量。由於數位攝影機124拍攝的影像沒有包含直射陽光的效應，因此根據參考強度值來校正天穹的影像的亮度。也就是將影像的亮度加入直射陽光的效應，這才會是較接近實際天光的亮度。

遮日環(或遮日元件)所遮蔽的區域為直射陽光的區域，也就是圖4(a)所示的陰影202區域。其他的天穹部分是屬非直射陽光的區域。校正的機制例如是分別校正。於一實施例，對於非直射陽光所在區域的天光輝度分佈，由攝影單元120根據第一日射強度量測單元140所得之天光輝度分佈趨勢導出而進行校正。而直射陽光所在區域的輝度是根據由第二日射強度量測單元160所 量取的第二強度訊號的值減去由第一日射強度量測單元140所量取的第一強度訊號的值後所得到的參考強度值，針對直射陽光的區域，再根據已校正後非直射陽光所在區域的天光輝度分佈值進行輝度校正。

圖4繪示依據本發明一實施例，對應圖3的環境條件示意圖。參閱圖4(a)，其是對應圖3(a)的數位攝影機124的環境。天穹如虛線所示。在天穹中會有太陽。因此，遮日元件126在本實例是以遮日環為例，其沿著太陽的弧形軌跡將直射陽光遮蔽。如圖4(a)的右圖，所拍攝到的天穹影像200，會有對應遮日元件126的陰影202。參閱圖4(b)，其是對應圖3(b)的日射強度計128的量測環境。太陽也會被遮日元件126遮蔽。參閱圖4(c)，其是對應圖3(c)的日射強度計128對天穹的量測環境，其太陽沒有被遮蔽。

圖5繪示依據本發明一實施例，天光輝度分佈採樣系統的遮日元件結構示意圖。參閱圖5，如前面圖3(a)與圖3(b)的描述，其二者可以整合成一個天穹測量單元。因此，數位攝影機124與日射強度計128可以設置在相同的支撐機構122a或122b上，共用相同的遮日元件126’。於此，遮日元件126’也是在圖3的遮日環的變化。由於太陽僅佔天穹的一區域，因此遮日元件126’是以遮日片的設計。然而太陽會隨時間移動，因此遮日片必需藉由一控制單元136的控制，隨時間沿著太陽軌跡移動。於此，太陽軌跡是可以從天文理論推知又或是直接測量，其不限定於特定的機制。在得知當時的太陽位置，則可以用片狀的遮日元件126’遮蔽 直射陽光，隨時間移動遮蔽區域。

另外遮日片的設計，也可以採用另一種方式。遮日片可以採用電子玻璃材料，其透光率可以被控制，而達到透光或不透光。就結構的方便設置，可以由多個電子玻璃的遮日片組成環狀，而其中對應直射陽光的遮日片，隨時間被控制為不透光。如此也能達到遮日片隨時間移動其遮蔽區域。

本發明也提供一種天光輝度分佈採樣方法。圖6繪示依據本發明一實施例，天光輝度分佈採樣方法的示意圖。參閱圖6，天光輝度分佈採樣方法包括步驟S100，藉由數位攝影機以拍攝天穹的影像，其中利用第一遮日元件，對應當時當地的太陽的位置，以對該數位攝影機遮蔽該太陽。於步驟S102，藉由第一日射強度量測單元對該天穹量測出第一強度訊號，其中利用與該第一遮日元件相同結構第二遮日元件，對應當時當地的該太陽的位置，以對該第一日射強度計遮蔽該太陽。第二支撐機構與第二遮日元件對應該第一支撐機構與該第一遮日元件是分開設置。又或是，該第二支撐機構與該第二遮日元件及該第一支撐機構與該第一遮日元件是共用的相同元件。於步驟S104，藉由第二日射強度量測單元，在沒有遮蔽該太陽下對該天穹量測出第二強度訊號。於步驟S106，藉由處理單元將該第二強度訊號的值減去該第一強度訊號的值以得到參考強度值。其中，針對該數位攝影機所拍攝的該影像根據該第一強度訊號的值進行輝度校正。又針對該天穹被該遮日元件遮蔽的遮蔽區域根據該參考強度值，且根據校正後的該 影像的輝度分佈校正該遮蔽區域的輝度。

本發明透過遮日環與日射強度計的配置，將直射陽光與天光分開測量，測量過程，組件不再需要人工置換可以提高HDRi的效能。另外資料更新頻率也可以提升，例如於戶外也例如允許數小時連續操作。例如，數位攝影機配置全周魚眼鏡頭，當作天穹監視攝影機，可以例如每分鐘一次的速率更新資訊。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

120‧‧‧攝影單元

122a、122b、122c‧‧‧支撐機構

124‧‧‧數位攝影機

126‧‧‧遮日元件

128‧‧‧日射強度計

130a、130b、130c‧‧‧訊號纜線

140‧‧‧第一日射強度量測單元

160‧‧‧第二日射強度量測單元

Claims (10)

1. 一種天光輝度分佈採樣系統，包括：攝影單元，包括：第一支撐機構；數位攝影機，設置於該第一支撐機構上，具有魚眼鏡頭以拍攝天穹的影像；以及第一遮日元件，設置於該第一支撐機構上，其中該遮日元件的位置對應當時當地的太陽的位置，以對該數位攝影機遮蔽該太陽；第一日射強度量測單元，包括：第二支撐機構；第一日射強度計，設置於該第二支撐機構上，對該天穹量測出第一強度訊號；以及第二遮日元件，設置於該第二支撐機構上，其中該第二遮日元件與該第一遮日元件是相同結構，且第二遮日元件的位置對應當時當地的該太陽的位置，以對該第一日射強度計遮蔽該太陽，其中該第二支撐機構與該第二遮日元件對應該第一支撐機構與該第一遮日元件是分開設置，又或是該第二支撐機構與該第二遮日元件及該第一支撐機構與該第一遮日元件是共用的相同元件；第二日射強度量測單元，包括：第三支撐機構；以及第二日射強度計，設置於該第三支撐機構上，在沒有遮 蔽該太陽下對該天穹量測出第二強度訊號；以及一處理單元，接收該第一日射強度計與該第二日射強度計的該第一強度訊號與該第二強度訊號以及該數位攝影機拍攝的影像，其中將該第二強度訊號的值減去該第一強度訊號的值以得到參考強度值，根據該第一強度訊號的值與該參考強度值校正該天穹的該影像的亮度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的天光輝度分佈採樣系統，其中該第一遮日元件與該第二遮日元件是遮日環，該遮日環的環面是對應該太陽的軌跡面設置，以對該數位攝影機及該第一日射強度計遮蔽該太陽。
3. 如申請專利範圍第1項所述的天光輝度分佈採樣系統，其中根據該參考強度值校正該天穹的該影像的亮度是將調整該影像的總亮度依照該參考強度值校正加入直射陽光的亮度。
4. 如申請專利範圍第1項所述的天光輝度分佈採樣系統，其中該第一遮日元件與該第二遮日元件是遮日片，藉由控制機構依照該太陽的軌跡隨時間移動遮蔽區域。
5. 如申請專利範圍第1項所述的天光輝度分佈採樣系統，其中該數位攝影機是高動態成像(HDRi)的攝影機。
6. 一種天光輝度分佈採樣方法，包括：藉由數位攝影機以拍攝天穹的影像，其中利用第一遮日元件，對應當時當地的太陽的位置，以對該數位攝影機遮蔽該太陽；藉由第一日射強度量測單元對該天穹量測出第一強度訊號， 其中利用與該第一遮日元件相同結構第二遮日元件，對應當時當地的該太陽的位置，以對該第一日射強度計遮蔽該太陽，其中該第二支撐機構與該第二遮日元件對應該第一支撐機構與該第一遮日元件是分開設置，又或是該第二支撐機構與該第二遮日元件及該第一支撐機構與該第一遮日元件是共用的相同元件；藉由第二日射強度量測單元，在沒有遮蔽該太陽下對該天穹量測出第二強度訊號；以及藉由處理單元，將該第二強度訊號的值減去該第一強度訊號的值以得到參考強度值，其中針對該數位攝影機所拍攝的該影像根據該第一強度訊號的值進行輝度校正，針對該天穹被該遮日元件遮蔽的遮蔽區域根據該參考強度值，且根據校正後的該影像的輝度分佈校正該遮蔽區域的輝度。
7. 如申請專利範圍第6項所述的天光輝度分佈採樣方法，其中該第一遮日元件與該第二遮日元件是遮日環，該遮日環的環面是對應該太陽的軌跡面設置，以對該數位攝影機及該第一日射強度計遮蔽該太陽。
8. 如申請專利範圍第6項所述的天光輝度分佈採樣方法，其中根據該參考強度值校正該天穹的該影像的亮度是將調整該影像的總亮度依照該參考強度值校正加入直射陽光的亮度。
9. 如申請專利範圍第6項所述的天光輝度分佈採樣方法，其中該第一遮日元件與該第二遮日元件是遮日片，藉由控制機構依照該太陽的軌跡隨時間移動遮蔽區域。
10. 如申請專利範圍第6項所述的天光輝度分佈採樣方法，其中該數位攝影機是高動態成像(HDRi)的攝影機。