專利名稱：利用ccd傳感器控制照明的照明控制設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種照明控制設備，其包括一個能測量房間中電磁輻射的傳感器和能響應測量的輻射值來控制房間中照明的控制裝置。
在這一關系中，“電磁輻射”被用來表示，尤其是，可見光和近紅外光。眾所周知的是，利用安放在天花板并以特定觀察角度監(jiān)視工作場所的包括單光電元件的傳感器來測量和控制辦公室內的光度。該公知的傳感器的缺點在于它測量的是觀察范圍內的積分光強。如果窗戶部分地或全部地位于觀察范圍內，則穿過窗戶到達傳感器的光量(例如來自建筑外停車場的反射)，可成為光傳感器整個輸出信號的主導因素。作為其結果，由于光控制行為而使內部變得過暗。這一可能的干擾在基本程度上取決于天氣狀況和外部亮度。如果直射陽光穿過窗戶進入，相似的干擾可發(fā)生，從而在窗格子玻璃、桌子或甚至是地板上產生極明亮的光斑。這些光斑幾乎總是位于傳感器的觀察范圍內。
除了沒有上述缺點的檢測器之外，還需要有利用遙控來控制的照明。此外，還需要有依賴于人的存在的自動控制的照明。為這一目的，在公知的傳感器中，紅外元件和運動檢測器必須分別靠近光電元件安裝。
本發(fā)明的目的是提供一種有效的、實用的和精確的照明控制設備，其能以低成本實行多個以上功能，并致使公知系統(tǒng)的缺點減少。
為實現(xiàn)這一點，傳感器包括一個視頻傳感器，例如一個CCD(電荷耦合器件)傳感器，其能夠產生房間的電子(視頻)圖像。這樣的傳感器經常用在視頻攝像機中，且因大數(shù)量而能經濟地生產制造。電子圖像能由用以精確調整房間內照明的控制裝置來分析。
優(yōu)選地，響應于測量的可見光和紅外輻射兩者的輻射值，傳感器和控制裝置能恰當?shù)赜糜趤砜刂普彰?。這能使得例如照明也可利用由傳感器引導的紅外遙控來控制。為這一目的，優(yōu)選地，控制裝置能響應由遙控發(fā)射的信號。如果房間內黑暗，設備也能利用紅外檢測來檢測人的存在。為這一目的，例如，一個近紅外光源應存在于視頻傳感器對其敏感的空間。
優(yōu)選地，控制裝置能響應圖像值間的對比來控制照明?？刂蒲b置優(yōu)選地也能響應在圖像的預定部分中可見光的輻射值來控制照明，以便能忽略干擾圖像的部分，如房間內被太陽明亮地照亮的部分。這些部分或自動被確定或手動被編入。
優(yōu)選地，控制裝置能響應圖像的色溫值來控制照明。鑒于此，結合一個能用以改變色溫的照明器，有可能帶來一個恒定的色溫或相反地，照明的不同色溫能依賴于目標而得以調整。
優(yōu)選地，控制裝置包括運動檢測裝置，其在人進入房間時能接通照明。更為優(yōu)選地，控制裝置包括物體識別裝置，其能識別在CCD視頻圖像中的特定物體，以便不動物體(例如不運動的人)也能被觀察到。
另外，本發(fā)明涉及一種控制房間內照明的方法，其中房間內電磁輻射用傳感器來測量，房間內的照明響應測量的輻射值利用控制裝置來控制，并且電磁輻射由產生房間的電子圖像的CCD(電荷耦合器件)傳感器來測量。
參考此后所述的實施方案，本發(fā)明的這些和其它方面將是顯而易見的且將被闡明。
附圖中

圖1示出由CCD傳感器觀察到的視頻圖像；圖2分別示出(A)圖1所示的視頻圖像的視頻線的視頻信號，(B)與視頻信號有關的比較器的輸出，和(C)所得的處理過的視頻信號；圖3示出圖2信號的處理圖；并且圖4A-4H示出一系列視頻圖像以舉例說明在本發(fā)明范圍內的物體識別過程。
圖1示出由提供有透鏡的CCD傳感器觀察到的圖像(CCD傳感器因而也被稱為CCD攝像機)，該CCD傳感器，結合控制裝置，形成部分的照明控制設備且安放于天花板上。照明控制設備連接到位于房間內的不同的照明器上，并且能調整這些照明器用以照亮屋內不同點的強度。其目的是在工作場所實現(xiàn)最佳可能光照度。利用CCD攝像機，通過下述的方法，原則上，這里上面討論的傳感器的缺點都能得以消除。靜態(tài)遮蔽因為攝像機圖像中窗戶1的位置是已知的，則在這些位置上被觀察到的光能從由控制裝置實行的計算算法中排除。這可以手動調整或可以是自動(自學)過程。例如，在辦公室的照明沒有被點亮時，各圖像被收集且圖像可能利用對比度改進技術由被觀察到的高亮度的位置構成。這一圖像被凍結并在后來的階段中被用于數(shù)據(jù)分析過程中以去除窗戶1的干擾位置(位置或立體角和其光視覺印象都在計算中忽略)。這一鍵控技術也用于例如普遍稱為“色度鍵控”(色彩信息鍵控；通常選擇藍色)的彩色電視技術。這里，一種類型的信息被另一種類型的信息代替，正如天氣預測者圖像的情形藍色背景被氣象圖代替。光強遮蔽從窗戶1進入的直射陽光在桌子3上陽光入射處的路徑2內將產生一個光強，其強度比這些路徑外的光強高得多。在讀出由攝像機產生的圖像時，視頻線I的視頻輸出信號4中的相當大的波動(如圖2)將恰在這些陽光路徑2的邊緣被發(fā)現(xiàn)。如果這一視頻輸出信號4超過預定值5，這些位置和光視覺印象也能從信息流動中被鍵控，從而得到處理過的輸出信號6，如圖2所示。
為信息量控制目的，這樣的技術被使用在例如“閉路電視”中。以這種方式，可以抑制發(fā)自例如頭燈的過輻射。在黑暗中會顯示非常明亮的光。在所述的應用領域中，該技術稱為“峰值白色反轉”。因而，容易理解在由圖像上可見的穿極白襯衣的人引起的光感干擾也可消除。
把上述的技術組合能在正常工作場所給出優(yōu)勢光值(prevailing light value)的相當好的視覺印象，因為最具干擾性的因素已經去除。
圖3圖解地示出如何能實現(xiàn)這一點。窗戶1的凍結圖像的比較器輸出7以及“活”圖像的比較器輸出7’共同通過一個OR電路，且該輸出用于鍵控來自由攝像機產生的“活”圖像信號4的極其明亮的光。如果積分器13、14的復位11、12在圖像開始時發(fā)生，那么圖像的總光值(不包括明亮的光)將在圖像持續(xù)時間末存在于積分器14上，并且不應在其上發(fā)生求平均值的圖像持續(xù)時間存在于積分器13上。平均光值(不包括明亮的光)因而為Eaverage＝(Etotal)/(圖像持續(xù)時間-Tmin)。
但是在整個辦公室內日光的貢獻是不均勻的。在照明技術中，這一現(xiàn)象被稱為日光因數(shù)。這一因數(shù)描述了特定的日光衰減曲線。靠近窗戶1，日光貢獻較大，隨距窗戶1的距離增大日光貢獻減小。這是一條非線性曲線。這一日光因數(shù)也依賴于季節(jié)。通過把傳感器的圖像分成，例如，兩個域，即一個靠近窗戶1，一個比較遠離窗戶1，此外，該域必須與來自兩個單獨的照明器排的單獨的照明基本相一致，從而有可能輕微地補償這一日光梯度。因此，攝像機可同時驅動不同的控制電路。換句話說，多個傳統(tǒng)的傳感器可由一個攝像機代替，而且，它表現(xiàn)更優(yōu)良。色彩識別使用彩色CCD攝像機，通過使用色彩含量也能作出某些判定。發(fā)自彩色CCD的信息，原則上，包括三個圖像一個紅色的圖像，一個綠色的圖像，一個藍色的圖像。通過把這三個成分加在一起，對每個成分使用某一個權重因子，就得到一個顯示亮度(黑-白)的圖像。因而，該圖像受上述過程支配。
但是，直接進入房間的陽光具有的紅色的成分比其它顏色的高得多。所以，通過把這一紅色成分與另一信息規(guī)模恰當?shù)叵啾容^，原則上，直射陽光的斑點也能被識別，因此可以進行一個與就“光強遮蔽”所述的相似的操作?？刂粕珳夭噬獵CD也可使判斷光的優(yōu)勢色溫成為可能。因而這一信息也能用于建立一個結合照明器的控制電路，借此，光的該色溫可被調整以控制光色溫。這個的應用實例是在調光(dimming)期間保持色溫恒定，或有意對雇員的喜歡的設置進行控制，或為了刺激更高的生產效率以模擬日光周期，等。
為檢測辦公室空間一個人或多個人的存在(為了根據(jù)這一信息打開或關閉光)，迄今，一直使用無源紅外檢測器、超聲檢測器或普通聲音檢測器或雷達檢測。這些檢測方法通常用于保安系統(tǒng)或自動開門器。事實上，檢測技術都基于改變物理量，即基于移動的物體，在前面情況中該物體一定放射熱量，而在后面情況中，該物體一定顯示電磁場的吸收(50到100升水)。對于這一應用，用于自動接通和切斷光的檢測器通常被最優(yōu)化(被安放在天花板上；恰當?shù)撵`敏度用以檢測到在落座位置上只移動他們的手的人)。
在當前使用的光開關系統(tǒng)和光控制系統(tǒng)中，人工照明應僅在有人在房間時才打開且同時人工照明的量應在日光進入房間時是可控制的，有必要使用傳感器(存在傳感器和光傳感器)的組合。利用CCD攝像機的存在檢測為安全原因而使用視頻攝像機是普遍公知的。但這一視頻信息也能用于自動生成警報的事實卻少為人知，雖然過去它經常被用于保衛(wèi)，例如，停放在平臺上的無人航空器。這種情況中所用的技術是形成一個包圍要保衛(wèi)的物體的畫面。將該畫面的位置處先前的圖像(或先前的多個圖像)的視頻內容與新圖像作比較。這些圖像間明顯的差異表明有某物或某人正試圖穿透這一畫面，其結果是警報生成。這樣的技術也能用于接通照明。
一個實例在圖4中示出。多個工作場所15在安放于天花板的CCD范圍內。形成包圍獨立的可開關的照明組的畫面16。如果一個人17進入這個畫面，視頻內容將在人17進入該畫面的位置發(fā)生變化。在這一變化的位置上劃出一條輪廓線18。如果人17完全進入畫面16內，會有一個圍住某一表面區(qū)域的閉合輪廓線18。如果這一表面區(qū)域足夠大，可假定這一表面區(qū)域代表一個人。照明將接通。只要這一輪廓線18(或多個輪廓線18)位于這一畫面16內，即使其中的人17在他的桌子后面睡著了，照明也保持打開。在這一示例中，照明在圖像C接通，在圖像G切斷。利用攝像機圖像的其它廣為人知的物體識別法當然也能使用。
顯然，這一類型的圖像處理要求一定量的光，因為沒有光就沒有圖像。為了能在漆黑中產生圖像，可使用紅外發(fā)射二極管(LED)或其它的紅外光源。這是一種應用于保安攝像機的廣為人知的技術，其中IR LED的全部陣列有時安排于攝像機透鏡周圍。這些光源不必連續(xù)發(fā)光，每個圖像掃描閃光一次就足夠了。顯而易見，在這些情況中，攝像機必須對近紅外光(850或950納米)敏感。
如果有的話，這樣的IR-LED也用于其它任務，例如紅外遙控代碼的發(fā)射或其他數(shù)據(jù)業(yè)務。對于遙控通?？墒褂貌煌募夹g。用于電視接收器的遙控剛剛起步時，使用的是超聲信號。如今，用于電視接收器的大部分遙控設備基于的是紅外光。射頻遙控的已有技術只是剛剛可用，因為關于使用這些射頻的國際立法近來剛被修改。兩個技術都要求使用相當復雜的和大量的代碼，因為需要把這些遙控同時用于同一房間中不同的應用中。例如用于電視機、錄像機、投影機、音響、遮陽蓬，并且也可用于照明。對于射頻應用，這一空間是是非常大的，因為這一輻射也能穿過墻壁。范圍從50到100米變化。
在所用的紅外協(xié)議(飛利浦標準，RC-5)中，不同的代碼塊被分配到所有這些不同的應用中，并且，在由飛利浦照明控制器使用的塊中，定義了子塊以能夠單獨地操縱大房間中不同的照明組。因而，數(shù)字訊息包括指示該訊息用于哪個系統(tǒng)的信息以及指示應該任何做的信息。目前，為操縱辦公室內的照明，使用了分成具有每組15個獨立命令的8個子組。利用CCD攝像機的遙控視頻攝像機的掃描頻率通常與輸電干線頻率有關，以防止光源(燈)強度變化的干擾。對于歐洲，這表明每幀20毫秒或每個圖像40毫秒。所以，可由CCD實現(xiàn)的信號采樣率非常低，同時，由于人類工程學的原因，必須有可能在250毫秒內解釋一條訊息。因而可以得出，現(xiàn)今的RC-5協(xié)議不能用標準的CCD攝像機處理。RC-5協(xié)議對于攝像機有太多的“開銷”，因為攝像機能給發(fā)射器(或發(fā)射器的發(fā)射方向)定位。從這一點，命令含義的基本部分可能已經被推斷出。
一個安放在門附近的發(fā)射器只能，在原則上，發(fā)射兩條命令，即“光通”和“光斷”?！肮馔ā钡拿畋砻髟谝恍┣闆r下定向照明不得不被打開(以便人能找到通往工作場所的路)，而在另外一些情況下它表明所有的照明都必須打開(例如用于清潔維護)，這個事實利用其他信息如時鐘信息由系統(tǒng)來確定。在攝像機圖像中，因而將有可能限定一個區(qū)域(在門附近)，以便有一種以某種方式調制的光現(xiàn)象在所述區(qū)域被觀察時能具有這些含義。
如果希望給這一發(fā)射器也賦予室溫功能時，于是只需要加兩條命令，即“熱通”和“熱斷”。所以，總共只有4條命令。
對于可用在工作場所的移動發(fā)射器，通常希望有更多的可能性，例如“光況1”；“光況2”；“光況3”和“光斷”。也可以加上遮陽篷功能“上”；“?！?；和“下”，全部的命令數(shù)是7。
如果攝像機看到在包括工作場所的畫面內的一特定的光調制，如已經在圖4中指示的，那么這一命令對這一工作場所執(zhí)行。發(fā)生于畫面外的這樣的信號沒有意義，所以不被執(zhí)行。
從上述可推出，必需的訊息的數(shù)量實際非常有限。簡單的5中選3的代碼已經能傳達十條訊息5！/(3！*(5-3)！)＝10。
因而，如果訊息涉及一個七個采樣的畫面，其中第一個必須總是“1”，隨后的五個采樣段，只有其中的三個可包含“1”，并且第七個采樣總是“0”，然后一條訊息在七個采樣內傳達。這最大需要280毫秒。
以上所述，給CCD攝像機提供IR-LED會是有價值的。如果遙控發(fā)射器也提供有IR接收器，那么這些發(fā)射器也能例如被攝像機同步化或它們可被賦予不同的功能，或改變設置(例如溫度發(fā)射器)，或詢問發(fā)射器(這種情況下發(fā)射器的輸出只能是“是”或“不是”)。這將產生更多實際的可能性。
權利要求
1.一種照明控制設備，其包括一個能測量房間中電磁輻射的傳感器和能響應測量的輻射值來控制房間中照明的控制裝置，其特征在于所述傳感器包括一個能攝取房間的電子圖像的視頻傳感器。
2.如權利要求1的照明控制設備，其特征在于所述視頻傳感器包括一個CCD(電荷耦合器件)。
3.如權利要求1或2的照明控制設備，其特征在于所述傳感器和控制裝置能響應測量的可見光和紅外輻射兩者的輻射值來恰當?shù)乜刂普彰鳌?br> 4.如權利要求1、2或3的照明控制設備，其特征在于控制裝置能響應圖像預定部分中可見光的輻射值來控制照明。
5.如前述任何一個權利要求的照明控制設備，其特征在于控制裝置能響應圖像的色溫值來控制照明。
6.如前述任何一個權利要求的照明控制設備，其特征在于控制裝置能響應圖像值之間的對比度來控制照明。
7.如前述任何一個權利要求的照明控制設備，其特征在于控制裝置包括運動檢測裝置。
8.如前述任何一個權利要求的照明控制設備，其特征在于控制裝置包括物體識別裝置。
9.如前述任何一個權利要求的照明控制設備，其特征在于控制裝置能對遙控發(fā)射的信號作出反應。
10.一種控制房間內照明的方法，其中房間內電磁輻射用傳感器來測量，房間內的照明利用控制裝置并響應測量的輻射值來得以控制，其特征在于電磁輻射由產生房間的電子圖像的CCD(電荷耦合器件)傳感器來測量。
全文摘要
一種照明裝置,其包括一個能測量房間中電磁輻射的優(yōu)選為可見光以及紅外光的傳感器,并包括用于依賴于測量的輻射值來控制房間內照明的控制裝置,傳感器包括一個視頻傳感器,例如一個能產生房間的電子圖像的CCD(電荷耦合器件)傳感器。
文檔編號H05B37/02GK1383700SQ01801765
公開日2002年12月4日 申請日期2001年6月8日 優(yōu)先權日2000年6月23日
發(fā)明者C·J·馬滕斯, N·F·L·邦尼, H·比爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司