本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域及智能led燈具領(lǐng)域，尤其涉及攝像頭與led燈融合的亮度標(biāo)定與測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

hsv(hue,saturation,value)是根據(jù)顏色的直觀特性由a.r.smith在1978年創(chuàng)建的一種顏色空間,也稱六角錐體模型(hexconemodel)。這個(gè)模型中顏色的參數(shù)分別是：色調(diào)(h)，飽和度(s)，明度(v)。

色調(diào)h：用角度度量，取值范圍為0°～360°，從紅色開(kāi)始按逆時(shí)針?lè)较蛴?jì)算，紅色為0°，綠色為120°,藍(lán)色為240°。它們的補(bǔ)色是：黃色為60°，青色為180°,品紅為300°；

飽和度s：飽和度s表示顏色接近光譜色的程度。一種顏色，可以看成是某種光譜色與白色混合的結(jié)果。其中光譜色所占的比例愈大，顏色接近光譜色的程度就愈高，顏色的飽和度也就愈高。飽和度高，顏色則深而艷。光譜色的白光成分為0，飽和度達(dá)到最高。通常取值范圍為0％～100％，值越大，顏色越飽和。

明度v：明度表示顏色明亮的程度，對(duì)于光源色，明度值與發(fā)光體的光亮度有關(guān)；對(duì)于物體色，此值和物體的透射比或反射比有關(guān)。通常取值范圍為0％(黑)到100％(白)。

rgb和cmy顏色模型都是面向硬件的，而hsv(huesaturationvalue)顏色模型是面向用戶的。

hsv模型的三維表示從rgb立方體演化而來(lái)。設(shè)想從rgb沿立方體對(duì)角線的白色頂點(diǎn)向黑色頂點(diǎn)觀察，就可以看到立方體的六邊形外形。六邊形邊界表示色彩，水平軸表示純度，明度沿垂直軸測(cè)量。

modbus是由modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌)在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。modbus網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過(guò)公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過(guò)程監(jiān)控。modbus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個(gè)系統(tǒng)，各pc可以和中心主機(jī)交換信息而不影響各pc執(zhí)行本身的控制任務(wù)。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的對(duì)亮度進(jìn)行測(cè)量的方法主要是使用照度計(jì)，其原理是硒光電池的光電效應(yīng)。光電池是把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電元件。當(dāng)光線射到硒光電池表面時(shí)，入射光透過(guò)金屬薄膜到達(dá)半導(dǎo)體硒層和金屬薄膜的分界面上，在界面上產(chǎn)生光電效應(yīng)。產(chǎn)生的光生電流的大小與光電池受光表面上的照度有一定的比例關(guān)系。這時(shí)如果接上外電路，就會(huì)有電流通過(guò)，電流值從以勒克斯(lx)為刻度的微安表上指示出來(lái)。光電流的大小取決于入射光的強(qiáng)弱。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度準(zhǔn)確，以照度的國(guó)際單位勒克斯表示，使用范圍廣泛；且反應(yīng)迅速靈敏，能滿足大多對(duì)響應(yīng)速度有要求的應(yīng)用；光照測(cè)量范圍廣泛，一般為1lux～50,000lux，甚至更高。

但是，該方案也存在一定的不足，包括：

1.硒光電池對(duì)溫度敏感，其測(cè)量值的溫度特性是±0.1％/℃，能保證精確的操作溫濕度為0℃～40℃(32℉～104℉)0～70％rh。

2.對(duì)于類似本發(fā)明的有攝像頭傳感器的應(yīng)用，傳統(tǒng)方案測(cè)量照度需要增加額外的設(shè)備——照度計(jì)，會(huì)增加額外的成本，還需要協(xié)調(diào)攝像頭和照度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間匹配。

3.照度計(jì)無(wú)法對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行分割，其測(cè)量的值是整個(gè)可視范圍的平均亮度，沒(méi)有辦法精確到某個(gè)特定區(qū)域的照度。如果需要測(cè)量多個(gè)位置的照度，需要為每一個(gè)區(qū)域配置一個(gè)照度計(jì)，十分復(fù)雜麻煩。

4.對(duì)于本發(fā)明的應(yīng)用范圍而言，對(duì)亮度的測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高，只需要對(duì)亮度進(jìn)行標(biāo)定，使測(cè)量結(jié)果基于一致的基準(zhǔn)值即可，無(wú)需額外使用照度計(jì)，可把亮度標(biāo)定和測(cè)量功能集成到攝像頭傳感器上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種攝像頭與led燈融合的亮度標(biāo)定與測(cè)量方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種攝像頭與led燈融合的亮度標(biāo)定與測(cè)量方法，其融合利用攝像頭設(shè)備與led燈具及燈具燈控制器，利用攝像頭作為檢測(cè)設(shè)備，計(jì)算機(jī)作為中控與處理設(shè)備，燈具控制器是連接計(jì)算機(jī)和led燈具的通訊橋梁；通過(guò)燈具控制器調(diào)節(jié)led燈到最低和最高亮度，在兩種情況下分別用固定的攝像頭拍攝場(chǎng)景俯視圖，計(jì)算指定區(qū)域在兩種情況下的平均v值即hsv色彩空間中表示明暗的值v；將攝像頭實(shí)時(shí)獲取的圖像中對(duì)應(yīng)的區(qū)域代入公式，利用標(biāo)定方法得到的參數(shù)計(jì)算該區(qū)域的亮度。

進(jìn)一步地，所述攝像頭及l(fā)ed燈在場(chǎng)景中的位置是固定不變的，攝像頭位于場(chǎng)景正上方，攝像頭拍攝的是場(chǎng)景的俯視圖。

進(jìn)一步地，攝像頭實(shí)時(shí)采集到的彩色圖像數(shù)據(jù)映射到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；計(jì)算機(jī)對(duì)彩色圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成控制編碼；控制編碼發(fā)送到燈具控制器中進(jìn)行譯碼；燈具控制器根據(jù)指令控制燈具；燈具控制器將控制結(jié)果返回給計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步地，計(jì)算機(jī)與燈具控制器之間的通訊協(xié)議基于modbus協(xié)議制定，燈具控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式為標(biāo)準(zhǔn)的modbus網(wǎng)絡(luò)通信中的ascii或rtu模式。

進(jìn)一步地，亮度標(biāo)定過(guò)程中，除led燈具作為光源外，場(chǎng)景要保持黑暗狀態(tài)，led燈的亮度為標(biāo)定過(guò)程的唯一變量，不允許其他環(huán)境光線的存在。

進(jìn)一步地，led燈的電壓電流由支持燈具控制器所使用協(xié)議的電子鎮(zhèn)流器控制。

進(jìn)一步地，亮度標(biāo)定過(guò)程中，通過(guò)燈具控制器調(diào)節(jié)led燈到最低亮度，用攝像頭連續(xù)拍攝多張照片，然后對(duì)多張照片求平均值，合成一張照片p1；所述合成的照片p1從rgb色彩空間轉(zhuǎn)換到hsv色彩空間，記為h1；所述hsv色彩空間的照片h1劃分為n個(gè)區(qū)域，n≥1，對(duì)每個(gè)區(qū)域的v值求平均值a[x]，作為為該區(qū)域的圖像最低亮度，x∈[1,n]。

進(jìn)一步地，通過(guò)燈具控制器調(diào)節(jié)led燈到最高亮度，用攝像頭連續(xù)拍攝多張照片，然后對(duì)多張照片求平均值，合成一張照片p2；所述合成的照片p2從rgb色彩空間轉(zhuǎn)換到hsv色彩空間，記為h2；所述hsv色彩空間的照片h2劃分為n個(gè)區(qū)域，n≥1，對(duì)每個(gè)區(qū)域的v值求平均值b[x]，作為為該區(qū)域的圖像最高亮度，x∈[1,n]。

進(jìn)一步地，攝像頭實(shí)時(shí)拍攝照片i,將照片從rgb色彩空間轉(zhuǎn)換到hsv色彩空間；對(duì)指定區(qū)域的v值求平均，得到平均v值c[x]；代入下列計(jì)算獲得指定區(qū)域環(huán)境亮度x：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：本發(fā)明不同于基于光電效應(yīng)的光電池照度計(jì)和光敏電阻傳感器的亮度測(cè)量方法，利用不同強(qiáng)度光線照射在相同物體上反射的顏色深淺明暗不一樣的特性，使用攝像頭拍攝彩色圖片進(jìn)行亮度的標(biāo)定和測(cè)量。同時(shí)，本發(fā)明具有較強(qiáng)的適用性，只需要一般智能燈具備的攝像頭和燈具控制器即可完成亮度的標(biāo)定和測(cè)量，無(wú)需額外的設(shè)備。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)例中的攝像頭與led燈融合的亮度標(biāo)定與測(cè)量系統(tǒng)基本物理結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)例中的技術(shù)方案流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)例所使用的modbus協(xié)議穿行鏈路pdu幀格式示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)例的攝像頭與led燈融合的亮度標(biāo)定和測(cè)量抽象設(shè)備工作流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。

圖1為攝像頭與led燈融合的亮度標(biāo)定與測(cè)量系統(tǒng)基本物理結(jié)構(gòu)示意圖。其中，計(jì)算機(jī)通過(guò)v4l2api接口或調(diào)用opencv的庫(kù)函數(shù)對(duì)攝像頭進(jìn)行管理，包括對(duì)攝像頭設(shè)備的打開(kāi)，初始化，捕獲數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)，釋放資源。

計(jì)算機(jī)與led燈具之間通過(guò)燈具控制器作為橋梁進(jìn)行簡(jiǎn)介的數(shù)據(jù)交互，根據(jù)modbus協(xié)議制定的規(guī)范抽象出一套led燈操作接口，包括打開(kāi)燈具、關(guān)閉燈具、提高1級(jí)亮度、降低一級(jí)亮度、設(shè)置燈具到某一級(jí)別亮度。接口使用的指令格式如圖3。

其中地址域表明要控制的led燈在燈具控制器上注冊(cè)的地址；

功能碼表示操作類型；

數(shù)據(jù)段是操作的參數(shù)，如亮度級(jí)別等；

crc為校驗(yàn)碼，校驗(yàn)正確，執(zhí)行命令，校驗(yàn)錯(cuò)誤則要求對(duì)方重發(fā)或者等待超時(shí)重發(fā)。

led燈具的電子鎮(zhèn)流器需要符合燈具控制器的標(biāo)準(zhǔn)，如dali或dmx512控制協(xié)議。

圖2為本發(fā)明的技術(shù)方案流程圖，下述的技術(shù)方案為對(duì)圖2步驟的詳細(xì)說(shuō)明。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)圖1的一套系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)亮度標(biāo)定和測(cè)量?jī)蓚€(gè)功能，攝像頭作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，將實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)再發(fā)送數(shù)據(jù)包給燈具控制器，燈具控制器解析數(shù)據(jù)包，控制led燈具。

其中，攝像頭需要始終固定在場(chǎng)景上方的固定位置，俯拍場(chǎng)景，攝像頭可視范圍為系統(tǒng)的檢測(cè)范圍。

計(jì)算機(jī)需要具有opencv環(huán)境，通過(guò)有線或無(wú)線的方式與攝像頭、燈具控制器連接。

燈具控制器作為計(jì)算機(jī)和led燈的溝通橋梁，接受并根據(jù)控制協(xié)議解析計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令，控制led燈，檢測(cè)led燈的狀態(tài)并返回給計(jì)算機(jī)。

圖4為攝像頭與led燈融合的亮度標(biāo)定抽象設(shè)備工作流程圖。計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)運(yùn)行整個(gè)程序，攝像頭設(shè)備和燈具控制器被計(jì)算機(jī)調(diào)用。圖4主要解決計(jì)算機(jī)如何控制攝像頭和燈具控制器來(lái)確定最低亮度和最高亮度值，完成亮度的標(biāo)定工作。

模塊4.1攝像頭。計(jì)算機(jī)連接攝像頭，通過(guò)v4l2api/opencv來(lái)調(diào)用攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，主要包括攝像頭的初始化，打開(kāi)攝像頭，攝像頭捕捉到的幀數(shù)據(jù)映射到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，關(guān)閉攝像頭。這些接口是對(duì)攝像頭硬件(寄存器)的直接訪問(wèn)，通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到攝像頭，攝像頭根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的值設(shè)置寄存器，返回設(shè)置結(jié)果給計(jì)算機(jī)，或?qū)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要求的寄存器中的相應(yīng)值填充到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，然后返回該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給計(jì)算機(jī)。

模塊4.2計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)分別與攝像頭，燈具控制器連接，計(jì)算機(jī)運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)環(huán)境，需要配置有opencv環(huán)境，提供所需的圖像視覺(jué)處理庫(kù)；需要具備usb硬件接口，連接攝像頭；需要具備rs232/rs484串口，連接燈具控制器。

步驟4.2.1初始化設(shè)備。根據(jù)v4l2api接口標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)攝像頭進(jìn)行初始化，包括查詢?cè)O(shè)備能力，設(shè)置攝像頭的參數(shù)，如格式、幀率、分辨率，申請(qǐng)緩存空間。

步驟4.2.2打開(kāi)設(shè)備。打開(kāi)設(shè)備文件，以及開(kāi)始攝像頭工作，將緩沖隊(duì)列中的幀存放采集到的數(shù)據(jù)。

步驟4.2.3幀數(shù)據(jù)映射。將已經(jīng)存放了數(shù)據(jù)的幀從隊(duì)列中取出，然后映射到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，然后計(jì)算機(jī)才讀取到攝像頭拍攝的圖像數(shù)據(jù)。

步驟4.2.4關(guān)閉設(shè)備。釋放申請(qǐng)的內(nèi)存資源，關(guān)閉攝像頭設(shè)備文件。

模塊4.3燈具控制器。計(jì)算機(jī)通過(guò)modbus的協(xié)議來(lái)與燈具控制器交互，主要包括開(kāi)燈，關(guān)燈，提高一級(jí)亮度，降低一級(jí)亮度，設(shè)置某級(jí)亮度。計(jì)算機(jī)控制led燈是間接訪問(wèn)，通過(guò)發(fā)送命令給燈具控制器，有燈具控制器解析命令并執(zhí)行，然后返回結(jié)果給計(jì)算機(jī)。

步驟4.3.1&4.3.2開(kāi)燈，關(guān)燈。計(jì)算機(jī)發(fā)起led燈的間接調(diào)用。計(jì)算機(jī)發(fā)送modbus幀給燈具控制器，地址段填充燈具控制器中所要控制燈的地址，該地址在led燈接入燈具控制器時(shí)動(dòng)態(tài)分配。功能碼制定操作類型，包括關(guān)燈、開(kāi)燈、提高一級(jí)亮度、降低一級(jí)亮度、設(shè)置某級(jí)亮度，是二進(jìn)制編碼。數(shù)據(jù)段是在此步驟中全0代表沒(méi)有數(shù)據(jù)。燈具控制器就收到命令后，會(huì)查詢led燈的當(dāng)前狀態(tài)，如果可以執(zhí)行命令，將給led燈具上電或者復(fù)位，然后返回結(jié)果給計(jì)算機(jī)。

步驟4.3.3&4.3.4提高一級(jí)亮度，降低一級(jí)亮度。燈具控制器在接收到命令后，會(huì)查詢led燈的當(dāng)前亮度，如果已經(jīng)是最低或最高亮度，則不能調(diào)低或調(diào)高亮度，返回失敗結(jié)果給計(jì)算機(jī)。否則，執(zhí)行命令，返回led當(dāng)前亮度等級(jí)和成功結(jié)果給計(jì)算機(jī)。

步驟4.3.5設(shè)置某級(jí)亮度。燈具控制器在接收到命令后，會(huì)查詢led燈的當(dāng)前亮度，如果與設(shè)置的值相等，則返回設(shè)置失敗結(jié)果給計(jì)算機(jī)。否則，執(zhí)行命令，將控制器中的亮度寄存器值修改為命令中的級(jí)別，返回成功結(jié)果和led燈級(jí)別給計(jì)算機(jī)。

完成上述硬件和軟件的實(shí)施后，就可以按照技術(shù)方案的方法，調(diào)用相應(yīng)的接口完成所發(fā)明的方法的每一步操作和數(shù)據(jù)獲取。具體來(lái)說(shuō)，就是：

步驟1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)行初始化，即步驟4.2.1。

步驟2計(jì)算機(jī)向燈具控制器發(fā)送“調(diào)節(jié)到最低亮度”的指令，燈具控制器執(zhí)行該指令，獲取執(zhí)行后的led燈狀態(tài)，并返回執(zhí)行結(jié)果給計(jì)算機(jī)。即步驟4.3.5，其中參數(shù)為最高亮度級(jí)別的數(shù)值。在測(cè)試的系統(tǒng)中為二進(jìn)制的40。

步驟3攝像頭連續(xù)拍下多張照片，將他們合成為一張照片，方法是逐一對(duì)相同位置的像素點(diǎn)求平均值。

步驟4將合成的照片由rgb色彩空間轉(zhuǎn)化為hsv色彩空間，方法為使用opencv的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

步驟5對(duì)轉(zhuǎn)換后的照片根據(jù)一定的規(guī)則劃分區(qū)域，如四等分、六等分、九等分等。然后分別求區(qū)域的所有像素的v值的平均數(shù)作為該區(qū)域的絕對(duì)最低亮度a。

步驟6計(jì)算機(jī)向燈具控制器發(fā)送“調(diào)節(jié)到最高亮度”的指令，燈具控制器執(zhí)行該指令，獲取執(zhí)行后的led燈狀態(tài)，并返回執(zhí)行結(jié)果給計(jì)算機(jī)。即步驟4.3.5，其中參數(shù)為最高亮度級(jí)別的數(shù)值。在測(cè)試的系統(tǒng)中為二進(jìn)制的255。重復(fù)步驟2-5得到對(duì)應(yīng)區(qū)域的絕對(duì)最高亮度b。得到a和b后，亮度標(biāo)定完成。

在亮度測(cè)量方法中，需要使用亮度標(biāo)定方法得到的參數(shù)a和b，然后系統(tǒng)測(cè)量步驟如下：

步驟1攝像頭實(shí)時(shí)拍攝圖片，映射到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。

步驟2計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)圖片由rgb色彩空間轉(zhuǎn)換為hsv色彩空間。

步驟3將對(duì)應(yīng)區(qū)域中的每一個(gè)像素點(diǎn)的v值求平均數(shù)，結(jié)果為該區(qū)域的絕對(duì)亮度c。

步驟4將絕對(duì)亮度c帶入公式中計(jì)算該區(qū)域的相對(duì)亮度x