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照明系统的智能亮度控制基于成像传感器反馈
刘浩 钱祥祥，*，金阳，汀江，刘志珍和李力
1北京航空航天大学生物科学与工程学院，北京100191;
imkyran@hotmail.com
2中国宇航员研究与培训中心，北京100094; yangj_acc@sina.com（J.Y.）;
jiangt_acc@sina.com（T.J.）; liuzz_acc@sina.com（Z.L.）; lijie_nudt@126.com（J.L.）
*通讯：zqxg@buaa.edu.cn; 电话： 86-10-8233-8696
学术编辑：Vittorio M. N. Passaro
收到：2017年1月7日 接受：2017年2月3日 发布时间：2017年2月9日
摘要：基于成像传感器的智能发光二极管（LED）照明系统建议使用。与传统的智能照明系统相比，如感光基于电阻传感器或基于红外传感器的系统,成像传感器可以实现更精细感知环境光;因此可以引导更精确的照明控制。在这之前系统工作，积累了桌面应用程序的第一批典型成像照明数据。第二，定义了一系列主观和客观的照明效果评估指标（LEEM）并对上述这些数据进行了评估。那么这些客观LEEM的集群基准可以得到。第三，基于LEEM的单一控制和基于LEEM的多个控制都是开发实现了一种最佳的亮度调谐。当这个系统工作时，首先捕获它照明图像使用可佩戴的相机。然后计算捕获的目标LEEM并将其与目标LEEM的集群基准进行比较。最后，单身或者基于LEEM的多个控制可以实现以获得一种最优的控制照明效果。许多实验结果表明，所提出的系统可以调节LED灯自动根据环境亮度变化。
关键词：智能照明;亮度控制;视力效应;环境感知;成像传感器
介绍
近年来，智能发光二极管（LED）照明系统得到了广泛的应用在我们的日常生活中，如智能路灯系统[1，2]，智能办公照明装置，甚至远程机器人手臂设备[3]。智能照明系统采用迷你型传感器及其控制电路来感知环境亮度，然后估计照明效果，并实现了LED灯具的精确输出控制[4]。那么最佳的照明视觉效果就可以得到。智能照明系统不仅在夜间使用;它也可以用作一种光补偿工具来解决复杂的环境光源问题或照明不均匀白天分发问题。不正确的照明会降低工作效率[5]影响任务调度，甚至造成一些事故。例如，在我们以前的研究工作中可以
发现当宇航员参与时视觉疲劳和人为错误率可能会增加在一些航空航天飞行任务下，在不当的环境照明下[6]。图1显示不同显示器的照明效果，其中：（a）使用一个光源; （b）和（c）使用两个光源（c）受到眩光。从图1可以看出，不同的照明效果将会严重影响影响显示阅读任务[7]。因此，有必要开发智能照明系统和实现最佳照明效果的方法。
图1.显示屏的不同照明效果：（a）单个光源的显示照明效果;
（b）多个光源的显示照明效果; （c）眩光不正确的显示照明效果
已经做了许多研究工作来提高智能LED的输出性能照明系统。例如，在[8]中，作者开发了一种利用被动红外线的系统传感器根据车辆检测结果控制路灯。在[9]中，作者使用了一个
用于检测人体运动的红外传感器，并且还采用光敏电阻调整照明强度。在[10]中，作者使用超声波阵列传感器来检测室内人们的出现，实现了节能型住宅自适应室内照明系统。显然，传统的传感器，如红外传感器，光敏电阻传感器，或超声波传感器，只有环境感知能力有限。他们的输出也是“粗”用于照明效果分析，因为它们只能获取一维传感器数据或它们只提供一个开关值。因此，要得到一个精心的描述和理解外部环境，其他传感器应考虑。
外部环境，其他传感器应考虑。本研究的目的是使用成像传感器来感知环境亮度改变和实施一种智能照明控制。不失一般性，让我们来吧作为研究对象的室内桌面应用。在这个系统被使用之前，首先是大量的成像积累了桌面应用程序的照明数据。可佩戴的相机可用于收集图片。第二，一系列主观和客观的照明效果评估指标（LEEMs）定义和评估上述这些数据集;然后再对这些目标的集群基准进行评估LEEM可以获得。 LEEM包括：主观和客观表面亮度显示SM SLDD和OM SLDD的程度[11]，主观和客观色差度[12]的显示内容SM CDDDC和OM CDDDC，主观和目标区域对比度[13]的显示内容SM RCDDC和OM RCDDC，主观和客观边缘模糊度[14]显示内容SM EBDDC和OM EBDDC以及显示OM GDD的客观眩光度[15]。第三，开发了基于LEEM的单个控制和多个基于LEEM的控制实现一种最佳的亮度调谐。当该系统工作时，首先捕获照明图像由可穿戴的相机。然后计算捕获的图像数据的目标LEEM并将相应的结果与目标LEEM的集群基准进行比较。
本文的主要贡献包括：首先，开发了照明效果的成像环境感知方法是纸张包括：首先，成像环境的感知方法的照明效果得到发展。 一系列盲图像质量评估指标[16]被用作感知特征; 因此可以定量地描述和控制照明效果。二，设计开发了一种实用的技术应用系统。该本系统考虑了可穿戴式摄像头传感器以及彩色卡和LED灯;该智能硬件产品也被用于实现相应的信息处理功能。在以下部分中，首先提出一个提出系统的大视角.
2.建议照明系统设计
2.1。申请制度
提出了用于桌面应用的智能LED照明系统的原型
图2.该系统仅适用于单个用户。这个原型有很多应用实例，
例如飞行员的密封驾驶舱设计或工人的工业工作台开发等。
在图2中，用户坐在显示器的前方执行读或写任务;一个白光LED
源头固定在用户头顶上方的天花板上; LED照明源之间的距离
用户的头部为0.25米至1.0米。这里使用表面光源。的输出强度
LED灯可以通过其控制器进行自适应调整。这个建议的照明系统可以同时工作
白天和夜间申请。如果它适用于白天应用，则该LED灯可以用作
照明补充装置：可以平衡眼睛操作的不均匀亮度效果
任务。不同的是，如果它用于夜间应用，它可以作为照明提供源。
在本文中，显示器的尺寸大约为200mmtimes;300mm;其亮度输出为
稳定。经过广泛调查的应用要求，这里的“好照明效果”
意味着正常的颜色和适当的环境亮度（包括强度，对比度，
和分配）没有任何眩光。
传感器2017，17，321 3/24
2.建议照明系统设计
2.1。申请制度
提出了用于桌面应用的智能LED照明系统的原型
图2.该系统仅适用于单个用户。这个原型有很多应用实例，
例如飞行员的密封驾驶舱设计或工人的工业工作台开发等。在图2中，用户坐在显示器的前方执行读或写任务;一个白光LED源头固定在用户头顶上方的天花板上; LED照明源之间的距离用户的头部为0.25米至1.0米。这里使用表面光源。的输出强度LED灯可以通过其控制器进行自适应调整。这个提出的照明系统可以工作白天和夜间应用。如果它适用于白天应用，则该LED灯可以是用作照明补充装置：它可以平衡眼睛的不均匀亮度效果操作任务。不同的是，如果它被用于夜间应用，它可以作为照明提供来源。在本文中，显示器的尺寸大约为200mmtimes;300mm;它的亮度输出稳定。经过对应用要求的广泛调查，这里“好照明”.
图2.提出的照明系统的应用原型
2.2。智能LED照明系统设计
图3a显示了智能照明系统的硬件设计。可佩戴的可见光
相机（oraglasscamera）anditsimagingdataprocessingcircuitareutilizedbyauser; astandardcolor卡片贴在显示屏边缘; LED灯固定在使用者附近。当这个系统作品中，相机用于拍摄用户面前的显示图像。数据处理电路[17]实现了LED的图像捕获，图像分析和亮度控制灯。然后LED灯可以实现最佳的照明输出。目前，拍摄的图像可以通过无线网络传输到数据处理电路[18];而连接数据处理电路和LED灯之间的方法是电缆网络。色卡是用于为成像传感器提供颜色评估基准;和基本颜色选择它由典型的桌面操作任务决定。显示器的视觉闪烁应该被删除正确设置显示输出频率。假设显示器的亮度输出是稳定的当执行桌面操作任务时。图3b显示了所提出的系统的工作流程图。系统工作在一个离线处理模式和在线处理模式。实现离线处理时模式，首先建立一个照明效果图像数据集。此数据集遍历了大部分典型的数据成像照明效果的桌面应用。第二，一系列主观评价是根据不同的主观LEEM进行分类，将上述数据集分为几个子类型。例如，评估四个主观LEEM，每个LEEM的分类度为五分;
因此可以获得4times;5个子数据集。第三，为数据集计算目标LEEM并对其集群中心进行了分析。然后是目标LEEM的集群基准并对其集群中心进行分析。
图3.提出的智能LED照明系统的设计：（a）硬件设计
智能照明系统; （b）拟议制度的信息处理流程图。
在实现在线处理模式时，首先要使用成像传感器进行捕获照明效果图像。 然后从提出的应用中消除眩光。 之后计算客观LEEM，并将其计算结果与客观LEEM进行比较集群基准。 最后，最佳照明控制，即单个LEEM或多个基于LEEM的控制，可以用来获得一种最佳的照明效果输出。
3.智能照明系统的关键技术
3.1.主观照明效果评估方法
主观照明效果评估实验的研究目标是积累具有不同评估度的主观LEEM的图像子数据集。 然后这些子数据集可以视为以下LEEM计算的计算基准。要实现该目标，首先建立典型的照明效果图像子数据集; 那么科目是要求实施主观照明效果评估。
3.1.1。典型照明效果图像数据集
建立了典型的照明效果图像数据集。该图像数据集由穿戴式摄像头捕获相机在黑暗的房间。黑暗的房间的墙壁被一些光波吸收材料粘贴从而可以精确地评估和控制照明环境。应用程序
照明系统的原型如图2所示。不失一般性，让我们来看展示以桌面应用程序的读取和监视任务为例。当主体执行时相关任务，LED灯将不断提供不同的照明条件。这里“不同的照明条件”是指LED输出强度的各种设置方向。输出强度可由控制电路调谐。 LED灯的输出方向
也可以改变，因为用户可以移动他或她的工作位置。例如移动PC可以由用户移动。为了保证应用的普及，我们不限制照明强度输出和用户的工作姿势。科目可以改变。
3.1.2.主观照明效果评估实验
主观照明效果评估实验可在收集过程中进行典型照明效果图像数据集的过程。开发实验软件来指导该实验课程并记录主观评价结果。图4显示了两个软件界面照片。在图4中，（a）是主观评价实验软件的初始界面;（b）是主观照明效果评估实验的界面。这个软件是开发的
由张恒博士于2008年在中国宇航员研究训练中心撰写C 和Matlab。该软件的基本功能包括：首先可以记录和播放图像由相机捕获的数据集。二，本软件可选择主观评价指标
并设定评估反应时间。第三，科目可以用它来评分主观LEEM。最大分数为10.主观评价结果可以保存在当地通过文件实验计算机的路径。
图4.主观照明效果评估实验软件的界面照片：（a）
初始软件界面; （b）主观照明效果评估实验的界面。
在进行主观评价实验时，考虑了四个LEEM。 他们包括SM SLDD，SM CDDDC，SM RCDDC和SM EBDDC。 在本文中，每个指标的评估程度是5：1度是最差的评估效果; 而5级意味着最好的评估效果。例如，关于索引SM EBDDC，评价度5表示模糊度显示内容几乎不能被注意到; 不同的是，评价度1意味着模糊度不能忍受。 从图3b可以看出，主观评价实验后，可构建4times;5图像子数据集。 这些数据集可用于实施LEEM在以下处理步骤中进行计算。 眩光在我们提出的申请中是不容忍的。这意味着一旦检测到眩光，系统将通知用户改变他或她的工作姿势消除这种眩光。 因此，本文无需评价主观眩光度。
3.2.客观照明效果评估方法
计算五个客观LEEM来实现照明效果感知。在这些LEEM中，
OM SLDD，OM CDDDC，OM RCDDC和OM EBDDC指标用于计算照明效果;
而使用索引OM GDD来识别眩光。
3.2.1.表面亮度显示
像成像亮度计一样，可见光照相机可用于评估表面
luminancedegreeofdisplayafterluminancecalibration.TheInternationalCommissiononIllumination已经定义了两个比色坐标：1931 CIE-RGB坐标和1931 CIE-XYZ坐标。图像亮度可以通过1931年CIE-XYZ坐标直接获得。在1931年
CIE-XYZ坐标，Y分量代表颜色的亮度;可以估计关系：Y = - 1.7392R 2.7671G - 0.0279B，其中R，G和B是1931年的颜色分量CIE-RGB坐标。然而，商用相机始终具有其自己的RGB频谱响应曲线与上述两个色坐标的标准响应曲线不同。
在本文中，商用相机的色坐标称为成像RGB色坐标。因此，有必要设计一种估计1931年CIE-XYZ之间变换规则的方法坐标和成像RGB色坐标。为了用相机实现亮度测量，设计了一种颜色校准方法。标准的Munsell色卡放置在标准灯附近（其输出功率为500W，光谱范围约350nm〜800nm），并使用相机拍摄该色卡。然后
色卡可以为颜色测量提供颜色基准[19]。表1显示了部分使用1931 CIE-XYZ颜色坐标的彩色卡的颜色分量。这些颜色组件可以通过分光光度计测量或由彩色卡制造商提供直。本实验中使用了超过20
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