張玉杰，陳志磊，春江鋒

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一種基于CMOS圖像傳感器的照度測(cè)量方法

張玉杰，陳志磊，春江鋒

（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

研究了利用CMOS圖像傳感器結(jié)合數(shù)字圖像處理方法獲取環(huán)境工作的照度的可行性。分析了曝光輸出值與曝光時(shí)間及增益的關(guān)系，確定了環(huán)境照度的測(cè)量方法。針對(duì)工程實(shí)際的需要，設(shè)計(jì)了基于CMOS傳感器OV7670的圖像采集與亮度測(cè)量系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)標(biāo)定和參數(shù)辨識(shí)的方法，實(shí)現(xiàn)了照度的快速測(cè)量。結(jié)果表明，該方法能夠快速測(cè)量環(huán)境照度，能夠滿足對(duì)環(huán)境照度測(cè)量精度的要求。

CMOS圖像傳感器；曝光值；照度分布；參數(shù)辨識(shí)；OV7670

0 引言

辦公環(huán)境的工作臺(tái)面照度的均勻分布是保證辦公環(huán)境舒適，提高辦公效率的保證。目前辦公環(huán)境照明自動(dòng)控制系統(tǒng)中照度的檢測(cè)均使用了光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻等傳感器作為檢測(cè)元件。這種測(cè)量方法得到的測(cè)量值實(shí)際上是測(cè)量點(diǎn)的某一區(qū)域范圍的平均值。無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域照度的分布進(jìn)行測(cè)量。數(shù)字圖像傳感器是感光元件，由光電二極管組成感光陣列，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并最終以圖像的形式表示出來(lái)，即圖像中包含了環(huán)境照度信息。因此探索通過(guò)數(shù)字圖像傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境照度測(cè)量。

目前常用的固體可見(jiàn)光圖像傳感器主要有CCD和CMOS兩類，伴隨著半導(dǎo)體集成器件的發(fā)展，CMOS圖像傳感器（CMOS image sensor，CIS）具備低成本、低功耗、高集成度的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)自動(dòng)化、家用電器、汽車電子和安全系統(tǒng)等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

采用CMOS圖像傳感器來(lái)測(cè)量照度分布，通過(guò)圖像采集、數(shù)字圖像處理可以實(shí)現(xiàn)照度的精確檢測(cè)，并且可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境色溫、人員移動(dòng)、人員密度檢測(cè)，這種檢測(cè)方式具有可靠性和靈活性，在照明控制應(yīng)用中，具有推廣價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)將CMOS圖像傳感器應(yīng)用于道路檢測(cè)、隧道照明等場(chǎng)合。

相對(duì)于傳統(tǒng)的照度檢測(cè)方法，基于CIS的照度測(cè)量方法不僅可以測(cè)量某一區(qū)域的環(huán)境照度，而且可方便地得到照度的分布情況，為照明燈光控制提供更多的傳感信息。探索圖像灰度與工作面照度的定量關(guān)系是實(shí)現(xiàn)照度及分布檢測(cè)首先要解決的問(wèn)題。

1 照度測(cè)量原理

照度和亮度是完全不同的兩個(gè)概念，照度是指入射到工作面單位面積的光通量，與光線入射角度、工作面情況等無(wú)關(guān)；亮度則是人眼感覺(jué)到的照明光經(jīng)工作面或目標(biāo)漫反射后進(jìn)入眼睛的那部分光線，與入射光線方向、強(qiáng)度、工作面情況以及觀察角度等都有關(guān)系。當(dāng)工作面的反射特性接近均勻漫反射（即朗伯型反射體）時(shí)，對(duì)非發(fā)光體的亮度測(cè)量與入射光線方向以及觀察角度沒(méi)有關(guān)系。此時(shí)工作面的亮度與外界照明光在工作面的照度具有如下的線性關(guān)系：

＝×(1)

式中：為工作面亮度；為外界光照在工作面產(chǎn)生的照度；為兩個(gè)物理量關(guān)聯(lián)特征量，與工作面的光學(xué)反射與散射特性有關(guān)。對(duì)朗伯型反射體為常量。

CMOS圖像傳感器（CMOS image sensor，CIS）具有以下2種感光特性。第1種感光特性曲線如圖1所示。

圖1 曝光輸出值與曝光時(shí)間的關(guān)系

在圖1中，將亮度增益值固定，當(dāng)調(diào)節(jié)曝光時(shí)間時(shí)，CIS曝光輸出值與曝光時(shí)間基本上是呈正比例關(guān)系。第2個(gè)感光特性曲線如圖2所示。在圖2中，將曝光時(shí)間固定而調(diào)節(jié)亮度增益值，曝光輸出值與亮度增益值呈現(xiàn)為一種簡(jiǎn)單的正比例關(guān)系。

圖2 曝光輸出值與亮度增益值的關(guān)系

圖1和圖2中曲線呈現(xiàn)出的水平直線是由于感光像素已達(dá)到飽和狀態(tài)而呈現(xiàn)滿幅值。由以上對(duì)CIS的感光特性的分析，可以對(duì)CIS的曝光特性建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型。在外界光照不變的情況下，/()是一個(gè)常量值，也就是說(shuō)成像物體的亮度與/()具有唯一的映射關(guān)系?？梢杂煤瘮?shù)形式表示如下：

＝/() (2)

在給定CIS中，光照在某一工作面產(chǎn)生的照度由式(1)、(2)確定。

2 系統(tǒng)標(biāo)定及亮度測(cè)量

2.1 圖像采集單元

圖像采集單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由OV7670圖像傳感器、STM32F103微控制器、SD卡存儲(chǔ)及USB接口等組成。

圖3 圖像采集單元

OV7670為OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器，該傳感器由感光陣列、模擬信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理器、SCCB接口等模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了單芯片成像系統(tǒng)。同時(shí)芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了圖像采集過(guò)程的各種控制功能，包括自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡控制等。用戶也可以根據(jù)需要修改相關(guān)的寄存器配置對(duì)圖像傳感器的各種控制，進(jìn)行圖像的采集和處理。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口對(duì)OV7670寄存器進(jìn)行配置，VSYNC（幀同步）信號(hào)通過(guò)中斷方式通知微控制器讀取圖像。FIFO用于暫存一幀圖像便于微控制器進(jìn)行讀取，使用STM32F103作為微控制器控制OV7670采集圖像，將生成的QVGA圖像寫入SD卡，USB接口用于PC機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行讀取及處理。

2.2 系統(tǒng)標(biāo)定及亮度測(cè)量

在定量測(cè)量之前，必須對(duì)圖像采集及處理系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由光源、圖像采集單元、PC機(jī)及電源組成。系統(tǒng)標(biāo)定的影響因素取決于光源的線性調(diào)節(jié)、光源的均勻性、亮度計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性及CMOS的采集誤差等。為了保證標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須滿足如下標(biāo)定條件：

1）均勻的輻射光源。使用積分球建立一個(gè)均勻的輻射光源，利用光能量在積分球內(nèi)部均勻分布這個(gè)特性，將CMOS攝像頭放置于積分球出口處，光源采用LED光源，采用對(duì)數(shù)調(diào)光，保證亮度線性變化。同時(shí)使用一個(gè)亮度計(jì)對(duì)積分球輸出的光亮度進(jìn)行多次測(cè)量，保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

圖4 系統(tǒng)標(biāo)定示意圖

2）CMOS傳感器工作于線性區(qū)。由CMOS傳感器的感光特性知，圖像采集曝光時(shí)間不足或過(guò)度，使CMOS傳感器工作于非工作區(qū)，導(dǎo)致亮度測(cè)量的誤差加大。為此，通過(guò)微控器控制CMOS圖像傳感器，確保其工作在線性工作區(qū)。根據(jù)OV7670的工作過(guò)程可知，要判斷采集到圖像是否曝光不足或曝光過(guò)度，可以通過(guò)讀取自動(dòng)增益值確定。由于OV7670自動(dòng)增益設(shè)置范圍是1～64，當(dāng)增益為1時(shí)，說(shuō)明此時(shí)曝光過(guò)度或接近曝光過(guò)度；同樣當(dāng)增益為64時(shí)說(shuō)明曝光不足或接近曝光不足。

為了保證CMOS圖像傳感器正常曝光，將曝光時(shí)間和增益靈活配置來(lái)確保亮度測(cè)量范圍。通過(guò)調(diào)整曝光時(shí)間，將增益范圍鎖定在5～45之內(nèi)，并將此作為亮度標(biāo)定的條件。

圖5所示為圖像采集及處理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定流程圖。

圖5 增益控制流程

Fig.5 Gain control process

標(biāo)定過(guò)程如下，改變積分球的亮度，記錄亮度計(jì)不同亮度下的亮度值，同時(shí)通過(guò)CMOS攝像頭采集圖像，并記錄對(duì)應(yīng)的曝光時(shí)間和自動(dòng)增益值。使用MATLAB數(shù)字圖像的處理工具，對(duì)采集的RGB圖像進(jìn)行灰度化、濾波及去邊緣處理，求出整幅圖像的平均灰度值，并計(jì)算灰度歸一化值/()。利用最小二乘法建立測(cè)量亮度與/()之間的擬合曲線，并確定擬合函數(shù)的參數(shù)。圖6為3次多項(xiàng)式擬合曲線。

圖6 亮度標(biāo)定擬合曲線

通過(guò)曲線擬合進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，可以得到亮度的近似三項(xiàng)表達(dá)式如下：

通過(guò)CMOS圖像傳感器對(duì)不同亮度環(huán)境下的圖像進(jìn)行采集，并將采集的參數(shù)、、代入式(3)，并與亮度計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了通過(guò)該公式測(cè)量亮度的可行性。

當(dāng)獲取圖像指定工作面區(qū)域的平均灰度，增益及曝光時(shí)間后，即可測(cè)量當(dāng)前亮度值。

3 照度測(cè)量

在工程應(yīng)用中，攝像頭安裝在較高的位置采集辦公環(huán)境的圖像，并由此實(shí)現(xiàn)環(huán)境亮度分布的測(cè)量，如圖7所示。

圖7 圖像傳感器安裝示意圖

外界光線的照度經(jīng)過(guò)S面形成漫反射，通過(guò)CMOS圖像傳感器采集S面圖像從而獲取工作面的亮度信息。然而，辦公環(huán)境照明一般使用工作臺(tái)面上的照度作為測(cè)量物理量來(lái)衡量的，對(duì)于辦公臺(tái)面，一般滿足或近似滿足漫反射特征。當(dāng)獲得工作面的亮度后，就可以通過(guò)式(1)求得工作面的照度。在式(1)中，反射特征量可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定確定。標(biāo)定方法如下：

1）從采集的圖像中分離出要檢測(cè)的工作臺(tái)面的圖像，并由此圖像計(jì)算出工作臺(tái)面的亮度；

2）使用照度計(jì)測(cè)量當(dāng)前工作臺(tái)面的照度；

3）使用式(1)求出工作臺(tái)面的反射率。

可以通過(guò)多次測(cè)量的方法提高標(biāo)定精度。另外，辦公室內(nèi)如果有多種不同材料的工作面，可以分別對(duì)不同的材料的值進(jìn)行標(biāo)定。

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)辦公工作面進(jìn)行了測(cè)試，如圖8所示，取圖中矩形區(qū)域?yàn)檎斩葴y(cè)量的測(cè)試工作面。

圖8 被測(cè)試工作面

表1是不同照明環(huán)境下的工作面計(jì)算照度值和照度計(jì)測(cè)量結(jié)果。由于系統(tǒng)標(biāo)定及測(cè)量誤差，影響了測(cè)量結(jié)果，對(duì)亮度計(jì)算式進(jìn)行3次擬合也產(chǎn)生了截?cái)嗾`差。比較二者的測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量誤差在4.2%范圍內(nèi)，已經(jīng)能夠滿足對(duì)工作面照度測(cè)量精度的要求。

表1 照度相對(duì)誤差表

注：相對(duì)誤差是以實(shí)測(cè)照度值0為準(zhǔn)計(jì)算得的。

4 結(jié)論

研究了一種基于CMOS圖像傳感器的環(huán)境照度分布測(cè)量方法，通過(guò)分析CMOS圖像傳感器曝光輸出值與曝光時(shí)間及增益的關(guān)系，確定了環(huán)境亮度與圖像灰度、曝光時(shí)間、增益的映射關(guān)系，通過(guò)搭建圖像采集與處理系統(tǒng)并進(jìn)行標(biāo)定及參數(shù)辨識(shí)，確定了亮度計(jì)算函數(shù)式，并通過(guò)對(duì)工作臺(tái)面反射率的標(biāo)定，可以實(shí)現(xiàn)照度的快速測(cè)量。

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A Method of Measuring Illuminance Distribution Based on CMOS Image Sensor

ZHANG Yujie，CHEN Zhilei，CHUN Jiangfeng

(,,’710021,)

The feasibility of using CMOS image sensor combined with digital image processing method to obtain environmental work illuminance is studied. The relationship between the output value， the exposure time and gain exposure is analyzed, and the environment illumination measurement method is determined. For the actual needs of the project, the image acquisition and luminance measurement system based on CMOS sensor OV7670 are designed and the method of system calibration and parameter identification is researched, which can realize fast measurement of intensity of illumination. The results show that the method can fast measure the environment illumination, and meet the requirement of accuracy of measurement.

CMOS image sensor，exposure value，illuminance distribution，parameter identification，OV7670

TP23

A

1001-8891(2016)03-0246-04

2015-07-07；

2015-10-21.

張玉杰（1966-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：信息采集與處理、模式識(shí)別、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。

陜西省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014K07-17）；西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（CXY1436(1)）。