一種基于CMOS圖像傳感器的照度測量方法

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間及增益的關(guān)系，確定了環(huán)境照度的測量方法。針對工程實際的需要，設(shè)計了基于CMOS傳感器OV7670的圖像采集與亮度測量系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)標(biāo)定和參數(shù)辨識的方法，實現(xiàn)了照度的快速測量。結(jié)果表明，該方法能夠快速測量環(huán)境照度，能夠滿足對環(huán)境照度測量精度的要求。

CMOS圖像傳感器；曝光值；照度分布；參數(shù)辨識；OV7670

0 引言

辦公環(huán)境的工作臺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)境照明自動控制系統(tǒng)中照度的檢測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元件。這種測量方法得到的測量值實際上是測量點的某一區(qū)域范圍的平均值。無法實現(xiàn)對區(qū)域照度的分布進行測量。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，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，并最終以圖像的形式表示出來，即圖像中包含了環(huán)境照度信息。因此探索通過數(shù)字圖像傳感器實現(xiàn)環(huán)境照度測量。

目前常用的固體可見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，在工業(yè)自動化、家用電器、汽車電子和安全系統(tǒng)等方面的應(yīng)用越來越廣泛。

采用CMOS圖像傳感器來測量照度分布，通過圖像采集、數(shù)字圖像處理可以實現(xiàn)照度的精確檢測，并且可以實現(xiàn)環(huán)境色溫、人員移動、人員密度檢測，這種檢測方式具有可靠性和靈活性，在照明控制應(yīng)用中，具有推廣價值。目前國內(nèi)已經(jīng)將CMOS圖像傳感器應(yīng)用于道路檢測、隧道照明等場合。

相對于傳統(tǒng)的照度檢測方法，基于CIS的照度測量方法不僅可以測量某一區(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)系是實現(xiàn)照度及分布檢測首先要解決的問題。

1 照度測量原理

照度和亮度是完全不同的兩個概念，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、工作面情況等無關(guān)；亮度則是人眼感覺到的照明光經(jīng)工作面或目標(biāo)漫反射后進入眼睛的那部分光線，與入射光線方向、強度、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，對非發(fā)光體的亮度測量與入射光線方向以及觀察角度沒有關(guān)系。此時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)曝光時間時，CIS曝光輸出值與曝光時間基本上是呈正比例關(guān)系。第2個感光特性曲線如圖2所示。在圖2中，將曝光時間固定而調(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到飽和狀態(tài)而呈現(xiàn)滿幅值。由以上對CIS的感光特性的分析，可以對CIS的曝光特性建立一個數(shù)學(xué)模型。在外界光照不變的情況下，/()是一個常量值，也就是說成像物體的亮度與/()具有唯一的映射關(guān)系。可以用函數(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、模擬信號處理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理器、SCCB接口等模塊構(gòu)成，實現(xiàn)了單芯片成像系統(tǒng)。同時芯片內(nèi)部實現(xiàn)了圖像采集過程的各種控制功能，包括自動曝光控制、自動增益控制、自動白平衡控制等。用戶也可以根據(jù)需要修改相關(guān)的寄存器配置對圖像傳感器的各種控制，進行圖像的采集和處理。

通過標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口對OV7670寄存器進行配置，VSYNC（幀同步）信號通過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機對圖像進行讀取及處理。

2.2 系統(tǒng)標(biāo)定及亮度測量

在定量測量之前，必須對圖像采集及處理系統(tǒng)進行標(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、亮度計測量的準(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，采用對數(shù)調(diào)光，保證亮度線性變化。同時使用一個亮度計對積分球輸出的光亮度進行多次測量，保證測量結(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，圖像采集曝光時間不足或過度，使CMOS傳感器工作于非工作區(qū)，導(dǎo)致亮度測量的誤差加大。為此，通過微控器控制CMOS圖像傳感器，確保其工作在線性工作區(qū)。根據(jù)OV7670的工作過程可知，要判斷采集到圖像是否曝光不足或曝光過度，可以通過讀取自動增益值確定。由于OV7670自動增益設(shè)置范圍是1～64，當(dāng)增益為1時，說明此時曝光過度或接近曝光過度；同樣當(dāng)增益為64時說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，將曝光時間和增益靈活配置來確保亮度測量范圍。通過調(diào)整曝光時間，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)定過程如下，改變積分球的亮度，記錄亮度計不同亮度下的亮度值，同時通過CMOS攝像頭采集圖像，并記錄對應(yīng)的曝光時間和自動增益值。使用MATLAB數(shù)字圖像的處理工具，對采集的RGB圖像進行灰度化、濾波及去邊緣處理，求出整幅圖像的平均灰度值，并計算灰度歸一化值/()。利用最小二乘法建立測量亮度與/()之間的擬合曲線，并確定擬合函數(shù)的參數(shù)。圖6為3次多項式擬合曲線。

圖6 亮度標(biāo)定擬合曲線

通過曲線擬合進行參數(shù)辨識，可以得到亮度的近似三項表達式如下：

通過CMOS圖像傳感器對不同亮度環(huán)境下的圖像進行采集，并將采集的參數(shù)、、代入式(3)，并與亮度計測量結(jié)果進行比較，驗證了通過該公式測量亮度的可行性。

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

3 照度測量

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，并由此實現(xiàn)環(huán)境亮度分布的測量，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S面形成漫反射，通過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面上的照度作為測量物理量來衡量的，對于辦公臺面，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，就可以通過式(1)求得工作面的照度。在式(1)中，反射特征量可以通過現(xiàn)場標(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的工作臺面的圖像，并由此圖像計算出工作臺面的亮度；

2）使用照度計測量當(dāng)前工作臺面的照度；

3）使用式(1)求出工作臺面的反射率。

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

為驗證實驗結(jié)果，對辦公工作面進行了測試，如圖8所示，取圖中矩形區(qū)域為照度測量的測試工作面。

圖8 被測試工作面

表1是不同照明環(huán)境下的工作面計算照度值和照度計測量結(jié)果。由于系統(tǒng)標(biāo)定及測量誤差，影響了測量結(jié)果，對亮度計算式進行3次擬合也產(chǎn)生了截斷誤差。比較二者的測量結(jié)果，其測量誤差在4.2%范圍內(nèi)，已經(jīng)能夠滿足對工作面照度測量精度的要求。

表1 照度相對誤差表

注：相對誤差是以實測照度值0為準(zhǔn)計算得的。

4 結(jié)論

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

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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、模式識別、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等。

陜西省科技計劃項目（2014K07-17）；西安市科技計劃項目（CXY1436(1)）。