一种基于CMOS图像传感器的照度测量方法

张玉杰，陈志磊，春江锋



一种基于CMOS图像传感器的照度测量方法

张玉杰，陈志磊，春江锋

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021）

研究了利用CMOS图像传感器结合数字图像处理方法获取环境工作的照度的可行性。分析了曝光输出值与曝光时间及增益的关系，确定了环境照度的测量方法。针对工程实际的需要，设计了基于CMOS传感器OV7670的图像采集与亮度测量系统，研究了系统标定和参数辨识的方法，实现了照度的快速测量。结果表明，该方法能够快速测量环境照度，能够满足对环境照度测量精度的要求。

CMOS图像传感器；曝光值；照度分布；参数辨识；OV7670

0 引言

办公环境的工作台面照度的均匀分布是保证办公环境舒适，提高办公效率的保证。目前办公环境照明自动控制系统中照度的检测均使用了光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻等传感器作为检测元件。这种测量方法得到的测量值实际上是测量点的某一区域范围的平均值。无法实现对区域照度的分布进行测量。数字图像传感器是感光元件，由光电二极管组成感光阵列，实现光信号到电信号的转换，并最终以图像的形式表示出来，即图像中包含了环境照度信息。因此探索通过数字图像传感器实现环境照度测量。

目前常用的固体可见光图像传感器主要有CCD和CMOS两类，伴随着半导体集成器件的发展，CMOS图像传感器（CMOS image sensor，CIS）具备低成本、低功耗、高集成度的优势，在工业自动化、家用电器、汽车电子和安全系统等方面的应用越来越广泛。

采用CMOS图像传感器来测量照度分布，通过图像采集、数字图像处理可以实现照度的精确检测，并且可以实现环境色温、人员移动、人员密度检测，这种检测方式具有可靠性和灵活性，在照明控制应用中，具有推广价值。目前国内已经将CMOS图像传感器应用于道路检测、隧道照明等场合。

相对于传统的照度检测方法，基于CIS的照度测量方法不仅可以测量某一区域的环境照度，而且可方便地得到照度的分布情况，为照明灯光控制提供更多的传感信息。探索图像灰度与工作面照度的定量关系是实现照度及分布检测首先要解决的问题。

1 照度测量原理

照度和亮度是完全不同的两个概念，照度是指入射到工作面单位面积的光通量，与光线入射角度、工作面情况等无关；亮度则是人眼感觉到的照明光经工作面或目标漫反射后进入眼睛的那部分光线，与入射光线方向、强度、工作面情况以及观察角度等都有关系。当工作面的反射特性接近均匀漫反射（即朗伯型反射体）时，对非发光体的亮度测量与入射光线方向以及观察角度没有关系。此时工作面的亮度与外界照明光在工作面的照度具有如下的线性关系：

＝×(1)

式中：为工作面亮度；为外界光照在工作面产生的照度；为两个物理量关联特征量，与工作面的光学反射与散射特性有关。对朗伯型反射体为常量。

CMOS图像传感器（CMOS image sensor，CIS）具有以下2种感光特性。第1种感光特性曲线如图1所示。

图1 曝光输出值与曝光时间的关系

在图1中，将亮度增益值固定，当调节曝光时间时，CIS曝光输出值与曝光时间基本上是呈正比例关系。第2个感光特性曲线如图2所示。在图2中，将曝光时间固定而调节亮度增益值，曝光输出值与亮度增益值呈现为一种简单的正比例关系。

图2 曝光输出值与亮度增益值的关系

图1和图2中曲线呈现出的水平直线是由于感光像素已达到饱和状态而呈现满幅值。由以上对CIS的感光特性的分析，可以对CIS的曝光特性建立一个数学模型。在外界光照不变的情况下，/()是一个常量值，也就是说成像物体的亮度与/()具有唯一的映射关系。可以用函数形式表示如下：

＝/() (2)

在给定CIS中，光照在某一工作面产生的照度由式(1)、(2)确定。

2 系统标定及亮度测量

2.1 图像采集单元

图像采集单元结构如图3所示，主要由OV7670图像传感器、STM32F103微控制器、SD卡存储及USB接口等组成。

图3 图像采集单元

OV7670为OmniVision公司生产的CMOS图像传感器，该传感器由感光阵列、模拟信号处理、A/D转换、数字信号处理器、SCCB接口等模块构成，实现了单芯片成像系统。同时芯片内部实现了图像采集过程的各种控制功能，包括自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡控制等。用户也可以根据需要修改相关的寄存器配置对图像传感器的各种控制，进行图像的采集和处理。

通过标准的SCCB接口对OV7670寄存器进行配置，VSYNC（帧同步）信号通过中断方式通知微控制器读取图像。FIFO用于暂存一帧图像便于微控制器进行读取，使用STM32F103作为微控制器控制OV7670采集图像，将生成的QVGA图像写入SD卡，USB接口用于PC机对图像进行读取及处理。

2.2 系统标定及亮度测量

在定量测量之前，必须对图像采集及处理系统进行标定，标定系统的结构如图4所示，主要由光源、图像采集单元、PC机及电源组成。系统标定的影响因素取决于光源的线性调节、光源的均匀性、亮度计测量的准确性及CMOS的采集误差等。为了保证标定结果的准确性，必须满足如下标定条件：

1）均匀的辐射光源。使用积分球建立一个均匀的辐射光源，利用光能量在积分球内部均匀分布这个特性，将CMOS摄像头放置于积分球出口处，光源采用LED光源，采用对数调光，保证亮度线性变化。同时使用一个亮度计对积分球输出的光亮度进行多次测量，保证测量结果准确。

图4 系统标定示意图

2）CMOS传感器工作于线性区。由CMOS传感器的感光特性知，图像采集曝光时间不足或过度，使CMOS传感器工作于非工作区，导致亮度测量的误差加大。为此，通过微控器控制CMOS图像传感器，确保其工作在线性工作区。根据OV7670的工作过程可知，要判断采集到图像是否曝光不足或曝光过度，可以通过读取自动增益值确定。由于OV7670自动增益设置范围是1～64，当增益为1时，说明此时曝光过度或接近曝光过度；同样当增益为64时说明曝光不足或接近曝光不足。

为了保证CMOS图像传感器正常曝光，将曝光时间和增益灵活配置来确保亮度测量范围。通过调整曝光时间，将增益范围锁定在5～45之内，并将此作为亮度标定的条件。

图5所示为图像采集及处理系统进行系统参数标定流程图。

图5 增益控制流程

Fig.5 Gain control process

标定过程如下，改变积分球的亮度，记录亮度计不同亮度下的亮度值，同时通过CMOS摄像头采集图像，并记录对应的曝光时间和自动增益值。使用MATLAB数字图像的处理工具，对采集的RGB图像进行灰度化、滤波及去边缘处理，求出整幅图像的平均灰度值，并计算灰度归一化值/()。利用最小二乘法建立测量亮度与/()之间的拟合曲线，并确定拟合函数的参数。图6为3次多项式拟合曲线。

图6 亮度标定拟合曲线

通过曲线拟合进行参数辨识，可以得到亮度的近似三项表达式如下：

通过CMOS图像传感器对不同亮度环境下的图像进行采集，并将采集的参数、、代入式(3)，并与亮度计测量结果进行比较，验证了通过该公式测量亮度的可行性。

当获取图像指定工作面区域的平均灰度，增益及曝光时间后，即可测量当前亮度值。

3 照度测量

在工程应用中，摄像头安装在较高的位置采集办公环境的图像，并由此实现环境亮度分布的测量，如图7所示。

图7 图像传感器安装示意图

外界光线的照度经过S面形成漫反射，通过CMOS图像传感器采集S面图像从而获取工作面的亮度信息。然而，办公环境照明一般使用工作台面上的照度作为测量物理量来衡量的，对于办公台面，一般满足或近似满足漫反射特征。当获得工作面的亮度后，就可以通过式(1)求得工作面的照度。在式(1)中，反射特征量可以通过现场标定确定。标定方法如下：

1）从采集的图像中分离出要检测的工作台面的图像，并由此图像计算出工作台面的亮度；

2）使用照度计测量当前工作台面的照度；

3）使用式(1)求出工作台面的反射率。

可以通过多次测量的方法提高标定精度。另外，办公室内如果有多种不同材料的工作面，可以分别对不同的材料的值进行标定。

为验证实验结果，对办公工作面进行了测试，如图8所示，取图中矩形区域为照度测量的测试工作面。

图8 被测试工作面

表1是不同照明环境下的工作面计算照度值和照度计测量结果。由于系统标定及测量误差，影响了测量结果，对亮度计算式进行3次拟合也产生了截断误差。比较二者的测量结果，其测量误差在4.2%范围内，已经能够满足对工作面照度测量精度的要求。

表1 照度相对误差表

注：相对误差是以实测照度值0为准计算得的。

4 结论

研究了一种基于CMOS图像传感器的环境照度分布测量方法，通过分析CMOS图像传感器曝光输出值与曝光时间及增益的关系，确定了环境亮度与图像灰度、曝光时间、增益的映射关系，通过搭建图像采集与处理系统并进行标定及参数辨识，确定了亮度计算函数式，并通过对工作台面反射率的标定，可以实现照度的快速测量。

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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.

张玉杰（1966-），男，教授，硕士生导师，主要研究方向：信息采集与处理、模式识别、嵌入式系统开发等。

陕西省科技计划项目（2014K07-17）；西安市科技计划项目（CXY1436(1)）。