CN102918834B - 用于空间控制的景物照明的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供为机器视觉应用产生空间一致的或受控亮度水平的景物照明系统。所述系统包括照相机、优先照明照相机视场内不同区域的多个光源、以及耦接至所述照相机和光源的处理单元。对照相机视场内的光源的焦点区域进行采样以确定平均区域亮度并且与目标亮度水平进行比较。处理单元控制光源以增加或降低照明水平以朝向视场内的目标亮度水平会聚。可以以连续的视频图像来重复光源的调节直到实现目标亮度水平。一旦实现，迭代反馈控制可以锁定用于一些应用，而对于其他应用，迭代过程可以周期性地或连续地继续以解决不同的景物或照明条件的变化。

Description

用于空间控制的景物照明的系统和方法
关于联邦政府资助的研究与开发的声明
美国政府对该发明可能具有付费式许可并且在有限的情况下具有要求专利所有人基于合理的条款许可他人的权利，如由健康与人类服务部（DepartmentofHealthandHumanService）、公共卫生局（PublicHealthServices）、疾病控制中心（CDC）授予的批准号1R43CE00151-01、国防部（美国军队）合同号W81XWH-05-C-0045、美国国防部国会研究计划号（DepartmentofDefenseCongressionalResearchInitiative）W81XWH-06-2-0037、和美国交通运输部国会研究计划协议授予号（DepartmentofTransportationCongressionalResearchInitiativeAgreementAward）DTNH22-05-H-01424规定的条款。
技术领域
本发明涉及用于控制物体的照明的设备和方法，更具体地，涉及通过调节照明的多束源（multiplesources）来例如在物体例如个体的眼睛或面部的摄像机图像内产生空间上受控的亮度，例如基本上一致或可变的亮度的设备和方法，例如，用于机器视觉的目的。
背景技术
本发明涉及用于机器视觉应用的照明方案（illuminationschemes），尤其当在照相机视场内的表面和物体的反射率变化时。常规的照明方案在包含弯曲表面的景物或超越单个二维平面的物体内经常产生阴影和/或闪烁（即，热点）。当照明设备（照明）必须局限于有限数量的源时和/或当光源必须邻近被照明的景物定位时，这些问题变严重。
涉及机器视觉的应用正变得日益普通。部分地，由于电子学和软件开发产业的技术进步这种应用增加，并且照相机和信息处理单元的成本减少。来自机器视觉应用范围的少量实例包括：物体识别、距离测量、食品检查、装配线的质量控制、阅读条形码、物体计数、安全监控和生物测量。利用机器视觉的部门和行业包括：军事、医疗、安全、半导体制造、制造业、机器人和玩具。
如果图像中的区域具有不足的照明，则几乎所有图像处理技术和算法都受到影响。如果照明水平太低，则结果是亮度强度的变化不足以区分物体的边界或反射率的区域变化。减少的信号或光强度也导致在图像内显现检测器噪声。低信噪比一般导致显示“粒面”并难于处理的图像。
相反，如果照明水平太高，则照相机或检测器内的像素变得饱和。再次，全饱和像素（完全饱和像素）不能为图像处理算法提供关于亮度水平变化的信息以区分边缘或边界。在一些类型的摄像机中，饱和像素也可以“溢出（bleedover）”以提高附近像素的视亮度（表面亮度，apparentbrightness）。
在大多数情况下，信息内容在有太少或太多光子的图像区域内会丢失。图像处理怎么也不能找回丢失的信息。在这些情况下，必须改善所有视频图像的空间区域中的照明以产生可靠的机器视觉应用。
例如，物体尺寸的精确测量涉及物体边缘的检测，其中边缘被定义为其中存在明显的颜色或亮度梯度的区域。如果物体边缘的照相机视场（视图）被阴影扭曲，则边缘检测算法的可靠性和精确性被降低。
包括物体识别的机器视觉应用对照明条件特别敏感。暗角（死角）、由于照明引起的颜色变化、由表面照明的不同角度产生的亮度变化、阴影和热点可以由于照明条件而使得物体不可识别。
当照明源被限制为邻近被照明的物体时，物体的受控照明尤其不同。例如，这种限制可归因于例如期望使设备紧凑和/或通过将照明仅限制在照相机的视场来减少功率消耗。使用安装到眼镜或头戴式装置上的设备来照明眼睛时就是这种情况。这些类型的系统或设备的实例可以在WilliamC.Torch的美国专利7515054B2中找到，其公开了通过监测眼睛运动促进的生物传感器、通信和控制器应用。
发明内容
本发明涉及用于控制物体的照明的设备和方法。更具体地，本发明涉及通过调节照明的多束源（multiplesources）来例如在物体例如个体的眼睛或面部的摄像机图像内产生空间上受控的亮度，例如基本上一致（均匀）的亮度的设备和方法，例如，用于机器视觉的目的。
根据前述背景，本文中的设备、系统和方法可为机器视觉应用提供改善的照明方法和系统。该方法通常包括两个或多个以与照相机的视角不同的角度照射景物的不同区域的电磁辐射源。这些照明源可以各自包括一个或多个照明装置，如白炽灯泡、弧光灯、或发光二极管（LED）。照相机可以是帧接收器和处理系统的部件，其产生反馈信号以基于捕获的图像来单独控制照明源。目标亮度水平可以是恒定的或者可以根据空间（例如，为了产生穿过景物的亮度梯度）和/或时间（例如，当通过源以不同波长交替照明景物）变化。受控的和/或一致的照明可允许涉及位置测量和物体识别的机器视觉应用更简单、快速和可靠地进行。
根据一个实施方式，提供了尤其当在景物内存在反射率的空间变化时，产生具有基本上空间一致和/或受制的景物亮度的照相机图像的系统和方法。
根据另一实施方式，提供了由弯曲的和/或与照相机的图像平面（像平面）不共面的表面产生具有受控的或基本上一致亮度的图像的系统和方法。
例如，该系统和方法可使用适当地设置在远离照相机的视线的一个或多个照明源。从锐角的照明可帮助展现如表面裂纹或缺口的精细结构。
根据又一实施方式，提供的系统和方法可以减少由超过（riseabove）表面的三维结构产生的阴影效应。例如，可通过使用从对比角（衬度角，contrastingangle）照明景物的电磁辐射的多束源来减少阴影效应。
根据又一实施方式，提供的系统和方法可以减少或避免由于照明的点源引起的所谓“闪烁”或亮点效应。闪烁效应可以通过以很好地远离照相机视点的角度使用源将光转向景物中来避免。
根据另一实施方式，提供了用于监测人眼睛的系统，其包括被构造成戴在人的头上的装置；安装在所述装置上并定位成观察佩戴所述装置的人的第一只眼睛的照相机；和在所述装置上的优先照明第一只眼睛周围且在照相机的视场内的人面部的各自焦点区域（focalregions）的多个光源。在一个可替换的实施方式中，照相机和/或光源安装在远离人处，例如，到交通工具的仪表板或其他内部结构。
控制器可以耦接至照相机和光源，控制器被构造成用于使用照相机对光源的各自焦点区域中的亮度进行采样并且基于采样亮度来调节光源以在各自的焦点区域内提供期望的亮度水平。例如，控制器可以被构造成用于从与照相机的视场内的被第一光源照明的第一焦点区域相对应的照相机的多个像素（multiplepixels）对亮度采样，控制器结合（合并）采样的亮度以确定由第一光源提供的平均亮度，控制器调节第一光源以在第一焦点区域内提供期望的亮度水平。类似地，控制器可以被构造成从被第二或另外的各自光源照明的第二或另外的焦点区域对亮度采样，并调节光源以在相应的焦点区域内提供期望的亮度水平。
在一个实施方式中，控制器可以被构造成用于振幅调节光源的电流和电压中的至少一个以在各自的焦点区域中提供期望的亮度水平。另外或可替换地，控制器可以被构造成用于脉冲宽度调节光源的电流和电压中的至少一个以提供期望的亮度水平。
可选地，处理单元可以耦接至照相机，用于接收第一只眼睛的图像，例如，用于监测和/或分析第一只眼睛的图像。处理单元可以包括控制器或可以是一个或多个分开的处理器。
根据又一实施方式，提供了用于产生空间受制照明的反馈控制系统，其包括在视场的两个或更多空间区域中测量景物亮度的照相机；优先照明在照相机的视场内的相应区域的光源；和处理器，其计算照相机的视场的每一区域内的平均亮度并且将相应光源调节到一个或更多目标亮度水平以在视场内提供期望的亮度水平。
在一个实例中，该系统可以包括电子显示器，和照相机和/或光源，其可以相对于显示器安装，使得照相机和光源朝向观看电子显示器的人的面部定向。在另一实例中，可以以使该照相机和/或光源朝向交通工具的操作者面部定向的方式将该照相机和/或光源安装至交通工具的仪表板或其他表面。
在又一个实例中，照相机和/或光源可以被安装至邻近装配线或传送带的结构以获得沿装配线或传送带指向的物体的图像。在又一个实例中，照相机和/或光源可以安装至邻近多个存储区的结构以获得位于存储区中的物体的图像。例如，光源邻近装配线、传送带或存储区安装以优先照明照相机视场内的各自焦点区域，例如，基于由照相机获取的图像来促进物体的识别。
在这些实例的任何一个中，光源可以基本上持续地或间歇地运行。例如，当照相机不工作时光源停止工作。例如，如果照相机用于获取视场的图像与对优先被各自光源照明的区域内的亮度采样分开，光源可以仅在当照相机被启动以获取图像和/或对亮度采样的周期期间启动，尽管光源可以在这些周期期间间歇地启动（激活），例如，如果脉冲宽度调节用于控制光源的亮度。
根据又一实施方式，提供了用于控制人的第一只眼睛的照明的方法。照相机可以朝向人面部定位使得人的第一只眼睛位于照相机的视场内，并且可以用优先照明第一只眼睛周围且在照相机的视场内的人面部的各自焦点区域的多个光源照明人的面部的至少一部分。可以使用照相机对光源的各自焦点区域中的亮度进行采样，并且至少部分基于采样亮度来调节光源以在各自的焦点区域内产生期望的亮度水平。
根据又一实施方式，提供了可以产生用于机器视觉应用的空间一致或受控的亮度水平的景物照明系统。例如，目标亮度水平在整个照相机的视场内可以基本上相同，例如，用于产生基本一致的亮度，或可以根据位置变化，例如，用于在景物内产生受控的亮度水平。另外或可替换地，目标亮度水平也可随时间进行变化。
在一个示例性实施方式中，该系统包括照相机、优先照明照相机视场内的不同区域的多个光源（多重光源，multiplelightsources）、以及耦接至照相机和光源的处理单元。可以对照相机视场内光源的焦点区域进行采样以确定平均区域亮度并与目标亮度水平比较。该处理单元可以控制光源以增加或降低照明水平从而会聚到视场内的目标亮度水平。可以以每个连续的视频图像或周期性图像来重复光源的这种调节直到获得目标亮度水平。一旦获得目标亮度水平，迭代（重复）反馈控制可锁定（关闭）用于一些机器视觉应用。对于其他应用，迭代过程可周期性地或持续地进行以解决不同景物或照明条件的变化。
根据又一实施方式，提供了用于控制景物的照明的方法，该方法包括将照相机集中于景物，使得景物中的一个或更多物体（目标）处于照相机的视场内；用优先照明照相机的视场内的各自焦点区域的多个光源来照明景物；使用照相机对光源的各自焦点区域中的亮度进行采样；以及至少部分基于采样亮度来调节光源以在各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
例如，景物可以包括人面部的至少一部分，并且一个或多个物体可以包括人的至少一只眼睛。照相机和/或光源可以安装在人头部的装置上或位于远离人头部的位置。
在另一个实例中，景物可以包括电子显示器，以及照相机和/或光源，其可以相对于该显示器被定位，使得所述照相机和光源朝向观看电子显示器的人的面部定向。在该实例中，可以调节光源以为照相机视场内的人面部的各自焦点区域提供期望的亮度水平。
在又一个实例中，照相机和/或光源可以安装到交通工具的仪表板，使得照相机朝向交通工具操作者的面部定向。在该实例中，景物可以包括操作者面部的至少一部分，并且光源可以朝向操作者面部定向以优先照明照相机视场内的人面部的各自焦点区域。
在又一个实例中，照相机和/或光源可以指向（引导朝向）装配线或传送带以获得沿装配线或传送带指向的物体的图像。在又一个实例中，照相机和/或光源可以被指向多个存储区以获得位于存储区中的物体的图像。光源可以被指向装配线、传送带或存储区以优先照明在照相机视场内的各自焦点区域，例如，以在视场内产生基本一致的亮度水平或在视场内产生变化的亮度水平。例如，可以调节光源从而为比其他焦点区域更远离照相机的焦点区域提供更高的亮度水平。
本发明的其他方面和特征将通过结合附图的以下描述而变得显而易见。
附图说明
附图说明了本发明的示例性实施方式，其中：
图1是使用从照相机获取图像的处理单元控制下的三个发光二极管的眼睛和周围面部区域的空间一致照明的透视图。
图2是由三个分开的光源产生的眼睛和周围面部区域的照明图案的实例。
图3是眼睛和周围面部区域的照相机图像的实例，其中对三簇像素采样以确定在照相机视场内的三个区域中的平均照明强度。
图4是其中在照明图案中期望空间梯度的杂货店或仓库货架的受控照明的实例。照明被分为朝向图像右侧具有逐渐增加的亮度的四个（4）水平区域。
图5是使用振幅调节和脉冲宽度调节技术的用于控制照明的反馈和信号的时序（timesequence）的实例。
图6是示出了用于控制多个光源的照明水平以产生空间一致亮度的示例性算法的流程图。
图7是用于基于人眼的移动来监测人的设备的又一实施方式的透视图。
具体实施方式
转向附图，图1示出了系统10的示例性实施方式，其可以提供人的眼睛和/或附近面部区域的反馈控制的照明。通常，系统10包括多个光源12（示出了3个）、一个或多个照相机14（示出了1个）、以及耦接至光源12和/或一个或多个照相机14的处理单元16。
系统10的部件包括在单一装置或两个或多个分开的装置上。例如，如图7所示，照相机14和光源12可以设置在框架18或构造成戴在人头部上的其他装置上。在示出的实施方式中，框架18包括横梁（bridgepiece）18a、在每只眼睛上方或周围延伸并限定开口18c的边缘（眼睛框，rim）18b、和/或一对耳部支架（earsupports）18d，例如，类似于一副眼镜。可选地，可以在或者可以不在开口18c中设置镜片，例如，期望的处方镜片、遮光镜片、偏光镜片，和/或防护镜片等，尽管这样的镜片对于系统10的运行来说不是必须的。可替换地，系统10的部件可以设置在被构造成戴在人头部的其他装置上，如头盔、面具、一副护目镜、下拉面罩等（未示出），诸如在美国专利号6,163,281、6,542,081或7,488,294中公开的那些装置。
在取决于本申请的另外的备选方案中，部件可以设置在用于监测人、物体、和/或其他景物的分开的装置上，例如，静止或移动结构，如在本文其他地方另外描述的。例如，照相机14和/或光源12可以远离人设置但仍允许监测人。在一个示例性实施方式中，照相机14和/或光源12可以安装至交通工具的仪表板或驾驶舱或其他内部区域内的其他地方并朝向交通工具的驾驶员、飞行员或其他操作者、交通工具内的乘客或其他人定向。照相机14和/或光源12的位置在交通工具内可以是基本上固定的或可调节的，例如，使得照相机14和/或光源12可以朝向面部，例如，操作者或其他人的一只眼睛或双眼定向。在另一个示例性实施方式中，照相机14和/或光源12可以安装在计算机或其他电子设装置的显示器上或者可以位于其附近，例如，用于监测电子装置的使用者的一只眼睛或双眼，例如，从而允许使用者至少部分基于一只眼睛或双眼的移动来控制或操作电子装置。
可选地，回到图1和7，如本文在别处描述的，处理单元16也可以由框架18承载或者可以与框架18（和/或系统10的其他部件，如果设置在除了框架18的其他结构上）分离和/或远离。例如，如图7所示，处理单元16可以设置在与框架18分开的壳体中，并且可以包括从框架18延伸的一条或多条线缆17（为了简化示出1条）。一条或多条线缆170可以包括单独的线缆或套线（setsofwires），其耦接至光源12、照相机14、和/或框架18上的其他部件且耦接至处理单元16。例如，单独的线缆或套线可以包埋（嵌入）在框架18中，例如，沿边缘18b，从各自的光源12、照相机14、15等，直到被捕获在线缆15内，例如用于减少如所期望的框架18的整体分布。
在另外参考图1的情况下，照相机14安装和/或定位在框架18上，使得照相机14包括指向（引导朝向）佩戴框架18和/或以其他方式被系统10监测的人的第一只眼睛20的视场，如所示出的。例如，如图7所示，照相机14可以偏离框架18中的各自开口18c，例如，设置照相机14远离佩戴框架18的人的通常视场，例如，如在2010年1月13日提交的共同未决申请系列号12/551,547中描述的。
在一个示例性实施方式中，照相机14可以包括CCD或CMOS或其他检测器，其包括活动区域（有源区域，activearea），例如，包括像素的矩形或其他阵列，用于利用照相机14捕获图像并生成表示图像的视频信号。照相机14的活动区域可以具有任何期望的形状，例如，正方形或矩形形状、圆形或椭圆形形状等。照相机14的活动区域可以基本上是平坦的或可以是弯曲的，例如，位于可以朝向眼睛22定向的弯曲平面内。可以使用的示例性CMOS装置包括Omnivision，型号OV7740，或Mocron型号MT9V032。另外，如果需要，照相机14可以包括一个或多个滤色镜（滤光片）、透镜等（未示出），例如用于将图像聚集在活动区域上，过滤不需要的光亮度和/或波长等。
可选地，可提供包括指向被系统10监测的人的第二只眼睛（未示出）的视场的第二照相机。例如，如图7中所示，一对照相机14可以安装在框架18上，例如，在低于每只眼睛的边缘18b的较低区域上以最小化对人视觉的干扰，由此允许监测人的双眼。另外或可替换地，可提供指向人的单独的眼睛的多镜头照相机（多角照相机，多重照相机，multiplecameras）（或指向每只眼睛的多镜头摄影机，未示出），例如，提供分开的或重叠的视场。在另一选项中，如图7中的虚像（幻影）所示，可在框架18上设置一个或多个照相机15，其可以远离佩戴框架18的人定向，例如用于获取人周围的图像，如在本专利其他地方所公开的。
光源12可以安装在框架18的几个位置上，例如，邻近照相机14的开口18c的周围。例如，如所示出的，示出了三个光源12a、12b、12c，例如，位于边缘18b的上部区域的第一和第二光源12a、12b以及位于边缘18b的下部区域的第三光源12c。可以理解，如果期望，可以提供仅两个光源或多于三个光源（未示出），并且可以使用本文描述的系统和方法对其进行控制。如果系统10包括第二照相机14，如图7所示，则可以在框架18上设置另外一组光源12以照明佩戴框架18的人的第二只眼睛和/或面部区域（未示出）。此外，如果系统10包括指向单独的眼睛的多镜头摄影机（未示出），则照相机可以共享多个光源或，或者可替换地，可以提供多组光源以照明照相机的各自视场（未示出）。
在一个示例性实施方式中，每个光源12可以包括被构造成用于发射相对窄或宽带宽的光的发光二极管，例如，在约640-700纳米之间的一个或多个波长的红外光，宽波段可见光，例如，白光等。可选地，光源12可以包括透镜、滤色镜、漫射器或其他特征（未示出），例如用于促进人眼睛和/或面部的各自焦点区域的照明。光源12可以例如以位于框架18中的各自开口18c周围的一或多个阵列而彼此隔开，从而提供期望的亮度水平，例如，人眼睛和/或面部和因此人眼睛和/或面部的使用照相机14捕获的图像的基本一致或可变的亮度水平。
处理单元16可以包括一个或多个控制器或处理器，例如，一个或多个硬件部件和/或软件模块，用于操作系统10的各种部件。例如，处理单元16可以包括分开或集成的控制器（未示出），用于控制光源12和/或照相机14，用于接收和/或处理来自照相机14的信号等。可选地，处理单元16的一个或多个部件可以承载在框架18上，例如，在耳部支架18d或边缘18b上，类似于本文别处识别的参考中所描述的实施方式。
处理单元16也可以包括用于存储来自照相机14、15的图像信号的存储器、用于编辑和/或处理所述图像信号的过滤器等。此外，处理单元16可以包括一个或多个功率源（电源）（未示出），例如，用于操作系统10的部件。可选地，框架18和/或处理单元可以包括用于发射数据、接收指示等的一个或多个发射器和/或接收器（未示出）。另外或可替换地，系统10可以包括远离框架18和/或处理单元16的部件，类似于本文别处识别的参考中所描述的实施方式。例如，在远离处理单元16和/或框架18的位置，例如，在同一个空间，在监测站附近或在更远的位置，系统10可以包括一个或多个接收器、处理器、和/或显示器（未示出）。
回到图1，示出了使用系统10成像的人的眼睛20和周围面部区域22，例如，用于自动瞳孔跟踪的目的，其中基本上空间一致的照明可以是有用的。包括眼睛20的面部区域22可以由其中图像被传递至处理单元16的照相机14可视化。瞳孔26位于虹膜27的中央。虹膜27又位于巩膜28内或眼睛的白色区域内。在正常视觉期间，瞳孔26的位置由于自动和非自动肌肉控制而变化。在瞳孔26移动的过程中，瞳孔26、虹膜27和与巩膜28相关的区域的尺寸和形状在照相机的视场内变化。部分地，尺寸和形状的变化可能是由于眼睛20的曲率。
当通过一个或多个光源照明时，多个因素可以影响从照相机视场内的不同区域检测的光的强度：a）光源和视场区域之间的距离，b）每一光源的强度，c）每一光源的发散角，d）照明表面的反射率（在照明波长），e）表面曲率，和f）在将光转换为有用信号中照相机的效率以及与照相机有关的光学系统的收集效率和空间一致性。此外，如果用单个或少量光源照明，则三维结构可以产生阴影。在眼睛20周围的区域22的情况下，可以由包括眼睑、眼睫毛和皮褶的结构产生阴影。
如本文在别处进一步描述的，照相机（例如图1中的照相机14）的视场内的不同区域的亮度水平可以以反馈模式用于控制不同照明源的强度。从不同角度照明景物的多个光源的使用可帮助减少阴影的有害效应。通过使用多个照明源（复合照明源）和/或通过将它们设置在战略位置，例如，远离照相机的视角，也可以减少或避免闪烁。在图1所示的实例中，红外发光二极管（“LED”）被用作照明源。如所示出的，LED12a优先照明照相机14的视场的左上部区域，LED12b优先照明照相机14视场的右上部区域，并且LED12c优先照明照相机14视场的下部区域。
图2示出了由不同光源照明的各自焦点区域。在该实例中，三个光源照明瞳孔26和眼睛20周围的面部区域22。可以理解，如图2所示，光源通常不产生尖锐边界。相反，虚线代表“焦点区域”，即，其中特定光源对与照相机视场内的周围区域相比的区域的照明具有优先或增加的影响的区域。参考图1，LED12a优先照明位于照相机视场的左上部区域中的图2的区域121。类似地，图1中的LED12b照明位于照相机视场的右上部区域中的图2的区域122。图1中的LED12c照明位于照相机视场的下部区域中的图2的区域123。照明区域或焦点区域的尺寸可能取决于光源的发散角和/或光源与照明表面之间的距离。照明区域的一般形状可能取决于光源的光分布以及光源的位置与正交于照明表面的矢量之间的角度。可以通过调节相关的一个或多个光源的强度来控制每个焦点区域的平均亮度。
图3是可以进行采样以确定在瞳孔26附近的区域的平均亮度的像素簇的实例。在该实例中，8乘8（8x8）像素元素簇（elementclusterofpixels）101的平均测量强度用于估计照相机视场内的左上部区域的亮度。另一8乘8（8x8）像素元素簇102用于计算照相机视场内的右上部区域的亮度。第三个8乘32（8x32）像素元素簇103用于估计照相机视场内的下部区域的亮度。
然而，可以理解，可由视场内的任意数量区域来评估亮度。可以由每一焦点区域内的任意尺寸、间隔或形状的簇中的任意数量的像素来确定亮度的评估。例如，在每一焦点区域内在每一采样期间可以对相同像素进行采样，或者如果需要，可以对不同像素（例如，在每一焦点区域内随机选择的）进行采样。可以使用实际视频信号在监测眼睛20期间对亮度采样或者可以在用于监测眼睛20的数据流外部采样。例如，除记录、处理或另外监测外，可以对来自一系列视频信号的周期性帧进行采样，以使用本文描述的任意系统和方法来评估和/或调节亮度水平。
例如，另外参考图1-3，处理单元16可周期性地对焦点区域121、122、123（在图2中示出）中的预定的像素101、102、103（在图3中示出）采样从而评估每一焦点区域121、122、123中的平均亮度水平。然后处理单元16可调节光源12a、12b、12c（在图1中示出）以在各自焦点区域121、122、123内提供期望的亮度水平。例如，当照明眼睛20和用照相机14对眼睛20成像时，具有基本一致的亮度可能是期望的。处理单元16可以对像素101、102、103集进行采样，确定每一焦点区域121、122、123中的平均亮度并且提高或降低光源12a、12b、12c的强度，例如，用于维持平均亮度基本一致和/或另外在期望的范围内。
可替换地，如果提供多镜头照相机（多角摄像机）用于监测单独的眼睛（未示出），则一个或多个照相机可以用于对一个或多个照相机的视场内的亮度进行采样。例如，在一个实施方式中，第一照相机可以专用于亮度采样，例如，如上所描述的，而第二照相机可用于获得眼睛的图像用于其他目的，例如，监测人的意识、身体和/或精神状态，控制一个或多个装置等，如本文其它地方描述的和本文确定的参考中描述的。在另一个实施方式中，多镜头照相机可以用于对各自光源的焦点区域内的亮度进行采样并且可以平均或另外比较来自多镜头照相机的采样亮度以对光源提供反馈控制。
在其他应用中，具有空间变化的景物照明可能是期望的。图4示出了在其中可能期望亮度242的（不一致的）空间梯度的情形中控制照明的这种实例。在该实例中，照相机241可以用于对在一系列货架或输送带系统240上的物体进行成像，例如，诸如通常在杂货店、仓库和生产设备中见到的那些。照相机241和光源231-234可以彼此相对独立地安装，例如，远离货架或输送带系统240并且可以基本上是静止或移动的。
在这样的情况下，使用照相机241获取的图像内的一些物体或物体上的文字看起来比其他小。这可能是由于物体实际减小的尺寸或者是因为物体离照相机更远。经常地，通过增加在照相机视场内看起来更小的物体的亮度（不产生饱和）可提高图像处理算法的性能。空间控制的照明也可用于通过提高信噪比来帮助图像处理算法补偿镜头或其他光学部件的空间分辨率的变化。大多数镜头，尤其是小镜头，在镜头的外边缘附近比镜头的中央区域具有降低的空间分辨率和/或光聚集能力。
在图4所示的实例中，可以通过将视场划分为4个垂直区域来产生亮度的水平梯度。用LED231照明的最左边区域221对于可靠的图像处理可能需要最小的亮度。用LED232照明的次最左区域222对于可靠的图像处理可能需要次最低水平的亮度。用LED233照明的区域223由于更小物体的存在可能需要更高的亮度。用LED234照明的最后区域224由于离照相机最远的小物体的存在和/或使用照相机241获得的图像的边缘附近的降低的光学分辨率而可能会需要最高照明。
类似于本文其他地方描述的那些的处理单元（未示出）可以耦接至照相机241以对垂直区域221-224内的亮度水平采样，和/或可以耦接至光源231-234从而响应于采样的亮度水平来调节光源231-234的强度。例如，如上面所解释的，处理单元可以调节光源231-234以在每一区域221-224中提供增加的亮度水平从而促进来自照相机241的监测图像。
图5是用于监测和控制照相机视场的不同区域中的照明（照度）的信号的时序的实例。迹线141可以表示单独的像素簇的测量平均亮度，而虚线140可以表示光源焦点区域的目标光强度。点142可以表示收集新照相机图像以用于对亮度进行采样的时间。如果测量的平均光强度落在目标强度之下，则不同的方案可用于提高与相应区域相关的光源的强度。相反，如果测量的平均光强度超过目标强度，则可以使用相同的一种或多种方案来降低与相应区域相关的光源强度。
在一个示例性实施方式中，迹线143说明了其中可以使用驱动光源的电压或电流的振幅来控制光强度的方案。这通常称为“振幅调节”。在另一实施方式中，迹线144说明其中可以改变电压或电流的持续时间或“停留时间”以控制光强度的方案。这通常称为“脉冲宽度调节”。可选地，也可以同时使用两种方案。
如果需要，在当不需要时例如当照相机不将光转化为有用的信号时或者当全部装置未使用时可以关闭照明，例如，用于节约能源和/或用于减少整体照明强度，例如，出于安全原因。例如，图4中的光源231-234（或在本文描述的任何其他实施方式中）可以间歇地运行，例如，当照相机241不启动时停止工作。在一个示例性实施方式中，照相机241可以周期性运行以获取其视场的图像以及对亮度采样，例如，从获得的图像。在该实例中，光源231-234可以仅在当照相机241获取具有如本文其他地方描述所控制的光源亮度的图像的周期期间内启动，例如，在启动的周期期间内使用振幅调节和/或脉冲宽度调节。在另一个示例性实施方式中，照相机241可以周期性地运行以获取视场的图像并且分别对亮度采样。在该实例中，光源231-234可以仅在当照相机241启动以获取图像和/或对亮度采样的周期期间内间歇性地启动，例如在启动期间内使用振幅调节和/或脉冲宽度调节。
图6是可以用于产生反馈控制的示例性算法的流程图，例如，用于产生受控或一致的照明，如使用图1和7的系统10或图4的系统。每一区域（标记为“n”）的平均亮度可在视频图像内连续测量。例如，在步骤310，可以从被多个光源照明的照相机收集新图像。
在步骤320，与第一光源相对应的第一焦点区域的平均亮度可以通过对来自第一区域内的新图像的多个像素采样来采样。例如，可以获得并平均第一区域内的多个像素的实际亮度水平以确定第一区域的平均亮度。在步骤330，平均亮度可以与第一区域的目标强度进行比较。如果平均亮度大于目标强度（分支330a），则在步骤332，降低第一光源的输出。如果平均亮度小于目标强度（分支330b），则在步骤334，提高第一光源的输出。因此，在步骤336，将第一光源调节到期望的强度。在步骤338，增加数字“n”，并且在步骤340，证实了，存在仍未采样的另一焦点区域。如果“n”小于或等于焦点区域和光源的总数，则重复过程，即，用于第二焦点区域和光源的步骤320-336，等。如果已经从新图像采样所有焦点区域并且光源已经调节，则利用新图像重复过程（在步骤310再次开始）。因此，利用每一采样，包括在系统中的光源的整个阵列的输出可以被调节到期望的水平。然后可以在下一视频图像的收集之后或仅周期性重复过程，例如，在每隔一个或每十个使用照相机获取的用于提供采样亮度的图像之后。
目标亮度水平对所有遍及照相机视场的区域可以是相同的以产生具有基本一致亮度的景物，例如，在图1和7的系统10中。可替换地，也可以选择目标亮度水平以在照相机视场内的不同空间区域中变化，如图4中描述的系统，从而部分补偿图像内减少的物体尺寸的效果。可选地，也可以提高一个或多个区域内的目标亮度以产生空间梯度模式，例如，用于提高分析，例如，以便显示表面中的详细裂纹或颜色的微小变化。
也可以选择目标亮度水平以根据时间变化。如果使用在不同波长发射的多组照明源，则由于选择每一波长以显示照相机图像内的不同结构可能需要单独的目标亮度水平。
在一些应用中，亮度可以被作为应用的照明系统的一部分的电磁源控制。在其他应用中，来自反馈控制的照明系统的光可以被叠加在如太阳或室内照明的环境光源上。在后面的实例中，只要环境照明水平变化可能会需要重新汇聚到期望的亮度水平。
其中可以使用反馈控制的动态照明设备的应用的另一实例包括安全检查点，其中当交通工具或个人接近照相机视场时他们被识别。在这种情况下，可以动态调节可见或红外照明源以避免阴影和/或照明物体用于一致的景物亮度，同时避免图像中的热点。
其中可以使用反馈控制的动态照明设备的应用的另一实例是在装配线或传送带系统如用于分选产品或其他食品，如苹果或鱼（未示出）的分选过程中。随着不同反射性、尺寸、形状、和/或取向的物体进入照相机的视场中，可以动态调节照明设备以更好地测量尺寸和/或识别物体。在该实例中，照相机（或如本文其他地方描述的多镜头照相机）和多个光源可以被安装在邻近装配线或传送带的固定支架和指向承载在装配线或传送带（未示出）上的物体。可替换地，可提供多重静止照相机和可以提供多套光源，例如，其与各个照相机相对静止或其被安装至装配线或传送带使得光源与装配线或传送带上的物体一起移动。
其中可以使用反馈控制的动态照明设备的应用的另一实例包括校准系统如用于精确校准车轮和驱动轴的校准系统。其中可以使用反馈控制的动态照明设备的应用的另一实例是在面部识别的领域中。
为了说明和描述的目的，已经给出了示例性实施方式的上述公开内容。其并不旨在详尽或将本发明限制于公开的精确形式。根据以上公开内容，对于本领域的普通技术人员来说，本文描述的实施方式的许多变化和修改将是显而易见的。
而且，在描述代表性实施方式时，说明书可能将方法和/或过程（工艺）描述为步骤的特定顺序。然而，就方法或过程不依赖于本文阐述的步骤的特定顺序来说，所述方法或过程不应限于所述步骤的特定顺序。如本领域普通技术人员理解的，步骤的其他顺序可以是可行的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应解释为对权利要求的限制。
虽然本发明容许不同的改进和可替换的形式，但其具体实施例已经在附图中示出并且在本文中进行了详细描述。然而，应当理解，本发明不限于所披露的特定形式或方法，相反，本发明覆盖落入所附权利要求范围内的所有改进、等价物和备选方案。

Claims (70)

1.一种用于监测人的眼睛的系统，包括：
被构造成佩戴在人头部上的装置；
照相机，安装在所述装置上并被定位成用于对佩戴所述装置的人的第一只眼睛取景；
位于所述装置上的多个光源，同时并优先照明所述第一只眼睛周围和所述照相机视场内的人面部的各自的焦点区域，所述焦点区域仅部分彼此重叠；以及
耦接至所述照相机和所述光源的控制器，所述控制器被构造成使用所述照相机在所述光源的各自焦点区域中对亮度进行采样并且至少部分基于采样的亮度来调节所述光源来提高或降低来自所述光源的光线强度以在所述各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器安装在所述装置上。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器位于远离所述装置的位置。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被构造成用于从与被第一光源照明的所述照相机的视场内的所述第一光源的第一焦点区域相对应的照相机的作为比所有成像像素小的第一子集的多个成像像素对亮度采样，所述控制器结合采样的亮度以确定由所述第一光源提供的平均亮度，所述控制器调节所述第一光源以在所述第一焦点区域内提供期望的亮度水平。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被构造成用于振幅调节所述第一光源的电流和电压中的至少一个以提供期望的亮度水平。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被构造成用于脉冲宽度调节所述第一光源的电流和电压中的至少一个以提供期望的亮度水平。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被构造成用于仅在当所述照相机被启动以获取所述第一只眼睛的图像的周期期间内启动所述光源。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源的期望的亮度水平基本上一致。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括LED。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述照相机包括CCD和CMOS检测器中的一个。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括耦接至所述照相机的处理单元，用于接收来自所述照相机的第一只眼睛的图像。
12.一种用于产生空间控制照明的反馈控制系统，包括：
在视场的两个或多个空间区域中测量景物亮度的照相机；
同时并优先照明所述照相机视场内的相应分开或重叠的焦点区域的光源，所述焦点区域具有彼此不同的中心；以及
处理器，计算所述照相机视场的所述焦点区域的每一区域内的平均亮度并且将相应光源调节到一个或多个目标亮度水平以在视场内提供期望的亮度水平。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述照相机和所述光源安装在被构造成佩戴在人头部上的装置上，所述照相机定位在所述装置上用于对佩戴所述装置的人的第一只眼睛取景，所述光源位于所述装置上用于优先照明所述第一只眼睛周围和所述照相机视场内的人面部的各自焦点区域。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述处理器位于远离所述装置处。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述处理器被构造成用于从与被第一光源照明的照相机的视场内的所述第一光源的第一焦点区域相对应的照相机的作为比所有成像像素小的第一子集的多个成像像素对亮度进行采样，所述处理器结合采样的亮度以确定由所述第一光源提供的平均亮度，所述处理器调节所述第一光源以在所述第一焦点区域内提供期望的亮度水平。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述处理器被构造成用于振幅调节所述光源的电流和电压中的至少一个以提供期望的亮度水平。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述处理器被构造成用于脉冲宽度调节所述光源的电流和电压中的至少一个以提供期望的亮度水平。
18.根据权利要求12所述的系统，其中，所述处理器被耦接至所述光源，用于仅在当所述照相机被启动以获取第一只眼睛的图像的周期期间内启动所述光源。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述处理器被构造成用于在当所述照相机被启动周期期间内脉冲宽度调节所述光源的电流和电压中的至少一个以提供期望的亮度水平。
20.根据权利要求12所述的系统，其中，所述处理器被耦接至所述光源，用于在所述照相机不运行时停用所述光源。
21.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光源的期望的亮度水平基本上一致。
22.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光源的期望的亮度水平至少部分基于视场内的各自焦点区域的位置是可变的。
23.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光源包括LED。
24.根据权利要求12所述的系统，其中，所述照相机包括CCD和CMOS检测器中的一个。
25.根据权利要求12所述的系统，进一步包括电子显示器，所述照相机和光源相对于所述电子显示器安装，使得所述照相机和光源朝向观看所述电子显示器的人的面部定向。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述照相机和光源被安装至所述电子显示器。
27.根据权利要求12所述的系统，其中，所述照相机被安装至交通工具的仪表板，使得所述照相机朝向所述交通工具的操作者的面部定向。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述光源被安装至所述交通工具，使得所述光源朝向所述操作者的面部定向以优先照明所述照相机视场内的操作者面部的各自焦点区域。
29.根据权利要求12所述的系统，其中，所述照相机被安装至邻近装配线或传送带的结构以获得沿所述装配线或传送带指向的物体的图像。
30.根据权利要求12所述的系统，其中，所述照相机被安装至邻近多个存储区的结构以获得位于所述存储区中的物体的图像。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，邻近所述存储区来安装所述光源以优先照明所述照相机视场内的所述存储区的各自焦点区域。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述处理器被耦接至所述光源以基于每一焦点区域内的平均亮度来调节所述光源从而在视场内提供基本一致的亮度水平。
33.根据权利要求31所述的系统，其中，所述处理器被耦接至所述光源以基于每一焦点区域内的平均亮度来调节所述光源从而在所述视场内提供可变的亮度水平。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述处理器被耦接至所述光源以调节所述光源从而为比其他焦点区域离照相机更远的焦点区域提供更大的亮度水平。
35.一种用于控制人的第一只眼睛的照明的方法，包括：
朝向人的面部定位照相机使得人的第一只眼睛位于所述照相机的视场内；
用同时并优先照明所述第一只眼睛周围和所述照相机视场内的人面部的各自的焦点区域的多个光源来照明人面部的至少一部分，所述焦点区域仅部分彼此重叠；
使用所述照相机对所述光源的各自焦点区域中的亮度进行采样；以及
至少部分基于采样的亮度来调节所述光源以在所述各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述照相机安装在被构造成佩戴在人头部上的装置上，并且其中，通过将所述装置置于人头部上而使所述照相机朝向人的面部定位。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，使用耦接至所述照相机的控制器对在所述各自焦点区域中的亮度进行采样，所述控制器耦接至所述光源用于至少部分基于采样的亮度来调节所述光源。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述照相机安装在被构造成佩戴在人头部上的装置上，并且其中所述控制器位于远离所述装置处。
39.根据权利要求35所述的方法，其中，对亮度进行采样包括：
从与被第一光源照明的所述照相机视场内的所述第一光源的第一焦点区域相对应的所述照相机的作为比所有成像像素小的第一子集的多个成像像素对亮度采样；和
确定由所述第一光源提供的平均亮度，并且
其中调节所述光源包括至少部分基于确定的平均亮度来调节所述第一光源以在所述第一焦点区域内提供期望的亮度水平。
40.根据权利要求35所述的方法，其中，调节所述光源包括调节所述光源的电流和电压中的至少一个的振幅以在所述各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
41.根据权利要求35所述的方法，其中，调节所述光源包括调节所述光源的电流和电压中的至少一个的脉冲宽度以在所述各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
42.根据权利要求35所述的方法，其中，调节所述光源以在所述照相机视场内提供基本一致的亮度。
43.根据权利要求35所述的方法，进一步包括使用所述照相机来监测第一只眼睛的图像。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，监测第一只眼睛的图像以进行以下中的至少一个：a)确定人的睡意水平，b)至少部分地控制电子装置，和c)提供来自人的生物反馈。
45.一种用于控制景物的照明的方法，包括：
使照相机指向景物使得所述景物中的一个或多个物体位于所述照相机的视场内；
用同时并优先照明所述照相机视场内的各自分开或重叠的焦点区域的多个光源来照明所述景物；
使用所述照相机对所述光源的各自焦点区域中的亮度进行采样；以及
至少部分基于采样的亮度来调节所述光源以在所述各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述景物包括人面部的至少一部分，并且其中，所述一个或多个物体包括人的至少一只眼睛。
47.根据权利要求45所述的方法，其中，所述照相机安装在人头部上的所述装置上。
48.根据权利要求45所述的方法，其中，所述多个光源安装在人头部上的所述装置上。
49.根据权利要求45所述的方法，其中，所述照相机安装在远离人头部处。
50.根据权利要求45所述的方法，其中，所述多个光源安装在远离人头部处。
51.根据权利要求45所述的方法，其中，使用耦接至所述照相机的控制器对所述各自焦点区域中的亮度进行采样，所述控制器耦接至所述光源用于至少部分基于采样的亮度来调节所述光源。
52.根据权利要求45所述的方法，其中，对亮度进行采样包括：
从与被第一光源照明的所述照相机视场内的所述第一光源的第一焦点区域相对应的所述照相机的作为比所有成像像素小的第一子集的多个成像像素对亮度进行采样；和
由从所述多个成像像素采样的亮度来确定由所述第一光源提供的平均亮度，并且
其中调节所述光源包括至少部分基于确定的平均亮度来调节所述第一光源以在所述第一焦点区域内提供期望的亮度水平。
53.根据权利要求52所述的方法，其中，对亮度进行采样进一步包括：
从与被第二光源照明的照相机视场内的所述第二光源的第二焦点区域相对应的所述照相机的作为比所有成像像素小的第二子集的多个成像像素对亮度进行采样；和
确定由所述第二光源提供的平均亮度，并且
其中调节所述光源包括至少部分基于确定的平均亮度来调节所述第二光源以在所述第二焦点区域内提供期望的亮度水平。
54.根据权利要求45所述的方法，其中，调节所述光源包括调节所述光源的电流和电压中的至少一个的振幅以在所述各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
55.根据权利要求45所述的方法，其中，调节所述光源包括调节所述光源的电流和电压中的至少一个的脉冲宽度以在所述各自焦点区域内提供期望的亮度水平。
56.根据权利要求45所述的方法，其中，调节所述光源以在所述照相机视场内提供基本一致的亮度。
57.根据权利要求45所述的方法，其中，调节所述光源以提供在所述照相机视场的不同部分内变化的预定亮度。
58.根据权利要求45所述的方法，其中，所述照相机和光源与电子显示器相对安装，使得所述照相机和光源朝向观看所述电子显示器的人的面部定向，并且其中调节所述光源从而为所述照相机视场内的人面部的各自焦点区域提供期望的亮度水平。
59.根据权利要求45所述的方法，其中，所述照相机安装至交通工具的仪表板，使得所述照相机朝向所述交通工具的操作者面部定向。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述光源安装至所述交通工具，使得所述光源朝向所述操作者的面部定向，以优先照明所述照相机视场内的操作者面部的各自焦点区域。
61.根据权利要求45所述的方法，其中，所述照相机指向装配线或传送带以获得沿所述装配线或传送带指向的物体的图像。
62.根据权利要求45所述的方法，其中，所述照相机指向多个存储区以获得位于所述存储区中的物体的图像。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，所述光源指向所述存储区以优先照明所述照相机视场内的存储区的各自焦点区域。
64.根据权利要求63所述的方法，其中，调节所述光源以在视场内提供基本一致的亮度水平。
65.根据权利要求63所述的方法，其中，调节所述光源以在视场内提供可变的亮度水平。
66.根据权利要求65所述的方法，其中，调节所述光源从而为比其他焦点区域离所述照相机更远的焦点区域提供更大的亮度水平。
67.根据权利要求45所述的方法，进一步包括使用所述照相机来获取所述照相机视场的图像，并且其中由使用所述照相机获取的图像对所述光源的各自焦点区域内的亮度进行采样。
68.根据权利要求67所述的方法，其中，当所述照相机不捕获图像时停用所述光源。
69.根据权利要求45所述的方法，进一步包括使用所述照相机来获取所述照相机视场的图像，并且其中由使用所述照相机获取的图像分别对所述光源的各自焦点区域内的亮度进行采样。
70.根据权利要求69所述的方法，其中，光源仅在当所述照相机获取图像时的周期期间内和在当对所述光源的各自焦点区域中的亮度进行采样的周期期间内启动。
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