0 引言

    道路照明不僅要保證駕駛員可以看清路面以避免交通事故，還要為其提供安全舒適的視覺(jué)條件從而緩解駕駛疲勞。因此，路面的平均亮度、亮度均勻性分布以及炫光控制水平等是道路照明控制的主要參考指標(biāo)。目前，環(huán)境亮度的檢測(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)某一區(qū)域范圍的平均值，無(wú)法真實(shí)反應(yīng)路面的亮度均勻分布情況。由于CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor，CIS)成本不斷下降并大量使用于照度檢測(cè)中，將圖像處理方法用于路面亮度的測(cè)量，可以大范圍進(jìn)行亮度分布的測(cè)量，從而更好地控制路面指標(biāo)。

    相對(duì)于傳統(tǒng)的照度檢測(cè)方法，基于CIS的亮度測(cè)量系統(tǒng)以微控制器(Micro Controller Unit，MCU)為核心，通過(guò)CIS采集測(cè)量區(qū)域的圖像信息，結(jié)合數(shù)字圖像處理算法以及圖像灰度與環(huán)境亮度關(guān)系式，不僅可以快速測(cè)量某一區(qū)域的平均亮度，并且可以方便地檢測(cè)路面亮度分布，從而為道路照明控制提供更多的反饋信息。

1 亮度測(cè)量原理

    根據(jù)攝影和照相光度學(xué)理論，照相機(jī)通過(guò)鏡頭將目標(biāo)成像在感光靶面上，圖像上每一個(gè)像素的灰度值與目標(biāo)物在靶面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的曝光量存在以下關(guān)系：

其中，D為圖像的灰度值，H為曝光量，γ為傳感器的反差系數(shù)，m為常數(shù)，m、γ均由感光材料決定。

    在光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，曝光量H可表示為：

其中，τ為鏡頭的透射系數(shù)，由鏡頭的特性決定；B為被測(cè)量物體的實(shí)際亮度；F為相機(jī)的光圈數(shù)，T是曝光時(shí)間。

    由式(1)、式(2)可得：

    CIS的灰度不僅和T、F、B相關(guān)聯(lián)，同時(shí)和A/D轉(zhuǎn)換之前通過(guò)自動(dòng)增益控制模塊的放大器增益有關(guān)。在曝光時(shí)間不變的情況下，圖像灰度和增益G呈線性正比關(guān)系，從而式(3)可進(jìn)一步寫為：

    在CIS中，可以通過(guò)相關(guān)寄存器操作控制當(dāng)前的曝光時(shí)間T和放大增益G，同時(shí)對(duì)獲取的圖像處理計(jì)算圖像的平均灰度值。通過(guò)系統(tǒng)的標(biāo)定，可以確定h、γ的值，從而按式(5)求得目標(biāo)的照度。

    為便于計(jì)算，使用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式(5)，以灰度為D=0點(diǎn)展開(kāi)，并簡(jiǎn)化為3次多項(xiàng)式，可得：

    a、b、c、d通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定確定。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用STM32F103RET6為核心處理器構(gòu)成嵌入式亮度分布測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)由CIS、FIFO（First Input First Output）緩沖區(qū)、SRAM、MCU、LCD顯示及鍵盤、電源等部分組成。

    MCU選擇以ARM Cortex-M3為核心的處理器STM32F103RET6。其具有高達(dá)72 MHz的工作頻率，512 KB的程序存儲(chǔ)器及64 KB內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，集成定時(shí)器、USART、USB、I²C等豐富的外設(shè)，其低功耗、高性能的特點(diǎn)符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

    CMOS圖像傳感器選擇OmniVision公司的OV7670，內(nèi)部集成640×480的感光陣列、模擬信號(hào)處理器、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理器、DSP處理器、SCCB(Serial Camera Control Bus)控制接口等，實(shí)現(xiàn)了單芯片成像系統(tǒng)，幀率高達(dá)30 fps，支持VGA、QVGA、等各種分辨率輸出，支持RGB、YUV4:2:2、YCbCr等多種輸出格式。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了保證測(cè)量精度并減少運(yùn)算量，設(shè)置OV7670輸出格式為YUV4:2:2，輸出分辨率為QVGA。

    為了使OV7670與MCU的讀寫匹配，便于MCU讀取圖像幀，添加了數(shù)據(jù)緩沖FIFO AL422B。AL422B是一個(gè)存儲(chǔ)容量為393 216 B×8 bit的FIFO存儲(chǔ)芯片，它具有獨(dú)立的讀寫操作，能自動(dòng)完成尋址、刷新操作。AL422B的主要控制信號(hào)如圖1所示，其中WE為AL422B的寫入使能，OE為輸出使能，RCLK為數(shù)據(jù)讀取時(shí)鐘，WRST和RRST控制寫指針和讀指針復(fù)位。

    在本系統(tǒng)中，MCU控制OV7670及AL422B采集圖像，將生成的QVGA圖像存入SRAM并進(jìn)行圖像處理，然后根據(jù)灰度、增益及曝光時(shí)間來(lái)計(jì)算路面平均亮度及亮度分布，LCD顯示與鍵盤用于人機(jī)交互，USB接口用于系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或結(jié)果輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集與處理

    在圖像采集前，需要OV7670進(jìn)行參數(shù)配置，微控制器可通過(guò)SCCB總線接口設(shè)置或者讀取OV7670的工作狀態(tài)、工作方式以及數(shù)據(jù)的輸出格式等。為了保證測(cè)量的精度，提高系統(tǒng)的工作效率，設(shè)置OV7670的輸出分辨率為QVGA，即240×320，輸出格式為YUV4:2:2，Y為亮度信號(hào)，常用Y值表示圖像灰度值，U、V為色度信號(hào)，這種采樣方式保證了亮度信息的完整，且不需進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)化。在OV7670中，設(shè)置TSLB和COM13寄存器，使YUV4:2:2的輸出順序?yàn)閅UYV。通過(guò)讀取自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control，AGC)及自動(dòng)曝光時(shí)間控制(Automatic Exposure Control，AEC)寄存器獲取所需的曝光時(shí)間T及增益D。

    OV7670的行輸出時(shí)序如圖2所示，PCLK為像素時(shí)鐘，用于輸出一個(gè)像素（或半個(gè)像素），HREF為行同步信號(hào)，D[7:0]為數(shù)字視頻接口（Digital Video Port）信號(hào)。

    從時(shí)序圖可以看出，數(shù)據(jù)圖像在HREF為高時(shí)輸出，每一個(gè)PCLK時(shí)鐘輸出1 B數(shù)據(jù)，采用QVGA時(shí)序，YUV4:2:2輸出格式，每2 B組成一個(gè)像素，高字節(jié)為Y，低字節(jié)為U或V，則每行共輸出240×2個(gè)PCLK周期，輸出240×2 B。

    在圖像采集時(shí)，MCU通過(guò)中斷的方式檢測(cè)OV7670的VSYNC（幀同步）信號(hào)，并設(shè)置FIFO的地址、選通、寫等邏輯信號(hào)，控制FIFO中圖像幀的寫入和讀取。當(dāng)MCU檢測(cè)到中斷后，會(huì)復(fù)位FIFO的寫指針并使能寫入，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)寫入完成后，進(jìn)行讀取操作，復(fù)位FIFO讀指針并使能輸出，控制讀取時(shí)鐘RCLK完成一幀圖像的讀取。當(dāng)MCU將FIFO中暫存的圖像幀讀入到SRAM后，隨即對(duì)圖像進(jìn)行濾波及去邊緣處理，提取出圖像的灰度信息，并計(jì)算平均灰度，然后根據(jù)亮度計(jì)算式即可求得公路路面的亮度分布及平均亮度。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件需要完成圖像采集及處理、亮度計(jì)算、人機(jī)交互等任務(wù)。圖像采集及處理任務(wù)完成對(duì)指定格式圖像的采集；亮度計(jì)算任務(wù)則根據(jù)采集的圖像獲取灰度、增益、曝光時(shí)間，根據(jù)式(6)來(lái)計(jì)算亮度分布及平均亮度，并繪制等亮度分布圖。人機(jī)交互任務(wù)主要用于處理用戶輸入，并將測(cè)量信息通過(guò)LCD顯示或USB輸出。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮道路亮度分布檢測(cè)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，保證各個(gè)任務(wù)的合理調(diào)度。

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。在系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)完成圖像的采集后，對(duì)圖像進(jìn)行處理并計(jì)算亮度，繪制等亮度曲線，并將計(jì)算的亮度結(jié)果送入LCD顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    利用本系統(tǒng)對(duì)道路亮度檢測(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，需要對(duì)亮度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。通過(guò)標(biāo)定，可以計(jì)算式(6)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，然后進(jìn)行測(cè)量。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。

    在標(biāo)定時(shí)，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)部均勻分布的特性，將CMOS攝像頭放置于積分球出口處，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)行測(cè)量。并且保證CMOS圖像傳感器工作于線性區(qū)。

    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)間和增益值。使用MATLAB數(shù)字圖像的處理工具，對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)圖像的灰度D、曝光時(shí)間T、增益G進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，得到式(6)中的多項(xiàng)式參數(shù)。

    當(dāng)完成了系統(tǒng)標(biāo)定及參數(shù)辨識(shí)，即可以使用本系統(tǒng)測(cè)量道路亮度。圖5(a)是得到的公路路面灰度圖像，圖5(b)是系統(tǒng)輸出的亮度分布特征圖?？梢钥吹铰访鎴D像被有效分隔為幾個(gè)區(qū)域，圖上標(biāo)出的數(shù)字為系統(tǒng)計(jì)算的各區(qū)域的平均亮度。由于系統(tǒng)及計(jì)算誤差，測(cè)量亮度分布有一定的偏差，經(jīng)過(guò)和亮度計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)，其最大偏差不超過(guò)1 cd/m2，相對(duì)誤差小于10%，不會(huì)對(duì)路面亮度分布測(cè)量產(chǎn)生影響。系統(tǒng)能在一幀時(shí)間內(nèi)完成一幅圖像的處理與特征量的提取，在1 s內(nèi)完成對(duì)亮度分布的測(cè)量。經(jīng)過(guò)在不同的路面情況及天氣狀況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，取得了較好的測(cè)量效果。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種基于CMOS圖像傳感器的亮度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以O(shè)V7670作為CMOS圖像傳感器，以微控制為控制核心，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以及圖像采集及處理的設(shè)計(jì)方法，相比于傳統(tǒng)的亮度傳感器，其靈活性更高，能夠快速地檢測(cè)路面亮度及亮度分布，為公路路面亮度分布均勻性評(píng)估提供技術(shù)支持，為道路設(shè)計(jì)、施工、道路燈光分布、維護(hù)提供幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢可元，胡曉佳.同時(shí)實(shí)現(xiàn)路面照度與亮度均勻性的LED光源光學(xué)系統(tǒng)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015(2)：67-74.

[2] 闖家亮.基于圖像處理的隧道亮度檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[3] 沈小明，任軍軍.道路照明的亮度測(cè)量方法[J].城市照明，2012，16(2)：45-48.

[4] 王書(shū)曉，羅濤.圖像亮度測(cè)量技術(shù)在道路照明測(cè)試中的應(yīng)用[J].城市亮化，2012(2)：26-27.

[5] 李莉，孫立軍，陳長(zhǎng)，等.改進(jìn)的路面圖像背景校正算法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39(1)：79-84.

[6] 竇江龍.基于CMOS傳感器的顯微圖像處理分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[7] 楊中東，王鵬，李曉慧，等.基于LCoS像素級(jí)圖像亮度調(diào)整方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34(1)：147-152.