CN112200113A - 一种自适应光源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应光源装置，包括多层光源；每层光源，包括多个光源模块、一个光源基板和一个光电控制***；每个光源模块包括灯珠板；灯珠板的正前方连接有透镜盖板；透镜盖板上安装有多个灯珠透镜；透镜盖板上下两端，分别固定有上倾斜连接件和下倾斜连接件；灯珠板的后侧面固定有导热板；导热板的后侧面固定有多个散热片和温度传感器；散热片后侧安装有散热风扇；上倾斜连接件的后侧面固定有Z形支架；Z形支架的后侧面固定连接有灯珠板驱动器；对于每层光源，多个光源模块呈预设形状固定在光源基板顶部侧边；多层光源固定连接。本发明可以有效解决复杂场景中虹膜成像补光难题，满足远距离、不同方位、不同身高和多目标的补光要求。
Description
技术领域
本发明涉及自适应光源技术领域，特别是涉及一种自适应光源装置。
背景技术
虹膜识别技术作为一种更安全的生物特征识别技术，随着移动支付、智能社会的发展，市场化应用范围越来越广。虽然虹膜相对于人脸、步态等其他生物特征，具有独特的优势，但是由于虹膜特征很微小，为了能获取到较好的虹膜，就必须匹配高性能的硬件和稳定的环境。
亚洲人虹膜由于与欧美人有着天生不同，所以必须增加特殊辅助光，才能突出虹膜特征。当前虹膜识别中主要使用的是850nm波段的近红外光。根据虹膜识别设备的不同，根据虹膜识别设备的差异，辅助光源的形状、尺寸、功率及安装角度等也各有不同。
其中，接触式或近距离的虹膜识别，由于距离近，光损失小，光源功率一般较小，光场比较均匀，很容易满足；而远距离虹膜识别，对光源有了更高要求，在虹膜识别安全的范围内，一般是增强功率，倾斜安装，防止反光，但是这样的远距离光源虽然能够满足当前识别环境要求，但是补光区域有限，不可调，无法适应身高，需要人主动配合，体验差。
随着虹膜识别技术的发展，对辅助光源也提出了更高要求，但是目前并没有这种能够适应于复杂虹膜识别条件的光源设备，也就限制了远距离虹膜(>2m)识别、行进中虹膜识别、多目标虹膜识别技术等的应用与推广。
因此，目前迫切需要开发出一种能适应于各种复杂条件的自适应光源装置，进一步推动虹膜识别技术的发展。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种自适应光源装置。
为此，本发明提供了一种自适应光源装置，包括多层光源；
每层光源，包括多个光源模块、一个光源基板和一个光电控制***；
其中，每个光源模块包括灯珠板；
灯珠板的前侧面，安装有多个近红外灯珠；
灯珠板的正前方，间隔地固定连接有透镜盖板(例如通过盲孔压铆螺柱和螺钉)；
透镜盖板上，在与所述灯珠板上的多个近红外灯珠正前方的位置，分别对应安装有多个灯珠透镜；
透镜盖板的上下两端，分别固定连接有上倾斜连接件和下倾斜连接件；
每层光源中的光源模块具有的上倾斜连接件和下倾斜连接件，斜面角度相同；
灯珠板的后侧面，固定设置有导热板；
导热板的后侧面，固定设置有多个散热片；
多个散热片的后侧，安装有散热风扇；
导热板的后侧面，还固定设置有温度传感器；
上倾斜连接件的后侧面，固定连接有Z形支架；
Z形支架的主体部分，位于散热风扇的后方；
Z形支架的后侧面，固定连接有灯珠板驱动器；
其中，对于每层光源，多个光源模块呈预设形状固定在同一个光源基板顶部的侧边上；
其中，多层光源中的光源基板，垂直贯穿设置有多个基板支撑架，并通过基板支撑架固定连接在一起；
其中，光电控制***，用于通过场景感知设备获取位于光源模块前方的一个或多个目标信息，在对所述场景感知设备提供的目标信息进行计算分析后，确定需要打开的光源层以及在该光源层中要打开的具体方位的光源模块并控制启动。
优选地，多个光源模块呈半圆形分布，并且每个光源模块中的Z形支架底部固定连接同一个光源基板顶部的前侧侧边上。
优选地，灯珠透镜用于实现灯光聚集；
每一层光源中的每个光源模块具有的灯珠透镜的角度相同。
优选地，当所述自适应光源装置包括三层光源时，第一层光源中的每个灯珠透镜的角度为20°，第二层光源中每个灯珠透镜的角度为30°，第三层光源中每个灯珠透镜的角度为45°。
优选地，当所述自适应光源装置包括三层光源时，第一层光源中的上倾斜连接件和下倾斜连接件的斜面角度为8°；
第二层光源中的上倾斜连接件和下倾斜连接件的斜面角度为14°；
第三层光源中的上倾斜连接件和下倾斜连接件的斜面角度为20°；
其中，每一层光源包括的光源模块的倾角，与该层光源包括的上倾斜连接件和下倾斜连接件的斜面角度一致；该光源模块的倾角具体包括透镜盖板的倾角、灯珠板以及导热板的倾角。
优选地，在同一光源基板上的任意相邻的两个光源模块之间的夹角为15°。
优选地，场景感知设备获得的目标信息，具体包括：目标D坐标、目标距离、目标方位角和目标高度；
所述光电控制***，在对目标信息进行计算分析后，确定需要打开的光源层以及在该光源层中要打开的具体方位的光源模块，具体包括以下控制操作：
首先，光电控制***根据目标信息中的目标距离，以及根据预先存储的多个不同目标距离与不同光源层的编号的对应关系，确定需要打开的光源层；
然后，光电控制***根据目标信息中的目标方位角，以及根据预先存储的在每个光源层中的不同光源模块编号与多个不同方位角之间的对应关系，确定需要打开的光源层中要打开的具体方位的光源模块，然后控制启动光源模块。
优选地，光电控制***，还用于在控制启动需要打开的光源层中要打开的具体方位光源模块之后，通过虹膜相机获取目标的虹膜图像，然后对虹膜图像的曝光度进行评价，当过曝或者曝光度不足的时候，发送电流控制信号给所述要打开的具体方位光源模块上安装的灯珠板驱动器，对应控制所述灯珠板驱动器减小或者增大输出电流的大小。
优选地，所述光电控制***，对虹膜图像的曝光度进行评价，具体包括以下的评价步骤：
首先，使用亮度聚集方法，对目标图像中的人脸进行定位，如果定位不到，说明目前的目标图像校暗，曝光不足；如果可以定位到，再对目标图像中的预设感兴趣区域内的灰度值进行计算，取灰度均值与设定的标准值比较，大于该值，说明过曝。
优选地，光电控制***，还用于在控制启动需要打开的光源层中要打开的具体方位光源模块的同时，通过该光源模块上的温度传感器，获取该光源模块上导热板表面的温度，当导热板表面的温度大于预设阈值时，控制启动导热板上安装的散热风扇；
光电控制***，还用于在控制启动所述散热风扇后，如果光源模块上的温度传感器测量的温度值没有下降时，通过散热风扇上的电机控制器，控制散热风扇增大工作电流，进而增大散热功率；
每个温度传感器，与光电控制***相连接，用于检测其所安装的光源模块中导热板表面的温度，然后发送给光电控制***。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种自适应光源装置，其设计科学，可以有效解决复杂场景中虹膜成像补光难题，满足远距离、不同方位、不同身高和多目标的补光要求，增强虹膜成像、采集或识别产品或***的补光能力，提升交互体验。
附图说明
图1是本发明提供的一种自适应光源装置中，任意一个光源模块的结构示意图；
图2a是本发明提供的一种自适应光源装置，第一层光源的透镜角度为20度时的光场分布的示意图；
图2b是本发明提供的一种自适应光源装置，第二层光源的透镜角度为30度时的光场分布的示意图；
图2c是本发明提供的一种自适应光源装置，第三层光源的透镜角度为45度时的光场分布的示意图；
图3是本发明提供的一种自适应光源装置对不同距离身高适应的示意图；
图4是本发明提供的一种自适应光源装置的整体示意图；
图5是本发明提供的一种自适应光源装置的控制流程示意图；
图6是本发明提供的一种自适应光源装置，进行全向扩展与群体补光的示意图；
图7是本发明提供的一种自适应光源装置设备的一种实施例的应用示意图；
图8是本发明提供的一种自适应光源装置的目标信息示意图；
图9为目标方位角的正角度和负角度的示意图；
图中，1为光源模块，2为光源基板，3为光电控制***，4为基板支撑架；
11为灯珠板，12为灯珠透镜，13为透镜盖板，14为上倾斜连接件，15为下倾斜连接件；
161为导热板，162为散热片，163为散热风扇；
17为温度传感器，18为Z形支架，19为灯珠板驱动器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定安装，也可以是可拆卸安装。
对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参见图1至图9，本发明提供了一种自适应光源装置，包括多层光源；
每层光源，包括多个光源模块1、一个光源基板2和一个光电控制***3；
其中，每个光源模块1包括灯珠板11；
灯珠板11的前侧面，安装有多个近红外灯珠；
灯珠板11的正前方，间隔地固定连接有透镜盖板13(例如通过盲孔压铆螺柱和螺钉)；
透镜盖板13上，在与所述灯珠板11上的多个近红外灯珠正前方的位置，分别对应安装有多个灯珠透镜12；
透镜盖板13的上下两端，分别固定连接有上倾斜连接件14和下倾斜连接件15；
每层光源中的光源模块1具有的上倾斜连接件14和下倾斜连接件15，斜面角度相同(即与水平面的夹角)；
灯珠板11的后侧面，固定设置有导热板161(例如通过导热硅胶)；
导热板161的后侧面，固定设置有多个散热片162；
多个散热片162的后侧，安装有散热风扇163；
导热板161的后侧面，还固定设置有温度传感器17(例如通过导热硅胶)；
上倾斜连接件14的后侧面，固定连接有Z形支架18；
Z形支架18的主体部分，位于散热风扇163的后方；
Z形支架18的后侧面，固定连接有灯珠板驱动器19(例如通过铜螺柱)；
其中，对于每层光源，多个光源模块1呈预设形状(具体包括半圆形、弧形或者圆形)固定在同一个光源基板2顶部的侧边上；例如可以为：多个光源模块1呈半圆形分布，并且每个光源模块1中的Z形支架18底部固定连接同一个光源基板2顶部的前侧侧边上。
其中，多层光源中的光源基板2，垂直贯穿设置有多个基板支撑架4(具体可以为三个)，并通过基板支撑架4固定连接在一起。
需要说明的是，基板支撑架4为相邻层光源间的主要连接件，每层三个，上下端有定位螺纹孔，连接时通过光源基板2上的支撑定位槽进行定位安装。
在本发明中，具体实现上，透镜盖板13上用于容纳所述灯珠透镜12的定位阶梯孔，与灯珠透镜12对应灯珠同心。
在本发明中，具体实现上，灯珠板11为铝基板，功率40W，850nm近红外，有8个5W灯珠，使用四串两并方式，防止电流过高烧坏驱动器，防止电压不足。
需要说明的是，对于本发明的装置，采用模块化设计，可自由组合，每个光源模块中包含的每个灯珠数量、功率等均可按照情况专门设计，独立控制；每层光源相互独立，可以根据需求对每层独立设计，多层叠加配合使用。
在本发明中，具体实现上，导热板161为铜板，通过导热硅胶固定在灯珠板11上。由于灯珠板11上部没有散热片和主动散热风扇，随着工作时间的延长，热量会不断积累，最终导致灯珠烧坏，增加导热板161，可以将上部热量迅速导至下部，使灯珠板11基本达到热平衡，保证安全工作，延长使用寿命。
在本发明中，具体实现上，温度传感器17为金属贴片式温度传感器，使用高温胶(具体为导热硅胶)固定在导热板161上，用于实时监测光源模块的温度变化(具体是监测所接触的导热板161的温度变化)。
具体实现上，温度传感器17可以通过光电控制***中的控制器模拟量输入端口上传至外部的数据处理平台和上位机。
在本发明中，具体实现上，散热片162和散热风扇163是为了进一步增强光源模块1的散热能力；散热片162和散热风扇163作为导热散热部分，均使用导热硅胶固定，散热风扇为163常闭状态，根据温度传感器17的动作而相应启动。
在本发明中，具体实现上，灯珠透镜12主要用于实现灯光聚集；灯珠透镜12有多种角度，每一层光源中的每个光源模块1具有的灯珠透镜12的角度相同；
其中，当本发明的自适应光源装置包括三层光源时，第一层光源中的每个灯珠透镜12的角度为20°，第二层光源中每个灯珠透镜12的角度为30°，第三层光源中每个灯珠透镜12的角度为45°。透镜的角度越小，越聚光，可照射的距离的就越远；具体参见图2a至图2c所示。
需要说明的是，灯珠透镜的角度，是指灯珠在点亮后发光范围的大小,即光束角。
在本发明中，具体实现上，透镜盖板13用于将灯珠透镜12定位和固定，透镜盖板13为铝合金材质，通过盲孔压铆螺柱和螺钉与灯珠板11连接，用于使灯珠透镜12固定，透镜盖板13上用于固定灯珠透镜12的定位阶梯孔与灯珠同心。
在本发明中，具体实现上，上倾斜连接件14和下倾斜连接件15为本发明装置的关键部分，通过不同的倾斜角度(即与水平面的夹角)与身高相适应，每一层光源中的上倾斜连接件14和下倾斜连接件15的斜面角度相同。
具体实现上，当本发明的自适应光源装置包括三层光源时，第一层光源中的上倾斜连接件14和下倾斜连接件15的斜面角度为8°；
第二层光源中的上倾斜连接件14和下倾斜连接件15的斜面角度为14°；
第三层光源中的上倾斜连接件14和下倾斜连接件15的斜面角度为20°；
其中，每一层光源包括的光源模块1的倾角(具体包括透镜盖板13的倾角、灯珠板11以及导热板161的倾角，这三个部件的倾角都相同)，与该层光源包括的上倾斜连接件14和下倾斜连接件15的斜面角度一致。
需要说明的是，对于每个光源模块，上倾斜连接件14和下倾斜连接件15，成对使用，角度相同；上倾斜连接件14和下倾斜连接件15的斜面角度，根据安装高度、灯珠透镜角度和目标高度范围决定，若多层时，可以有多种角度。
需要说明的是，对于本发明，光源模块1的功率、角度等可调，呈半圆形分布，根据需求，也可以是弧形或圆形，可以为虹膜成像提供单向、任意大视场或全向理想的近红外光照条件，满足复杂虹膜成像光照要求；
在本发明中，具体实现上，Z形支架18主要通过螺钉将光源模块1固定在光源基板2上，Z形支架18上通过铜螺柱固定有灯珠板驱动器19。
在本发明中，具体实现上，灯珠板驱动器19为恒流驱动器，电压8.5V，电流2.5A，灯珠板驱动器19的输出端与灯珠板11连接，灯珠板驱动器19的输入端与光电控制***3的输出端连接。
在本发明中，具体实现上，光源基板2为本发明装置的另一关键部件，每一层光源包括的光源模块1都通过螺钉固定在光源基板2的前侧侧边上，光电控制***3固定在光源基板2上面。
需要说明的是，对于本发明，具体实现上，光源基板2外接圆的直径为0.5m，在光源模块安装时必须避免上部干涉，控制电压为24V，两个光源模块之间的夹角为15°，最大可覆盖半圆形视场区域。在安装时，需要先安装好各个光源模块1，然后将光源模块1固定在光源基板2上，最后通过基板支撑架4将各层连接。如果需要改变某个光源层的倾斜角度，只需要更换倾斜连接件即可。
在本发明中，具体实现上，在同一光源基板2上的任意相邻的两个光源模块1之间的夹角为15°。
在本发明中，具体实现上，光电控制***3，用于通过场景感知设备获取位于光源模块1前方的一个或多个目标信息，在对所述场景感知设备提供的目标信息进行计算分析后，确定需要打开的光源层以及在该光源层中要打开的具体方位的光源模块并控制启动(即打开)；
光电控制***3，还用于在控制启动需要打开的光源层中要打开的具体方位光源模块之后，通过虹膜相机获取目标的虹膜图像，然后对虹膜图像的曝光度进行评价，当过曝或者曝光度不足的时候，发送电流控制信号给所述灯珠板驱动器19，对应控制所述要打开的具体方位光源模块上安装的灯珠板驱动器19减小或者增大输出电流的大小；因此，可以实现光源模块功率的自动调整，形成良好图像光照条件，使得图像达到理想状态。
需要说明的是，对于本发明的技术方案，重点是光源结构，场景感知设备并没有明确的要求，基本都是采用已有的设备，本发明的场景感知设备，在测试中使用较多的是Stereolabs公司生产的第二代ZED双目3D设备，但不局限于此，根据检测距离、精度要求，也可以使用Kinect、Intell、图漾等公司的3D产品，可以是双目，也可以结构光或TOF。
在本发明中，场景感知设备的作用是：从点云中获取目标的3D坐标信息(一般取人脸的中心点作为目标的3D坐标)，然后计算目标距离、目标方位角、目标高度，从而光电控制***3根据场景感知设备计算出的结果打开相应光源。其中，需要说明的是，3D设备(即场景感知设备)得到的数据就是点云数据，很多的3D点就是点云。
对于本发明，具体实现上，场景感知设备获得的目标信息，具体包括：目标3D坐标、目标距离、目标方位角和目标高度(或者称为人的身高)。
其中，目标距离、目标方位角和目标高度等参数，都可以根据坐标计算出来。参见图8所示，具体为：设目标M的3D坐标为(x，y，z)，则目标距离(即当前目标到设备距离)
目标方位角α＝arctan(x/z)，鉴于感知设备的安装高度h已知，则目标高度(即人身高)H＝h-y(3D设备的y轴坐标一般是向下为正，否则应该加y)。
参见图8所示，图8是本发明提供的一种自适应光源装置的目标信息示意图；需要说明的是，根据场景感知设备的3D测量原理，本发明创建O-XYZ坐标系(即场景感知设备坐标系)，在实施例中，具体使用双目ZED作为场景感知设备，对于该坐标系，其坐标原点O在ZED设备的左眼中心位置，Z轴为深度轴，垂直于ZED设备前表面向前为轴正方向(由于暗区的存在，测量距离>0.3m)；X轴为方位轴，沿设备左眼中心点与右眼中心点连线位置、以左眼指向右眼为轴正方向；Y轴为高度轴，通过原点O、垂直于XOZ平面，以垂直向下为轴正方向。目标M的坐标为脸部中心点对应的3D点坐标，目标距离S为原点O与目标M中心点连线OM的长度；设备安装高度h即为XOZ平面到水平面的距离；目标方位角α为目标M在XOZ平面的投影点M′与YOZ平面的夹角∠ZOM′；|β为目标M的俯仰角，为原点O与目标M的连线OM与XOZ平面的夹角即∠MOM′。
本发明中，具体实现上，所述光电控制***3，在对目标信息进行计算分析后，确定需要打开的光源层以及在该光源层中要打开的具体方位的光源模块，具体包括以下控制操作：
首先，光电控制***3根据目标信息中的目标距离，以及根据预先存储的多个不同目标距离S与不同光源层的编号的对应关系，确定需要打开的光源层，即确定打开哪一层的光源(三层光源对应覆盖0～5m范围内的三段距离)；
然后，光电控制***3根据目标信息中的目标方位角，以及根据预先存储的在每个光源层中的不同光源模块编号与多个不同方位角α之间的对应关系，确定需要打开的光源层中要打开的具体方位的光源模块，然后控制启动光源模块，也就是说，根据目标方位角，确定打开该层哪一个具体方位的光源模块(每个光源层包括12个光源模块，一个光源模块对应15度的方位角，取正前方为0度)。
以上具体的操作操作，可以通过光电控制***3中计算机服务器包括的光源控制子***来实现。
此外，具体实现上，光电控制***3，还可以根据目标信息中的目标高度，判断目标高度是否位于当前需要打开的光源模块的覆盖高度(即光源模块的光场覆盖高度)范围之内，如果否，说明超出该光源模块的覆盖边界，触发打开当前需要打开的光源层对应的上一层光源层中的同方位光源模块。也就是说，光电控制***3，还根据高度判断当前需要打开的光源模块的光场是否覆盖人脸(基本都可以满足)，如果超出光源的边界，需要打开当前光源层的上一层同方位光源模块。这些都可以在程序内部进行设定。
在本发明中，具体实现上，光电控制***3包括继电器控制电路板(每一层光源对应一个继电器控制电路板)、灯珠板驱动器、RS232通信线、虹膜相机和计算机服务器；
其中，继电器控制电路板，通过电源线与灯珠板驱动器连接(供电)，并使用RS232通信线与计算机服务器连接；
灯珠板驱动器，也通过RS232通信线与计算机服务器连接；
计算机服务器通过USB串口发送指令，使继电器控制电路板中的相应继电器打开，从而为灯珠板驱动器供电；
需要说明的是，继电器控制电路板，为现有公知的常规电路板，在此不再赘述。
具体实现上，计算机服务器，具体用于触发虹膜相机(具体可以安装在光源层的正上方，如图7所示)来采集一帧目标图像，通过目标图像的灰度值判断当前目标图像的亮度，若过曝或曝光不足(评判标准根据要求确定)，通过USB串口向灯珠板驱动器发送指令，使灯珠板驱动器输出电流做相应调节，即过曝时减小输出电流，曝光不足时增大输出电流。
需要说明的是，对于本发明，使用虹膜相机获取目标的虹膜图像。
在本发明中，具体实现上，所述光电控制***3，对虹膜图像的曝光度进行评价，具体包括以下的评价步骤：
首先，使用亮度聚集方法(该方法是现有公知的方法)，对目标图像中的人脸进行定位，如果定位不到，说明目前的目标图像校暗，曝光不足；如果可以定位到，再对目标图像中的预设ROI目标区域(即感兴趣区域)内的灰度值进行计算，取灰度均值与设定的标准值(可以设置为125，具体可根据实际情况调整)比较，大于该值，说明过曝。
需要说明的是，ROI(region of interest)，感兴趣区域。机器视觉、图像处理中，从被处理的图像以方框、圆、椭圆、不规则多边形等方式勾勒出需要处理的区域，称为感兴趣区域。
具体实现上，光电控制***3，还用于在控制启动需要打开的光源层中要打开的具体方位光源模块的同时，通过该光源模块上的温度传感器17，获取该光源模块上导热板161表面的温度，当导热板161表面的温度大于预设阈值时，控制启动导热板161上安装的散热风扇163；这些控制操作，具体可以是光电控制***中的计算机服务器包括的散热控制子***来实现，散热控制子***与前面所述的光源控制子***相连接。
每个温度传感器17，与光电控制***3相连接，用于检测其所安装的光源模块1中导热板161表面的温度，然后发送给光电控制***3。
因此，对于本发明的光源模块，其散热强度和散热时间可以自主调控，实现热平衡，满足长时间工作要求。
需要说明的是，光电控制***3包括的计算机服务器(包括光源控制子***和散热控制子***)，其上设计的软件内部有温度检测的同步线程，光电控制***3可以通过模拟信号采集卡实时地从温度传感器17读取到相应光源模块的温度值(模拟量输入端口已经与光源模块ID对应)；散热风扇163的电机控制器电源线与24V稳压电源连接，其控制端通过RS232通信线与计算机服务器的USB端口连接；当温度值大于阈值时，上位机或程序向散热风扇163的电机控制器发送指令，散热风扇163的电机控制器将根据指令向风扇供电，即打开风扇(为实现节能，刚启动时都是1级风速，共分为64级，级数越高，风速越大)；当检测到散热风扇已打开而温度仍不断上升时，作为上位机的计算机服务器将发送指令，使散热风扇163的电机控制器的输出电流增大，即风速增大，实现自适应散热；当温度低于阈值后，控制散热风扇163的电机控制器断开供电，散热停止。
需要说明的是，对于本发明，光电控制***3，首先根据场景感知设备感知的目标信息(即感知结果)，通过场景感知设备来计算提供目标的目标距离、目标方位和目标高度信息，然后光电控制***3中的光源控制子***基于分析结果，可以通过继电器控制电路板控制灯珠板驱动器19的动作和输出电流；散热控制子***监测到光源模块的温度大于预设温度阈值时，控制散热风扇启动和电流大小，进而控制散热强度，直至温度小于预设温度阈值，停止主动散热(即控制关闭散热风扇163)，若散热时温度仍上升，则按预设不断增大电流；
具体实现上，光电控制***3(具体是其中的散热控制子***)，还用于在控制启动所述散热风扇163后，如果该具体方位光源模块上的温度传感器17测量的温度值没有下降时，通过散热风扇163上的电机控制器(例如直流调速器)，控制散热风扇163增大工作电流，进而增大散热功率。
在本发明中，光电控制***包括的继电器控制电路板是具有12口输入、24口输出的控制板，其中，COM1～COM12口依次与灯珠板驱动器输入端连接，COM13～COM24口依次与散热风扇上的直流调速器(即电机控制器)调节端连接，I0.0～I1.0模拟量输入端与温度传感器连接，光电控制***3包括的三个继电器控制电路板(每个光源层对应一个继电器控制电路板)的ID为ID0～ID2，通过RS232通信线与外部的数据处理平台(例如工控机或者服务器)连接。
需要说明的是，对于本发明，根据自适应装置的光场分布情况，在使用时会出现一定的暗区和亮区，暗区为单独一个模块在一定距离某位置的照亮区域，相邻两个模块在同一位置下的叠加照亮区域即为亮区，该区域(即亮区)的亮度通过叠加加强，明显高于暗区亮度。灯珠透镜角度越大，加强区域越大。具体参见图2a至图2c所示。
对于本发明，如图4所示，本发明的自适应光源装置包括三层光源，其中，每一层光源基本都可以覆盖0.8～2.2m身高范围，第一层光源主要应对0.5～2.0m，第二层光源主要应对2.0m～3.5m，第三层光源主要应对3.5m～5.0m。在满足人眼安全条件下，实际使用时，光源的控制策略会有所变化。光源模块的编号为id0-0～id0-11，id1-0～id1-11和id2-0～id2-11。
需要说明的是，如图3所示，每一层光源覆盖的目标身高范围，主要与光源模块的倾斜角度、光源安装高度和使用的灯珠透镜的发光角度有关。只要安装的太高或太低都可以适应。
其中，对位于最上方的第三层光源，倾斜20°，1.25m安装高度，45°发光角，1m时的发光面，中心高
覆盖1.2～2.0m；
对于第二层光源，倾斜14°，1.05m安装高度，30°发光角，3m时的发光面的中心高及半径，具体如下：
对于第一层光源，倾斜8°，0.95m安装高度，20°发光角，4m时的发光面的中心高及半径
覆盖0.807～2.217m；
以上，仅是理论上每一层光源的中心光斑的覆盖范围，实际中光会发散、模块上的灯珠是按矩形布置，这些都会影响光源覆盖范围。具体实现上，三层光源分别的高度，可以根据光源模块大小和倾斜角度确定；整体的安装高度，需要以覆盖正常人身高(1.1～2.0m)为目标。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面说明本发明的工作原理。
参见图5所示，当本发明装置启动时，第一步，初始化场景感知设备、控制端口，然后开始3D数据流和散热控制子***线程。场景感知设备不断获取场景信息，当检测到场景中存在一个目标M时，场景感知设备根据2D人脸中心点像素坐标从点云中获取目标的人脸3D坐标，目标的人脸3D坐标设为(x，y，z)，参见图8所示的目标信息示意图，计算目标距离S
目标方位角α(α＝arc tan(x/z)，正前方为0°，场景感知设备的正前方左边的角度为正，正前方右边的角度为负，参见图9所示)和目标高度H(即目标身高，H＝h-y，h为场景感知设备的安装高度)；
如前所述，对于本发明，场景感知设备获得的目标信息，具体包括：目标3D坐标、目标距离、目标方位角和目标高度(或者称为人的身高)。
具体实现上，人脸检测使用的是基于Haar特征的cascade分类器，可以采用现有的优化之后的人脸检测算法。定位到人脸后，主要是获取到人脸中心点三维坐标，再根据坐标计算距离、方位角，甚至俯仰角。
其中，需要说明的是，3D设备(即场景感知设备)得到的数据就是点云数据，很多的3D点就是点云。
第二步，光电控制***根据目标距离S，以及根据预先存储的多个不同目标距离S与不同光源层的编号的对应关系，以及预先存储的在每个光源层中的不同光源模块编号与多个不同方位角α之间的对应关系，确定需要打开的光源层以及在该光源层中要打开的具体方位的光源模块，然后控制打开；
在第二步中，具体可以根据目标距离S，通过查数据表的方式，确定打开的层IDx(S∈[0.5，2.0)，x＝0；S∈[2.0，3.5)，x＝1；S∈[3.5，5.0]，x＝2)，然后通过α确定该层的光源模块idx-y。该数据表中，预先存储有多个不同目标S与不同光源层的编号的对应关系，以及预先存储有在每个光源层中的不同光源模块编号与多个不同方位角α之间的对应关系。
具体实现上，以左侧光源模块为例：
当α∈(-7.5°，7.5°)，光源模块id为idx-5和idx-6；
当α∈[7.5°，22.5°)，光源模块id为idx-4和idx-5；
当α∈[22.5°，37.5°)，光源模块id为idx-3和idx-4；
当α∈[37.5°，52.5°)，光源模块id为idx-2和idx-3；
当α∈[52.5°，67.5°)，光源模块id为idx-1和idx-2；
当α∈[67.5°，82.5°)，光源模块id为idx-0和idx-1；
当α∈[82.5°，90.0°]，光源模块id为idx-0；
如果α＜0，则同理可以确定需要打开对应的右侧光源模块(以正前方分界线为轴，每层分为或成为左侧光源模块和右侧光源模块，每侧6个模块)。
在上面操作中，同时打开两个光源模块，是因为相邻光源模块可以形成区域光强增强，有助于提高虹膜质量。这样无论目标处于场景中的任何位置，通过控制本发明都可以很好地进行补光。最后只需通过光电控制***3控制打开相应光源模块，即上位机可以预先将仿真Modbus协议指令通过RS232发送给光电控制***3。
在第二步中，光电控制***还根据目标高度H，判断目标是否在需要打开的光源模块具有的预设红外光场范围内(此主要为了防止极端情况的出现)，如果否，说明在光场范围之外，这时候，光电控制***会发出语音交互(例如发出一段提示语音)，指导目标适当调整身高(例如下蹲一段距离)；
第三步，在光源调整完毕后，光电控制***通过虹膜相机开始获取虹膜图像，在处理的同时，对虹膜图像曝光度进行评价，如果过曝或曝光不足，可以通过光电控制***3相应发送控制信号给第二步确定打开的光源模块1上的灯珠板驱动器19，减小或增大灯珠板驱动器19的输出电流大小，以使图像质量达到理想状态。
此外，对于本发明，具体实现上，在本发明的装置启动的时候，散热控制线程同步运行，每个光源模块的散热独立控制。具体操作如下：
首先，通过光电控制***中的散热控制子***，从温度传感器获取当前启动的光源模块的温度值(即光源模块中导热板的温度值)；
然后，光电控制***中的散热控制子***，将当前温度值与预设温度阈值比较，若大于阈值，本光源模块对应的散热风扇启动，等待预设时长(例如5s)后，再次从温度传感器获取一个新温度值，判断该新温度值与上一个温度点的关系；若小于(即5s后)，则当前启动的光源模块的温度下降，则继续判断该新温度值与阈值关系，若大于预设阈值，则按当前功率继续进行散热，每隔预设时长(例如5s)后重复上述操作；
其中，若小于预设温度阈值，说明温度已降至正常安全范围，则散热控制子***控制关闭散热风扇。如果散热风扇启动后，在预设时长(例如5s)后获取的温度值并没有下降，说明当前启动的光源模块发热严重，散热控制子***将通过控制散热风扇的直流调速器(即电机控制器)，增大散热风扇功率，加速散热。
对于本发明，具体实现上，当场景中有多个目标时，可以依照上面的方法对多个目标依次补光成像，也可以同时打开相应方位光源模块补光，满足多目标虹膜成像与识别补光要求。
需要说明的是，对于本发明，对于行进中虹膜识别，可以根据场景感知设备的实时信息反馈，不断调整光源模块的启闭(不同层、不同方位)，实现跟踪适应与补光，不仅能够满足不同方位行进中识别补光要求，也可以满足复杂行进中虹膜识别补光要求。
目前，激光安全标准IEC60825-1中规定了眼睛区域(包括视网膜)所能承受的最大辐射照度(MPE：Maximum Permissible Exposure)，由标准得MPE的计算公式为：
MPE＝18×t0.75×C4×C6(J/m2)；
单位时间的光强即光功率EMPE为：
EMPE＝MPE/t＝1.8×t-0.25×C4×C6(mw/cm2)；
上式中，t为照射的时间，C4为光纤的波长修正因子，C6为辐射角度修正因子，和极限对向角α(表观光源对于测量点所张的视角)有关系，定义为：
具体实现上，本发明的光源模块便用850nm近红外灯珠，则C4＝100.002(λ-700)＝100.002×(850-700)≈0.2。虹膜成像与识别时间在3s，则安全的最大光功率范围[2.7mw/cm2，6.7mw/cm2]，极限对向角在[1.5mrad，11.2mrad]时，最大光功率与极限对向角呈线性关系。经光功率计设备测试，本发明装置中的光源模块在0.5m处的光功率约0.245mw/cm2，远距离处光功率＜90uw/cm2(0.09mw/cm2)，远在安全范围之内，不会对人眼造成损伤。
基于以上技术方案可知，本发明装置整体采用模块化设计，可重构性强，便于拆解、安装、维护与扩展，制造成本低，可控性强，可以满足复杂环境下虹膜成像与识别要求，可推动虹膜识别技术在复杂场景下的应用。
需要说明的是，对于本发明，该装置采用模块化设计，可自由组合，模块中包含的每个灯珠数量、功率等均可按照情况专门设计，独立控制；每层相互独立，可以根据需求对每层独立设计，多层叠加配合使用。
对于本发明，本发明的装置可以满足复杂环境(不同距离、不同方位、不同身高、多目标)下虹膜成像对近红外装置的补光要求，能够自动调整光源方位、强度，可以实现多目标同时补光，散热性能良好，模块化设计，可重构性强，安装、维护方便，制造成本低。
与现有技术相比较，本发明提供的自适应光源装置，具有如下有益效果：
1、本发明的装置覆盖视场大。身高全覆盖，方位角度可达±90°，扩展组合后可实现±180°全向视场补光。
2、身高自适应。本发明的装置可以根据场景感知设备反馈，自动调整光源以适应不同身高目标或移动中相对高度变化的目标。
3、方位自适应。本发明的装置可以根据场景感知设备反馈，自动控制相应方位的光源。
4、本发明的装置的硬件可重构。模块化设计，可根据需要自由调整，可重构性强，便于安装、维护与扩展。
基于以上技术方案可知，对于本发明，其能够解决远距离、多目标、多方位等复杂环境下虹膜识别补光问题，自动适应身高，自动调整角度和光强，结构紧凑，模块化设计可重构，便于扩展和维护，散热能力强，装置寿命长，提升交互体验，拓展虹膜识别技术的应用场景和范围。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种自适应光源装置，其设计科学，可以有效解决复杂场景中虹膜成像补光难题，满足远距离、不同方位、不同身高和多目标的补光要求，增强虹膜成像、采集或识别产品或***的补光能力，提升交互体验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自适应光源装置，其特征在于，包括多层光源；
每层光源，包括多个光源模块(1)、一个光源基板(2)和一个光电控制***(3)；
其中，每个光源模块(1)包括灯珠板(11)；
灯珠板(11)的前侧面，安装有多个近红外灯珠；
灯珠板(11)的正前方，间隔地固定连接有透镜盖板(13)；
透镜盖板(13)上，在与所述灯珠板(11)上的多个近红外灯珠正前方的位置，分别对应安装有多个灯珠透镜(12)；
透镜盖板(13)的上下两端，分别固定连接有上倾斜连接件(14)和下倾斜连接件(15)；
每层光源中的光源模块(1)具有的上倾斜连接件(14)和下倾斜连接件(15)，斜面角度相同；
灯珠板(11)的后侧面，固定设置有导热板(161)；
导热板(161)的后侧面，固定设置有多个散热片(162)；
多个散热片(162)的后侧，安装有散热风扇(163)；
导热板(161)的后侧面，还固定设置有温度传感器(17)；
上倾斜连接件(14)的后侧面，固定连接有Z形支架(18)；
Z形支架(18)的主体部分，位于散热风扇(163)的后方；
Z形支架(18)的后侧面，固定连接有灯珠板驱动器(19)；
其中，对于每层光源，多个光源模块(1)呈预设形状固定在同一个光源基板(2)顶部的侧边上；
其中，多层光源中的光源基板(2)，垂直贯穿设置有多个基板支撑架(4)，并通过基板支撑架(4)固定连接在一起；
光电控制***(3)，用于通过场景感知设备获取位于光源模块(1)前方的一个或多个目标信息，在对所述场景感知设备提供的目标信息进行计算分析后，确定需要打开的光源层以及在该光源层中要打开的具体方位的光源模块并控制启动。
2.如权利要求1所述的自适应光源装置，其特征在于，多个光源模块(1)呈半圆形分布，并且每个光源模块(1)中的Z形支架(18)底部固定连接同一个光源基板(2)顶部的前侧侧边上；
灯珠透镜(12)用于实现灯光聚集；
每一层光源中的每个光源模块(1)具有的灯珠透镜(12)的角度相同。
3.如权利要求2所述的自适应光源装置，其特征在于，当所述自适应光源装置包括三层光源时，第一层光源中的每个灯珠透镜(12)的角度为20°，第二层光源中每个灯珠透镜(12)的角度为30°，第三层光源中每个灯珠透镜(12)的角度为45°。
4.如权利要求1所述的自适应光源装置，其特征在于，当所述自适应光源装置包括三层光源时，第一层光源中的上倾斜连接件(14)和下倾斜连接件(15)的斜面角度为8°；
第二层光源中的上倾斜连接件(14)和下倾斜连接件(15)的斜面角度为14°；
第三层光源中的上倾斜连接件(14)和下倾斜连接件(15)的斜面角度为20°；
其中，每一层光源包括的光源模块(1)的倾角，与该层光源包括的上倾斜连接件(14)和下倾斜连接件(15)的斜面角度一致；该光源模块(1)的倾角具体包括透镜盖板(13)的倾角、灯珠板(11)以及导热板(161)的倾角。
5.如权利要求1所述的自适应光源装置，其特征在于，在同一光源基板(2)上的任意相邻的两个光源模块(1)之间的夹角为15°。
6.如权利要求1所述的自适应光源装置，其特征在于，场景感知设备获得的目标信息，具体包括：目标3D坐标、目标距离、目标方位角和目标高度；
所述光电控制***(3)，在对目标信息进行计算分析后，确定需要打开的光源层以及在该光源层中要打开的具体方位的光源模块，具体包括以下控制操作：
首先，光电控制***(3)根据目标信息中的目标距离，以及根据预先存储的多个不同目标距离与不同光源层的编号的对应关系，确定需要打开的光源层；
然后，光电控制***(3)根据目标信息中的目标方位角，以及根据预先存储的在每个光源层中的不同光源模块编号与多个不同方位角之间的对应关系，确定需要打开的光源层中要打开的具体方位的光源模块，然后控制启动光源模块。
7.如权利要求6所述的自适应光源装置，其特征在于，光电控制***(3)，还用于在控制启动需要打开的光源层中要打开的具体方位光源模块之后，通过虹膜相机获取目标的虹膜图像，然后对虹膜图像的曝光度进行评价，当过曝或者曝光度不足的时候，发送电流控制信号给所述要打开的具体方位光源模块上安装的灯珠板驱动器(19)，对应控制所述灯珠板驱动器(19)减小或者增大输出电流的大小。
8.如权利要求7所述的自适应光源装置，其特征在于，所述光电控制***(3)，对虹膜图像的曝光度进行评价，具体包括以下的评价步骤：
首先，使用亮度聚集方法，对目标图像中的人脸进行定位，如果定位不到，说明目前的目标图像校暗，曝光不足；如果可以定位到，再对目标图像中的预设感兴趣区域内的灰度值进行计算，取灰度均值与设定的标准值比较，大于该值，说明过曝。
9.如权利要求6所述的自适应光源装置，其特征在于，光电控制***(3)，还用于在控制启动需要打开的光源层中要打开的具体方位光源模块的同时，通过该光源模块上的温度传感器(17)，获取该光源模块上导热板(161)表面的温度，当导热板(161)表面的温度大于预设阈值时，控制启动导热板(161)上安装的散热风扇(163)；
光电控制***(3)，还用于在控制启动所述散热风扇(163)后，如果光源模块上的温度传感器(173)测量的温度值没有下降时，通过散热风扇(163)上的电机控制器，控制散热风扇(163)增大工作电流，进而增大散热功率；
每个温度传感器(17)，与光电控制***(3)相连接，用于检测其所安装的光源模块(1)中导热板(161)表面的温度，然后发送给光电控制***(3)。
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| GR01 | Patent grant | ||
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