JP6064354B2 - 調光システム - Google Patents

Description

本発明は、照明器具の調光技術に関する。

従来、室内の明るさを適度な明るさに維持するために、室内照明の照明器具を室内の明るさに応じて調光する調光技術が知られている。この調光技術として、例えば天井に照度センサを配置し、照明器具が照明する対象領域（例えば床面）からの反射光を照度センサで検知し、この検知結果に基づいて照明器具を調光する技術がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２０１１−８１９８２号公報 特開２００２−７５６６８号公報

しかしながら、例えば体育館や工場等の天井面が高い建物では、天井面の照度センサで正確な明るさが検知できず、適切な調光が行えない。すなわち、天井面が高い場合、この照度センサが検知する床面の範囲が広いことから、通常の照度センサでは、例えば床面のうちの所定範囲のみの照度を選択的に検知することができず、この所定範囲について適切な調光をすることができない。また照度センサの床面に対する検知範囲を何らかの手段を用いて限定したとしても、この検知範囲が調光対象の所定範囲と合致するように照度センサを天井面に設置することは極めて困難である。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、天井面が高い場合でも、適切な調光を実現する調光システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、天井面、及び／又は壁面に、各々の照射範囲の一部を重ならせて配置された複数の照明器具と、広角レンズを通じて前記複数の照明器具の全ての照射範囲を撮影範囲に含めて継続的に撮影する撮影装置と、前記撮影装置の撮影画像に生じた前記広角レンズに起因した歪みを補正する手段と、歪みが補正された前記撮影画像を時系列に比較して、時系列的に変化する明るさ成分を除いて前記全ての照射範囲の明るさ分布を特定し、当該明るさ分布に基づいて、前記全ての照射範囲から成る範囲内に設定された対象エリアごとに、当該対象エリアを照明する１又は複数の照明器具を調光する手段と、を備えることを特徴とする調光システムを提供する。

また本発明は、上記調光システムにおいて、前記撮影画像に含まれる高輝度箇所を除いて各照射範囲の明るさを特定することを特徴とする。

また本発明は、上記調光システムにおいて、人が感じる明るさ感を定量化するアルゴリズムに基づいて、前記撮影画像の各画素の階調を輝度に変換し、前記撮影画像内の照射範囲ごとに、当該照射範囲内の輝度と、照射範囲の外の輝度とを対比して算出し、当該明るさ感を前記照射範囲の明るさとして特定することを特徴とする。

本発明によれば、照明器具が照射する照明範囲を撮影装置で撮影し、この撮影で得られた画像に基づいて明るさを特定するため、調光対象の照明器具が照射する照射範囲の明るさを正確に検出し、この照明器具を適切に調光できる。

本発明の実施形態に係る調光システムの構成を示す概略図である。 調光システムの使用態様の説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 画像処理装置の機能的構成を示すブロック図である。 撮影画像の一例を示す模式図である。 補正画像の一例を示す模式図である。 調光システムの調光動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る調光システム１の構成を示す概略図である。
同図に示すように、調光システム１は、複数の照明器具２と、撮影カメラ４と、画像処理装置６と、制御装置８と、設定用端末装置１０と、を備えている。
照明器具２の各々は、照明対象の室空間１２を照明するものであり、この室空間１２の天井を構成する天井パネル１４の天井面１４Ａの側（室内に面する側）に、略鉛直方向直下を照射する姿勢で取り付けられる。これらの照明器具２は、制御装置８によって調光制御が可能である限りは、必ずしも同一の器具である必要はない。

撮影カメラ４は、室空間１２の明るさを検知するために設けられた撮影装置であり、上記天井面１４Ａに設置され、当該天井面１４Ａから鉛直下方向を撮影し、撮影画像Ｇ（図４参照）の画像データＤ１を画像処理装置６に出力する。
画像処理装置６は、撮影カメラ４の画像データＤ１に基づいて、室空間１２の床面２４（図２参照）の明るさを示す明るさデータＤ２を生成して制御装置８に出力する。
制御装置８は、明るさデータＤ２に基づいて照明器具２の各々に調光信号Ｄ３を出力して調光する。
設定用端末装置１０は、画像処理装置６の画像処理に係る設定値を設定・変更する装置であり、例えば有線又は無線ＬＡＮやインターネット等の電気通信ネットワーク、或いはシリアル又はパラレル通信線を通じて画像処理装置６と通信可能に設けられる。
なお、これら撮影カメラ４、画像処理装置６、制御装置８、及び設定用端末装置１０については後に詳述する。

図２は、図１に示した調光システム１を体育館２０に使用したときの使用態様の説明図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は側面図である。
この体育館２０は、図２（Ａ）に示すように、２面分のバスケットボールコート２２を並べて区画可能な広さの床面２４を有する館内空間２６を備え、調光システム１は、この館内空間２６の床面２４の明るさを制御するために用いられる。体育館２０の天井面１４Ａは、床面２４からの高さＨが、一般的に高天井と称される高さに設けられており、この天井面１４Ａに多数の照明器具２が設けられ、それぞれの照明器具２が鉛直下方向Ｘ（図２（Ｂ））に光を照射する。各照明器具２の照射範囲Ｒは床面２４に比べて狭く、隣り合う照明器具２の照射範囲Ｒの一部が床面２４で重なるように照明器具２の各々が配置されることで、床面２４の全面が照明されている。

一方、この調光システム１では、床面２４が広い館内空間２６を１台の撮影カメラ４で撮影して検知することとしている。すなわち、撮影カメラ４は、照明対象の空間である館内空間２６の天井面１４Ａにおいて平面視略中央位置に設置され、この設置位置から鉛直下方向Ｘを撮影する。前掲図１に示すように、撮影カメラ４には超広角レンズ３０が装着されている。超広角レンズ３０は、図２（Ｂ）に示すように、少なくとも床面２４の全域を撮影可能な画角αを有しており、撮影カメラ４が超広角レンズ３０を通して直下を撮影することで、照明器具２の各々の直下の照射範囲Ｒを含む撮影範囲で撮影が行われる。上記画像処理装置６は、この撮影カメラ４の撮影による画像データＤ１に基づいて明るさを検知する。
なお、超広角レンズ３０に代えて、１８０度、又はそれ以上の画角αを有する、いわゆる魚眼レンズを撮影カメラ４に装着して撮影する構成としても良い。また、超広角レンズ３０の画角αは、照明対象の室空間１２（図２の例では館内空間２６）の床面２４における照明器具２の各々の照射範囲Ｒを含む範囲が撮影できるように設定される。すなわち、照明器具２の各々の照射範囲Ｒの広さや床面２４から天井面１４Ａまでの高さＨ等の条件によって画角αは決定される。

図３は、画像処理装置６の機能的構成を示すブロック図である。
画像処理装置６は、同図に示すように、画像取得部５０と、歪み補正部５２と、明るさ分布計算部５４と、外乱成分除去部５６と、明るさデータ生成部５８と、記憶部６０と、明るさデータ出力部６２と、を備えている。この画像処理装置６は、例えばパーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータに、上記の各部の機能を実現させるソフトウェアプログラムを実行させることで実施される。

画像取得部５０は、撮影カメラ４が撮影した撮影画像Ｇの画像データＤ１を取得し、歪み補正部５２に出力する。
歪み補正部５２は、画像データＤ１に基づいて、撮影画像Ｇに生じている歪みを補正した補正画像Ｇａを生成し、明るさ分布計算部５４に出力する。更に詳述すると、撮影カメラ４は、画角αが大きな超広角レンズ３０を通して床面２４を撮影するため、図４に示すように、床面２４の全域に歪みが生じ、さらに床面２４に加えて床面２４を囲む壁面４２も撮影される。したがって、撮影画像Ｇにおいて、一定面積、及び形状のエリアＫを区画した際、この区画に対応する実際の床面２４の面積、及び区画形状は、エリアＫを区画する位置によって異なることになる。例えば、撮影画像Ｇにおいて、撮影画像Ｇの中心（撮影カメラ４の直下に対応する位置）を区画したエリアＫ１では、撮影像の歪みが少ないものの、撮影画像Ｇの中心から離れた位置（壁面４２の近傍の位置）を区画したエリアＫ２では撮影像の歪みが顕著であることから、それぞれのエリアＫ１、Ｋ２で区画される床面２４の実際の床面積、及び形状は全く相違する。したがって、仮にエリアＫ１、Ｋ２の輝度分布が同一であったとしても、床面２４の各エリアＫ１、Ｋ２に対応する領域での明るさの分布は同一ではなく、撮影画像Ｇの輝度分布から床面２４の明るさの分布を単純には求めることができない。

そこで、歪み補正部５２は、撮影カメラ４の画像データＤ１に対して歪み補正（ディストーション補正）処理を施すことで、図５に示すように、歪みを抑えた補正画像Ｇａを生成する。この補正画像Ｇａでは、エリアＫの区画位置に拘わらず、エリアＫに対応する床面２４の面積、及び形状は略一定となることから、エリアＫの輝度分布から床面２４の明るさの分布が求められるようになる。
なお、歪み補正処理においては、撮影画像Ｇの全領域の歪みが補正される必要はなく、少なくとも明るさの分布の検出対象である床面２４の範囲の歪みが補正されていれば良い。また歪み補正処理の具体的な手法には、超広角レンズ３０の歪みを補正できるものであれば任意の手法を用いることができる。

前掲図３に戻り、明るさ分布計算部５４は、補正画像Ｇａの各画素の輝度値を明るさに変換することで、補正画像Ｇａの明るさ分布を計算し、外乱成分除去部５６に出力する。このとき求められた明るさ分布が撮影カメラ４の撮影範囲内における室空間１２の撮影カメラ４からみた水平面照度分布を示すことになる。
外乱成分除去部５６は、照明器具２の光以外の外乱要因によって生じる室空間１２の明るさの変動分を、補正画像Ｇａの明るさ分布から除去して明るさデータ生成部５８に出力する。外乱要因としては、窓からの日差しや他の照明器具の発光等の障害光、室空間１２を移動する人等の障害物がある。外乱成分除去部５６は、補正画像Ｇａの中の高輝度箇所（輝度値が障害光とみなす値以上の箇所）を除去することで障害光の影響を抑える。なおかつ外乱成分除去部５６は、複数の撮影画像Ｇに基づいて各撮影画像Ｇの明るさ分布の時系列的な変動を求め、短時間の間での明るさの変動成分を除去することで過渡的な障害物の影響を抑える。これにより、障害光の影響が無く、なおかつ時系列的に略一定な明るさ分布が得られ、この明るさ分布が照明器具２の照明による明るさの分布を示すこととなる。なお、障害光とみなす輝度値、及び上記短時間をどの程度とするかは、除去すべき障害光や障害物等の外乱要因に応じて決定される。

明るさデータ生成部５８は、制御装置８が各照明器具２の調光に要する明るさデータＤ２を明るさ分布から生成し、当該制御装置８に出力する。この明るさデータＤ２は、明るさ分布から得られた室空間１２の全体の平均的な明るさを示すデータではなく、床面２４に適宜に設定された複数の対象エリアＭごとに明るさを示すものである。
詳述すると、体育館２０の館内空間２６のように、照明対象の室空間１２が広い場合、室空間１２の全体の明るさよりも、室空間１２を区画して成る対象エリアでの明るさが重要である。例えば、前掲図２に例示した体育館２０では、２面あるバスケットボールコート２２の片方のみが使用されている場合、使用中のバスケットボールコート２２での明るさが重要であり、使用されていないバスケットボールコート２２の明るさの重要性は低い。
そこで、明るさデータ生成部５８は、例えばバスケットボールコート２２の各々のエリアといったように、明るさを制御すべき対象エリアＭごとに明るさデータＤ２を生成し、それぞれの対象エリアＭごとに明るさが各個に設定された値となるようにしている。

記憶部６０は、対象エリアＭごとの調光に必要な情報を格納するものであり、補正画像Ｇａにおける個々の対象エリアＭを特定する対象エリア情報Ｉａと、対象エリアＭの個々の明るさを既定した明るさ基準値Ｉｂと、対象エリアＭを照射する一群の照明器具２を特定する照明器具グループ情報Ｉｃとを格納する。対象エリア情報Ｉａは、対象エリアＭの区画形状、大きさ、及び補正画像Ｇａにおける位置を含む情報である。
なお、記憶部６０に格納される情報は、ユーザ操作によって設定用端末装置１０から画像処理装置６に設定、及び変更される。これにより、対象エリアＭの変更や照明器具２の設置位置の変更等に応じて調光の設定が適切に変更可能になっている。また、画像処理装置６は調光に係る処理状況の記録をログファイルに格納しており、このログファイルを設定用端末装置１０から取得できるようになっている。なお、これら画像処理装置６と設定用端末装置１０とは一体に構成することもできる。

明るさデータ生成部５８が明るさデータＤ２を生成するときには、対象エリア情報Ｉａに基づいて補正画像Ｇａの中で対象エリアＭを特定し、この対象エリアＭで区画した明るさ分布から当該対象エリアＭの明るさを定量的に規定した明るさ検出値を生成する。
明るさデータ生成部５８は、この明るさ検出値と、この対象エリアＭの明るさの基準値Ｉｂと、当該対象エリアＭを照明する一群の照明器具２を規定した照明器具グループ情報Ｉｃとを明るさデータＤ２として明るさデータ出力部６２に出力する。
明るさデータ出力部６２は制御装置８への信号出力インターフェースであり、明るさデータ生成部５８の明るさデータＤ２を制御装置８に出力する。
制御装置８は、明るさデータＤ２に基づき、明るさ検出値と基準値Ｉｂの差を打ち消すように、照明器具グループ情報Ｉｃで特定される各照明器具２に調光信号Ｄ３を出力して調光する。

図６は調光システム１の調光動作を示すフローチャートである。
調光システム１では、撮影カメラ４によって室空間１２が継続的に撮影され、撮影画像Ｇの画像データＤ１が画像処理装置６に順次に出力される。画像処理装置６では、画像データＤ１を取得すると（ステップＳ１）、超広角レンズ３０に起因して撮影画像Ｇに生じた歪みを補正した補正画像Ｇａを生成し（ステップＳ２）、この補正画像Ｇａの輝度分布から明るさ分布を計算する（ステップＳ３）。
次いで画像処理装置６は、明るさ分布の中から高輝度箇所を除去し、なおかつ明るさ分布を時系列的に比較して短時間での明るさの変動成分を除去することで、障害物、及び障害光等の外乱による明るさの変動分を明るさ分布から除去し、専ら照明器具２の照明による明るさ分布を生成する（ステップＳ４）。そして、画像処理装置６は、明るさ分布を求める領域を補正画像Ｇａから対象エリアＭへ変更して、領域を対象エリアＭの限定した明るさ分布を抽出し（ステップＳ５）、この明るさ分布に基づいて対象エリアＭの明るさ検出値を算出する。この明るさ検出値は、明るさ基準値Ｉｂ、及び対象エリアＭに対応する照明器具グループ情報Ｉｃとともに明るさデータＤ２として画像処理装置６から制御装置８に出力される。
制御装置８は、対象エリアＭの明るさ基準値Ｉｂと明るさ検出値とを比較し（ステップＳ６）、両者間の差を打ち消すように照明器具グループ情報Ｉｃで特定される各照明器具２に対して調光信号Ｄ３を出力する（ステップＳ７）。
そして、室空間１２に設定された全ての対象エリアＭの各々に対して、ステップＳ５〜Ｓ７の処理が行われた場合に（ステップＳ８：ＹＥＳ）、調光システム１は、処理手順をステップＳ１に戻して調光制御を継続し（ステップＳ９：ＮＯ）、又は、調光制御が不要な場合は、そのまま処理を終了する（ステップＳ９：ＹＥＳ）。

以上説明したように、本実施形態によれば、照明器具２が照射する天井面１４Ａの直下を撮影カメラ４で撮影し、この撮影で得られた画像データＤ１に基づいて明るさを特定するため、天井面１４Ａが高い場合でも、個々の照明器具２の照射範囲Ｒの明るさを適切に特定できる。
これに加え、撮影カメラ４は、天井面１４Ａに直下に向けて設けられ、照明器具２の各々の直下の照射範囲Ｒを撮影範囲に含める超広角レンズ３０を通じて天井面１４Ａから直下方向（鉛直下方向Ｘ）を撮影する構成であるから、１つの撮影カメラ４で各照明器具２の各々の照射範囲Ｒを同時に撮影でき、設置台数を減らすことができる。設置台数が減ることで、天井面１４Ａが高い場合には施工の手間が省略できる。
さらに、この撮影で得た画像データＤ１に基づき、照射範囲Ｒごとに明るさを特定し、それぞれ毎に設定された明るさとなるように独立して照明器具２を調光できる。

また、本実施形態によれば、撮影画像Ｇに含まれる高輝度箇所、及び、時系列的に変化する明るさ成分といった障害光や障害物の影響を除いて各対象エリアＭの明るさを特定する構成としたため、対象エリアＭの明るさを正確に検知して調光できる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示したものであって、任意に変形及び応用が可能である。

上述した実施形態では、照明器具グループ情報Ｉｃで特定される複数の照明器具２が照射する対象エリアＭごとに調光する構成としたが、これに限らず、１つの照明器具２が照射する照射範囲Ｒごとに明るさを検知して調光する構成としても良い。

上述した実施形態では、体育館２０や工場設備などの高天井の建物内の照明を例示したが、これに限らず、この調光システム１は、高天井よりも天井が低い一般オフィスや居住空間を照明する照明器具の調光にも適用できる。
さらに、調光システム１の各照明器具２が直下を照明する場合を例示したが、これに限らない。例えば、プールの側の壁面から斜下方のプールを照明するサイド照明のような場合でも、照明器具２の照射範囲を撮影カメラ４が撮影することで、本発明を適用できる。勿論、天井面、及び壁面の両方に照明器具２が設けられていても良い。
また調光システム１が複数の照明器具２を備え、これらを調光する場合を例示したが、これに限らず、１つの照明器具２を対象に調光しても良い。例えば、屋外の駐車場照明では、１本の照明柱に１灯の照明器具２を設けて照明することが多々ある。この場合には、照明柱の先端等に撮影カメラ４を設置して、駐車場内の照射範囲を撮影し当該照明器具２を調光しても良い。

また上述した実施形態において、調光システム１が備える撮影カメラ４を天井面１４Ａにおいて平面視略中央位置に設置した場合を例示したが、例えば障害物の有無や、天井面１４Ａと床面２４の関係によって適宜に位置をずらして配置しても良い。
また上述した実施形態において、調光システム１が備える撮影カメラ４の台数を１台としたが、複数台を備え、それぞれが異なる範囲を対象に撮影を行い、それぞれの範囲を照射している照明器具２を調光する構成としても良い。

また上述した実施形態において、調光システム１が補正画像Ｇａの輝度分布から明るさ分布を算出する構成としたが、これに限らず、単純な明るさの分布ではなく、人が感じる明るさ感の分布を算出する構成としても良い。
詳述すると、ある対象物を人が視認したときに、この対象物の輝度が同じであっても、対象物の周辺との輝度差によって、この対象物に対して人が感じる明るさ感が異なることが知られている。そこで、例えば空間の照明デザイン等の分野では、照明器具の配置などに応じて作り出される光環境（空間の輝度分布）をシミュレーションする場合に、その光環境に対して人が感じる明るさ感を定量化して評価するといった事が行われている（例えば特開２００２−３９８５９号公報、特開２００７−２２１６５４号公報）。
そこで、画像処理装置６は、補正画像Ｇａの明るさ分布として、明るさ感の分布を生成し、この明るさ感の分布に基づいて対象エリアＭごとに所定の明るさ感（明るさ感の基準値）となるように調光する。

具体的には、人が感じる明るさ感を定量化するアルゴリズムの基本的な原理は、簡単には、上記対象物の領域と周辺領域との主要な輝度の対比量を求めるものであり、この対比量によって、対象物の輝度と周辺の輝度との相対値が示される。したがって、画像処理装置６は、補正画像Ｇａにおいて、ある対象エリアＭの明るさ感を算出する際には、補正画像Ｇａの各画素の階調値を輝度値に変換し、対象エリアＭの輝度（例えば、対象エリアＭの範囲の輝度平均値）と、対象エリアＭの周辺の各点の輝度との対比量を求め、これら対比量の積算値を求めることで明るさ感を算出する。
このように明るさ感に基づいて対象エリアＭごとに調光することで、同一の室空間１２において、調光対象の対象エリアＭの周辺に位置する他の対象エリアＭ（例えば、隣のバスケットボールコート２２）が消灯状態である等した場合でも、調光対象の対象エリアＭについて常に一定の明るさ感を維持することができる。
なお、明るさ感の算出において、外乱要因を考慮する必要がない場合には補正画像Ｇａに代えて撮影画像Ｇを用いても良い。

１ 調光システム
２ 照明器具
４ 撮影カメラ（撮影装置）
６ 画像処理装置
８ 制御装置
１２ 室空間
１４ 天井パネル
１４Ａ 天井面
２４ 床面
３０ 超広角レンズ（広角レンズ）
５０ 画像取得部
５２ 歪み補正部
５４ 明るさ分布計算部
５６ 外乱成分除去部
５８ 明るさデータ生成部
６０ 記憶部
Ｄ１ 画像データ
Ｄ２ 明るさデータ
Ｄ３ 調光信号
Ｇ 撮影画像
Ｇａ 補正画像
Ｉａ 対象エリア情報
Ｉｂ 明るさ基準値
Ｉｃ 照明器具グループ情報
Ｍ 対象エリア
Ｒ 照射範囲
Ｘ 鉛直下方向（直下）

Claims (3)

1. 天井面、及び／又は壁面に、各々の照射範囲の一部を重ならせて配置された複数の照明器具と、
   広角レンズを通じて前記複数の照明器具の全ての照射範囲を撮影範囲に含めて継続的に撮影する撮影装置と、
   前記撮影装置の撮影画像に生じた前記広角レンズに起因した歪みを補正する手段と、
   歪みが補正された前記撮影画像を時系列に比較して、時系列的に変化する明るさ成分を除いて前記全ての照射範囲の明るさ分布を特定し、当該明るさ分布に基づいて、前記全ての照射範囲から成る範囲内に設定された対象エリアごとに、当該対象エリアを照明する１又は複数の照明器具を調光する手段と、
   を備えることを特徴とする調光システム。
2. 前記撮影画像に含まれる高輝度箇所を除いて各照射範囲の明るさを特定することを特徴とする請求項１に記載の調光システム。
3. 人が感じる明るさ感を定量化するアルゴリズムに基づいて、前記撮影画像の各画素の階調を輝度に変換し、前記撮影画像内の照射範囲ごとに、当該照射範囲内の輝度と、照射範囲の外の輝度とを対比して算出し、当該明るさ感を前記照射範囲の明るさとして特定することを特徴とする請求項１又は２に記載の調光システム。

Images