ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВЕТА
LIGHTING SYSTEM AND LIGHT PROCESSING METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к осветительной системе и к способу обработки света. Такие системы и способы полезны, в частности, для создания освещенных интерьеров, а также световых эффектов при включении источников света систем.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Такие системы и способы (как описанные, например, в европейской заявке на патент 07112664.3) обработки света в интерьере, например, в комнате или в ее части, в прихожей, в транспортном средстве и т.д., обычно включают в себя расположение нескольких источников света в интерьере. Источники света излучают свет, несущий индивидуальные коды, идентифицирующие источник света. Расположение камеры в определенном для нее месте интерьера и регистрация изображений световых пятен позволяет - по идентификации индивидуальных кодов - определить, какой источник света вносит вклад в картину освещения. Световые пятна могут быть, например, освещенными областями на полу, стене или потолке. Изображение может даже включать в себя прямые световые изображения источника света. Помимо извлечения из зарегистрированных изображений индивидуальных кодов, устройство обработки сигнала может также определить одно или большее количество характеристик (таких, например, как положение источника света, интенсивность света, цветовая характеристика и т.д.), относящихся к соответствующему источнику света. Типичным применением системы и способа является создание световых эффектов и измерение следов в реальном времени.
Поскольку необходимо ввести модуляции света, то частота идентификационных кодов источников света обычно гораздо выше 1000 Гц (позволяя достичь и невидимости для глаза человека, и широкой полосы пропускания для передачи данных), при этом в известной системе требуется использование высокоскоростной камеры для распознавания кодов, а также и световых пятен от различных источников света в осветительной системе. Это приводит к высокой стоимости такого решения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение осветительной системы и способа обработки света описанного выше типа, который позволяет использовать системы недорогих камер при сохранении "встроенных" кодов, невидимых для человеческого глаза, и широкой полосы пропускания для передачи данных. Эта задача решена в осветительной системе в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения, как определено в п.1 формулы изобретения. Предложена осветительная система, содержащая множество источников света, снабженных кодирующим устройством, которое обеспечивает, чтобы свет, излученный из источников света, содержал идентификационные коды источников света, камеру, предназначенную для регистрации изображений световых пятен от света, излученного из источников света, процессор сигнала, предназначенный для извлечения из зарегистрированных изображений идентификационных кодов источников света, система характеризуется тем, что кодирующее устройство выполнено с возможностью модуляции излученного света с частотой, выше заданного высокого уровня, чтобы свет содержал "быстрые" коды, и с частотой, ниже заданного низкого уровня, чтобы свет содержал "медленные" коды. Настоящее изобретение обеспечивает осветительную систему, которая преимущественно позволяет использовать системы недорогих медленных камер для создания светового эффекта источников света и определения световых пятен от этих источников.
В варианте осуществления высокий уровень составляет 100 Гц, а низкий уровень составляет 10 Гц. Как преимущество, это позволяет модуляциям света быть практически невидимыми для человеческого глаза. Эти величины основаны на понимании того, что временная чувствительность человеческого глаза в значительной степени нелинейна. При обычных уровнях освещенности в 100-500 люкс чувствительность человеческого глаза как функция длительности световой вспышки (то есть величины, обратной частоте переключения кода) имеет очень низкую чувствительность менее 0,01 с (выше 100 Гц). Это позволяет "быстрому" коду быть невидимым. Более того, чувствительность глаза быстро уменьшается для импульсов с длительностью более 0,1 с (ниже 10 Гц) и становится равной хвосту длинного импульса низкой чувствительности. Таким образом, поскольку хвост длинного импульса до нуля не уменьшается, то зрительная система человека позволяет включение "медленных" кодов в излученный свет с достаточно малыми амплитудами, чтобы быть видимыми для камер, будучи в то же время невидимыми для глаза человека. Системы недорогих медленных камер обычно имеют частоту кадров 25-50 кадров/с, что превосходно подходит для обнаружения "медленных" кодов в изображениях световых пятен.
В соответствии с вариантом осуществления осветительная система дополнительно содержит устройство дистанционного управления, содержащее фотодатчик, предназначенный для обнаружения "быстрых" кодов, обеспечивающее быстрое взаимодействие пользователя с осветительной системой.
В варианте осуществления модуляция "медленного" кода настроена на определенный диапазон глубины, обеспечивающий возможность быть невидимым для человеческого глаза и в то же время обнаруживаемый камерой.
В варианте осуществления в световом модуле содержатся, по меньшей мере, четыре источника света, каждый из этих источников света предназначен для излучения основного цвета, а световой модуль выполнен с возможностью излучения света желательной интенсивности и с желательной цветовой характристикой (xyY), при этом, дополнительно, кодирующие устройства выполнены с возможностью включения "медленных" кодов в виде модуляции соответствующего дополнения основных цветов по интенсивности и цветовой храктеристики (xyY). Преимущественно, в соответствии с этой схемой модуляции человеческий глаз не будет видеть какой-либо разницы между (i) интенсивностью (Y) и (ii) цветовой характеристикой (xy) логических "1" и "0". Другими словами, не будет наблюдаться никакого мигания света. Более того, нет никакой необходимости использовать цветочувствительную камеру (достаточно простой черно-белой камеры) для регистрации световых пятен различных световых модулей, а кодировка/данные включена в соответствующую составляющую основных цветов в точке xyY. Единственным требованием является то, что камера/датчик имеет зависимую от длины волны характеристику, отличную от Vλ, так чтобы логическая "1" и логический "0" давали различный уровень выходного сигнала. Этот случай обычных камер и фотодатчиков. Когда используется цветная камера/датчик, дополнительно можно будет измерять цвет светового пятна.
В варианте осуществления настоящего изобретения кодирующее устройство 20 выполнено с возможностью включения "быстрых" кодов и "медленных" кодов с использованием техники расширения спектра. Это позволяет, как преимущество, обнаруживать "быстрые" коды и "медленные" коды без вредного взаимодействия между ними.
В соответствии со вторым вариантом согласно настоящему изобретению предложен световой модуль, содержащий множество источников света, снабженных кодирующим устройством, которое обеспечивает, чтобы свет, излученный источниками света, содержал идентификационные коды источников света, модуль характеризуется тем, что кодирующее устройство выполнено с возможностью модуляции излученного света с частотой, выше заданного высокого уровня, чтобы свет содержал "быстрые" коды, и с частотой, ниже заданного низкого уровня, чтобы свет содержал "медленные" коды.
В соответствии с третьим вариантом изобретения предложен способ обработки света, исходящего из осветительной системы в интерьере, при этом осветительная система содержит множество источников света, содержащий этапы, на которых (i) возбуждают источники света для излучения света, образующего световые пятна, (ii) внедряют идентификационные коды источников света в излученный свет, (iii) располагают камеру в интерьере, позволяя ей регистрировать световые пятна, (iv) извлекают из зарегистрированных изображений идентификационные коды источников света и (v) внедряют идентификационные коды источников света в излученный свет в виде "быстрых" кодов с частотой выше заданного высокого уровня, и в виде "медленных" кодов с частотой ниже заданного низкого уровня.
Эти и другие варианты изобретения станут очевидны и будут пояснены со ссылками на описанные далее варианты осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные детали, признаки и преимущества изобретения раскрыты в следующем описании иллюстративных и предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает вариант осуществления осветительной системы, установленной в интерьере;
Фиг. 2 - вариант осуществления кодирующего устройства для генерации "быстрых" и "медленных" кодов в свете, излученном из источников света;
Фиг. 3 - вариант осуществления осветительной системы;
Фиг. 4 - схема модуляции, внедряющая "быстрые" коды в свет, излученный посредством источников света;
Фиг. 5 - схема модуляции, внедряющая "медленные" коды в свет, излученный посредством источников света.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан интерьер 200, в данном случае комната, с установленной осветительной системой 100. Осветительная система содержит множество источников 10 света, снабженных кодирующими устройствами 20 (фиг. 2), которые обеспечивают, чтобы свет, излученный из источников света, содержал идентификационные коды источников света. Источником света могут быть, например, газоразрядные лампы высокого/низкого давления, органические/неорганические светодиоды или лазерные диоды. Возможно несколько источников 10 света могут быть объединены в световой модуль 30. Осветительная система дополнительно содержит размещенную в интерьере 200 камеру 40, позволяя ей регистрировать изображения пятен 11 освещения света, излученного из источников 10 света. Процессор 111 сигнала, например, встроенный в камеру 40 или в главный контроллер (110 - см. фиг. 3) осветительной системы 100, предназначен для извлечения из зарегистрированных изображений идентификационных кодов источников света. Через определение идентификационных кодов источников света возможно коррелировать источники 10 света со следами их пятен 11 освещения. Выполнение этой корреляции, известной также как создание светового эффекта, позволяет пользователю интуитивно создавать различную обстановку освещения, используя устройство 50 дистанционного управления, содержащее фотодатчик 51. Устройство дистанционного управления взаимодействует с системой, например, посредством беспроводной радиочастотной связи.
Кодирующее устройство 20 (см. фиг. 2) выполнено с возможностью подачи активизирующего сигнала к источнику 10 света, включающего в себя три элемента. Он содержит (i) генератор 21 светового сигнала для создания желательной освещенности, (ii) генератор 22 сигнала "быстрого" кода для модуляции света, излученного от источников 10 света на частоте, выше частоты заданного высокого уровня, чтобы содержать "быстрые" коды 12, и (iii) генератор 23 сигнала "медленного" кода для модуляции света, излученного на частоте, ниже частоты заданного низкого уровня, чтобы содержать "медленные" коды 13. Предпочтительно, "быстрый" код 12 тактируется на частотах выше 100 Гц, а "медленный" код 13 тактируется на частотах менее 10 Гц. Все три сигнала суммируются в сумматоре 25 и подаются на активатор запуска (не показан) источника 10 света.
В варианте осуществления главный контроллер 110 содержит процессор 111 сигнала, блок 112 синхронизации и блок 113 управления (см. фиг. 3). В этом варианте осуществления осветительная система полностью синхронизована, то есть источники 10 света (через кодирующее устройство 20) и камера 40 все соединены и синхронизированы посредством блока 112 синхронизации, по существу генератором опорной частоты. Более конкретно, в кодирующем устройстве 20 генератор 22 сигнала "быстрого" кода и генератор 23 сигнала "медленного" кода соединены с блоком 112 синхронизации. Выполнение кодирующим устройством сигналов кода будет описано ниже. Блок 113 управления подсоединен к генератору 21 светового сигнала для управления световыми выходами источников 10 света, например, в отношении интенсивности и/или цвета и т.д.
В альтернативном варианте осуществления осветительная система 100 работает асинхронно. Ранее иногда необходимо было разделять во времени световое излучение от различных источников 10 света для того, чтобы можно было обнаруживать свет, излученный в данный момент времени от отдельного источника света. Однако при использовании идентификационных кодов источников света нет необходимости о синхронизации по времени источников света. Вместо этого источники 10 света могут работать в асинхронном режиме, внедряя идентификационные коды излучения несинхронно.
Предпочтительно, создание световых эффектов источников 10 света и их следы 11 освещения использует "медленные" коды 13 в комбинации с недорогой камерой 40. Ясно, что создание световых эффектов должно производиться только на начальном этапе после установки осветительной системы 100 в интерьере 200 (или после значительного обновления интерьера с перемещением внутри него различных объектов, таких как шкафы, диваны, столы, источники света и т.д.). Следовательно, пользователь может, например, с помощью устройства 50 дистанционного управления, управлять осветительной системой 100, включая или выключая внедрение "медленных" кодов в световое излучение. После выполнения создания световых эффектов пользователь может создавать (следует заметить, что данные создания световых эффектов, коррелирующие источники света со следами освещения, могут сохраняться и извлекаться из устройства памяти в системе, например, содержащемся в блоке 113 управления) желательную обстановку освещения, используя устройство 50 дистанционного управления и "быстрые" коды 12, внедренные в свет, излученный из источников 10 света. Фотодатчик 51, содержащийся в устройстве дистанционного управления, позволяет обнаруживать "быстрые" коды и, по меньшей мере, одну световую характеристику (такую как интенсивность, цветовая характеристика и т.д.), относящуюся к соответствующему источнику света 10. По беспроводной связи между устройством 50 дистанционного управления и главным контроллером 110 осветительной системы 100 пользователь может запросить систему обеспечить желательное освещение, может управлять световой характеристикой освещения и может обеспечить сигнал обратной связи для коррекции любых отклонений от желательной световой характеристики.
Одновременное внедрение "быстрого" кода 12 и "медленного" кода 13 в свет, излученный источниками света 10, без соответствующего проектирования приведет к взаимодействию между двумя кодирующими сигналами, пагубному для реализации желательной обстановки. В варианте осуществления "быстрый" и "медленный" коды 12, 13 выполняются с использованием техники расширения спектра. Этот метод известен как "мультиплексирование/множественный доступ с кодовым разделением каналов" (CDM или CDMA). Каждому источнику 10 света или каждой группе из одного или более источников 10 света приписан однозначный код. Коды должны быть ортогональными, то есть величина автокорреляции кода должна быть значительно выше, чем величина взаимной корреляции двух различных кодов. Чувствительное устройство, такое как камера 40 или фотодатчик 51, будет способно различить одновременную передачу модулированного света посредством различных 10 источников света, так что это чувствительное устройство может идентифицировать каждый из них. Кроме того, чувствительное устройство сможет измерить световую характеристику (интенсивность, цветовая характеристика и т.д.) модулированного света, полученного от идентифицированного источника 10 света. Для каждого распознанного излучения модулированного света чувствительное устройство передает данные, содержащие идентификацию излучающего источника 10 света и величину измеренной световой характеристики на главный контроллер 110. Получив эти данные, главный контроллер способен управлять источниками 10 света, изменяя интенсивность или цветовую характеристику излученного света для получения желательных световых эффектов в зоне вокруг чувствительного устройства.
На фиг. 4 показана временная диаграмма, поясняющая метод модуляции расширения спектра для модуляции света, излученного посредством источника 10 света, с "быстрыми" кодами 12. Поскольку источники света имеют максимальную частоту, которой может быть модулирован их излученный свет, величина, обратная максимальной частоте, определяет минимальный интервал модуляции. Генерируется тактовый сигнал, обеспечивающий импульсы, имеющие время цикла, которое больше, чем минимальный интервал модуляции. Здесь предполагается, что период тактовых импульсов есть период Т1. В каждом периоде Т2 передается бит данных, например, посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При использовании этой схемы модуляции импульс освещения является удлиненным при передаче логической "1" по сравнению с импульсом освещения при передаче логического "0" (см. серые части импульсов). За период Т3 передается полный код, идентифицирующий источник 10 света (в данном случае - код "101"). Период Т3 выбран достаточно коротким, чтобы сделать двухпозиционную модуляцию световых импульсов незаметной для человеческого глаза. Поскольку передаваемые коэффициенты заполнения в среднем должны соответствовать ограничениям освещения (желательной интенсивности, цвету или уровню освещенности), полезно использовать симметричные коды, подобные коду Уолша-Адамара.
Фиг. 5 поясняет реализацию "медленных" кодов 13. Как объяснено ранее, "медленные" коды должны иметь частоту менее примерно 10 Гц для того, чтобы оставаться невидимым для человеческого глаза, будучи одновременно обнаруживаемыми недорогими камерами. При определении периода Т4 для передачи бита "медленного" кода 13 таким образом, что Т4 кратен Т3, чтобы "быстрые" и "медленные" коды 12, 13 не взаимодействовали между собой, полный "медленный" код будет передан за период Т5 (Т5 сам кратен Т4). В этом варианте осуществления "медленные" коды передаются с использованием амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), при которой высота импульса освещения (то есть интенсивность излученного света) для передачи логической "1" увеличена относительно высоты импульса, передающего логический "0". Как может быть видно из фиг.5, оба - и "быстрый" код 12, и "медленный" код 13, - содержат идентификацию источника света, в данном случае "101". Таким образом, "быстрый" код 12 передает коды идентификации источника света кратное количество раз (в зависимости от длины кода идентификации источника света, в данном примере - шесть) во время передачи кода идентификации того же источника света в "медленном" коде 13. Что касается "быстрых" кодов 12, то использование схем симметричного кодирования (то есть свободных кодов постоянного тока (DC), подобных схеме Уолша-Адамара) особенно выгодно для "медленных" кодов 13, так как такие схемы обеспечивают ортогональность относительно длительного периода DC окружающего света, который чувствительное устройство будет отслеживать. Следует заметить, что модуляция "медленного" кода 13 не влияет на обнаружение "быстрого" кода 12, поскольку это есть, по существу, DC смещение для периода Т3, в котором работает чувствительное устройство, такое как фотодатчик 51. Схемы симметричного кодирования, подобные схеме Уолша-Адамара, исключают такие квазипостоянные смещения.
На фиг. 4 и 5 показана схема кодирования только в иллюстративных целях. Могут быть реализованы и альтернативные схемы без отхода от идеи изобретения. Например, "медленные" коды могут быть выполнены с использованием схемы ШИМ. Альтернативно амплитудной манипуляции (АМн) для реализации "быстрых" и "медленных" кодов может быть использована бифазная модуляция. Заметим, что бифазная модуляция для "медленных" кодов имеет то преимущество, что световые сигналы (то есть вызывающие освещение) могут изменяться каждые 2хТ4 периода вместо изменения по истечении периода Т5. Это особенно выгодно в тех случаях, когда осветительная система 100 содержит очень много источников 10 света, и, следовательно, код идентификации источника света длинный. Это соображение основано на том факте, что поскольку желательное освещение должно быть постоянным, коэффициент заполнения "медленных" кодов должен быть постоянным в течение периода Т5. Используя бифазную модуляцию, это ограничение может быть уменьшено до 2хТ4 периодов.
Поскольку "медленные" коды 13 возникают на частотах, на которых визуальная система человека имеет не нулевую (хотя и низкую) чувствительность, модуляция "медленных" кодов предназначена быть в предопределенном диапазоне глубины, наделяющем ее возможностью быть незаметной для человеческого глаза, будучи в то же время обнаруживаемой обычными системами недорогих камер.
В варианте осуществления осветительной системы 100 она содержит световой модуль 30, при этом световой модуль содержит, по меньшей мере, четыре источника 10 света, каждый их которых излучает свет другого основного цвета. Таким образом, световой модуль 30 представляет собой источник света переменной цветности. Световой модуль 30, например, может содержать светодиоды, излучающие красный, зеленый, синий и янтарный свет, в качестве источников света. Заданная интенсивность и цветовая характеристика (XYZ, эквивалентная xyY) могут быть реализованы множеством различных способов путем смешения основных составляющих цветов вследствие того факта, что такая система из четырех основных цветов является сверхопределенной. Зрительная система человека не различает, каким - тем или иным - образом свет (цвет + интенсивность) генерируется, если координаты XYZ (или xyY) остаются теми же самыми. Но различные комбинации будут тем не менее различимы камерой 40, поскольку эта камера имеет избирательную характеристику длины волны, отличную от Vλ (функции спектральной чувствительности глаза человека), и каждый источник 10 света (то есть в данном случае основного цвета) дает различную характеристику длин волн. Таким образом, в варианте осуществления, по меньшей мере, четыре источника 10 света содержатся в световом модуле 30. Каждый из источников света в световом модуле предназначен излучать свет основного цвета, а световой модуль 30 предназначен излучать свет с желательной интенсивностью и цветовой характеристикой (XYZ, эквивалентной xyY). Более того, кодирующие устройства 20 выполнены с возможностью внедрения "медленного" кода 13 в виде модуляции в соответствующей составляющей основных цветов интенсивности (Y) и цветовой характеристики (xy). Таким образом, "медленный" код 13 в данном варианте осуществления идентифицирует световой модуль 30, а не отдельную компоненту источников 10 света.
Преимущественно, в соответствии с этой схемой модуляции человеческий глаз не будет видеть никакой разницы в (i) интенсивности (Y) и (ii) цветовой характеристики (xy) логической "1" и логического "0". Другими словами, не будет наблюдаться никакого мигания. Более того, нет никакой необходимости использовать цветочувствительную камеру (достаточно простой черно-белой камеры) для регистрации световых пятен различных световых модулей, а кодировка/данные внедряется в соответствующую составляющую основных цветов в точке xyY. Единственным требованием является то, чтобы камера/датчик имела зависимую от длины волны характеристику, такую, чтобы логическая "1" и логический "0" давали различный уровень сигнала на выходе камеры/датчика. Это является случаем обычных камер и фотодатчиков. Когда же используется цветная камера/датчик, дополнительно можно будет измерять и цвет светового пятна.
Таким образом, предложена осветительная система 100, содержащая множество источников 10 света, оснащенных кодирующими устройствами 20, выполненными с возможностью наделения света, излученного источниками света, способностью содержать идентификационные коды источников света. Чтобы сделать возможным создание светового эффекта, то есть, для корреляции источников 10 света с их световыми пятнами, система дополнительно содержит камеру 40, предназначенную для регистрации изображений световых пятен 11, и процессор 111 сигнала, предназначенный для извлечения из зарегистрированных изображений идентификационных кодов источников света. Применение кодирующих устройств для модуляции излученного света с частотой, выше заданного высокого уровня, чтобы содержать "быстрые" коды, и с частотой, ниже заданного низкого уровня, чтобы содержать "медленные" коды, благоприятным образом позволяет использовать системы простых дешевых камер.
Хотя изобретение было раскрыто со ссылками на вышеописанные варианты осуществления, будет очевидно, что для достижения тех же задач могут быть использованы альтернативные варианты осуществления. Например, вместо регистрации пятен 11 освещения в виде освещенных зон на полу или на стене интерьера 200, камера 40 может быть размещена возле пола и направлена вверх для регистрации прямого света от источников 10 света. Тогда световые пятна созданы посредством выходных окон источников света. Таким образом, объем изобретения не ограничен вышеописанными вариантами осуществления. Соответственно, сущность и объем изобретения ограничены только пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.