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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtungssteuerung
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Anwesenheits-Erfassungsvorrichtung,
die bevorzugt zum Einsatz in einer solchen Vorrichtung zur Beleuchtungssteuerung
ausgebildet ist.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen
zur Beleuchtungssteuerung sind aus dem Stand der Technik allgemein
bekannt; so werden für
den Innen- sowie Außenbereich
in großer
Stückzahl
bewegungssensorgesteuerte Leuchten in den Verkehr gebracht, welche,
neben entsprechend dem Einsatz- und Beleuchtungszweck eingerichteten
Leuchtmitteln, bekannte Sensortechnologien zur Erfassung von Bewegung
eines Erfassungsobjekts (typischerweise einer zu detektierenden
Person) in einem Erfassungsbereich vor dem jeweiligen Sensor nutzen.
Eine gängige,
derartige Technologie ist die Verwendung sog. PIR-(Passiv-Infrarot-)Sensoren,
nämlich
Sensorvorrichtungen zur Erfassung von Wärmestrahlung von sich im Erfassungsbereich
bewegenden Personen, wobei das mittels einer Infrarotoptik auf ein
solches PIR-Sensorelement abgebildete Objektbild ein elektrisches
Signal erzeugt und in seinem Änderungsverhalten
zur Bewegungsdetektion ausgewertet wird.
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Während eine
solche infrarotbasierte Technologie technologisch ausgereift und
insbesondere auch in der Großserie
gut beherrscht wird, ist eine solche Sensorik – prinzipbedingt – im Einsatz
nicht unkritisch. So basiert das Erfassungsprinzip, wie oben beschrieben,
auf dem Auswerten abgebildeter Temperaturschwankungen; dies führt dazu,
dass typischerweise Personen, die sich in einer Bewegungsrichtung
auf einen PIR-Sensor zu bewegen, wesentlich schlechter erfasst werden
(also der Sensor unempfindlicher ist), als würde dieselbe Person in einer
Tangentialrichtung zu dieser Richtung sich bewegen. Zudem verfälschen andere,
uner wünschte Wärmequellen
häufig
das Erfassungsergebnis, etwa (vor allem im Außenbereich relevant) Luftströmungen,
Bewegungen von Bäumen
od.dgl. oder Wolkenbewegungen am Himmel. Hinzu kommt der Umstand,
dass kleine Erfassungsobjekte relativ nah zum Sensor (also z.B.
als Detektorobjekt unerwünschte Hunde
od.dgl. Tiere) in derselben Weise ein Sensordetektionssignal auslösen, wie
ein Mensch in relativ größerer Entfernung.
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Im
Stand der Technik werden daher schon seit längerem alternative Detektionsverfahren
zur Bewegungserfassung erprobt und auch in Produkten realisiert,
die anstelle der Infrarotstrahlung Mikrowellen oder Ultraschallsignale
zur Bewegungsdetektion auswerten. Auch hier gibt es jedoch wiederum
jeweils systembedingte Probleme. So ist vor allem bei Radarsensoren
in gängigen
Mikrowellen-Frequenzbereichen ein Erfassungsbereich oft schlecht
abgrenzbar, insbesondere als Mikrowellen auch (unerwünscht) Wände oder
Türen unter
gewissen Umständen
durchdringen, wiederum mit dem unerwünschten Effekt von Fehlschaltungen.
Dagegen sind Ultraschallsensoren aus anderen Gründen störungsempfindlich, reagieren
wiederum nur auf gewisse Bewegungsmuster und besitzen häufig nur
eine begrenzte maximale Erfassungsentfernung.
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Damit
besteht insbesondere vor dem Hintergrund der (klassischen) Beleuchtungssteuerung
im Innen- und Außenbereich
das Bedürfnis
nach einer verbesserten, insbesondere im Hinblick auf Zuverlässigkeit
und Sicherheit der Detektion gegen Fehlschaltungen, Erfassungssensorik
für ein
zu detektierendes Objekt, insbesondere eine Person, im gewünschten
Erfassungsbereich. Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung
zur Beleuchtungssteuerung im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Präzision und
Abgrenzbarkeit der Detektion zu verbessern. Auch soll im Rahmen
dieser Aufgabenstellung eine verbesserte Sensorik geschaffen werden,
welche sich für
weitergehende, ggf. über
die Beleuchtungssteuerung hinausgehende Steuerungs- bzw. Aktivierungsaufgaben eignet.
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Die
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
sowie des unabhängigen
Anspruchs 12 gelöst;
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In
erfindungsgemäß vorteilhafter
Weise sind dabei im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensormittel Mittel zur
digitalen elektronischen Bilderfassung vorgesehen, welche digitale
elektronische Bildsignale entsprechend erfassten digitalen Bildern
erzeugen und einer nachfolgenden Auswertung zuführen können, wobei das Auswerteprinzip
auf einem Bildvergleich zeitlich aufeinanderfolgender elektronischer
Bilder und der darin enthaltenen Bildinformationen beruht und das
gewünschte
Detektionssignal insbesondere dann erzeugt wird, wenn zumindest
in einem Teilbereich des ersten bzw. zweiten digitalen Bildes eine
hinreichend signifikante, dem zu erfassenden Detektionsobjekt entsprechende Änderung festgestellt
wird.
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Hervorzuheben
ist in diesem Zusammenhang, dass damit das klassische Vorgehen einer
Bewegungserfassung überschritten
wird und im eigentlichen Sinne eine Erfassung auf Anwesenheit des
Erfassungsobjekts im Erfassungsbereich stattfindet: Im Rahmen der
vorliegenden Erfindung kommt es nämlich zunächst nicht darauf an, dass
sich das Erfassungsobjekt durch den Erfassungsbereich hindurch bewegt
(auch insoweit müssen
die zu vergleichenden elektronischen Bilder auch nicht etwa entsprechend
zeitnah einander beabstandet sein), vielmehr ist es zur Realisierung
der vorliegenden Erfindung ausreichend, wenn ermöglicht wird, dass eine elektronische
Bildinformation zu einem späteren
Zeitpunkt erkennen lässt
(etwa dadurch, dass eine Person als Detektionsobjekt im Rahmen des
zweiten elektronischen Bildes „fotografiert" wird), dass die
zugehörige
Bildinformation von der im ersten elektronischen Bild enthaltenden
Bildinformation eines leeren Erfassungsbereichs abweicht und so
das Detektionssignal ausgelöst
werden kann.
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Dieser
prinzipielle Unterschied ist auch insoweit bedeutsam, als etwa bei
traditionellen, eingangs beschriebenen Detektionsverfahren (und
dies gilt sowohl für
die PIR-Technologie,
als auch für
radarbasierte Sensoren) die nutzbare Signalstärke von der Bewegung bzw. Bewegungsgeschwindigkeit
eines Objektes abhängig
ist, was insbesondere dazu führt, dass
ein sich extrem langsam bewegendes Objekt bei traditioneller gattungsbildender
Sensortechnologie die beabsichtigte Erfassung unterläuft. Dagegen ist
es im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Frage der Gestaltung
eines der beiden elektronischen Bilder (z.B. des ersten Bildes)
als Referenzbild, wie und auf welche Weise die Detektion erfolgt. Mit
anderen Worten, es steht zu erwarten, dass durch die vorliegende
Erfindung die Betriebs-, Erfassungs- und Steuersicherheit gegenüber. traditionellen,
gattungsbildenden Technologien deutlich erhöht werden kann.
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In
der praktischen Realisierung der Erfindung bietet es sich an, die
erfindungsgemäßen Sensormittel
geeignet mit einem CCD-Bildaufnahmesensor zu realisieren; nicht
nur ist diese Technologie etabliert, preisgünstig auch für Großserienanwendungen
realisierbar, auch existiert Schaltungsperipherie für einen
solchen Sensor (etwa in Form zugehöriger Bildspeicher od.dgl.),
mit welchem sich dann die vorliegende Erfindung mit geringem Aufwand
umsetzen lassen kann.
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Da
es für
die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise erforderlich ist,
sämtliche
erfassten Bilddetails bzw. Einzeldaten, welche mittels eines CCD-Sensors
erfassbar sind, auszuwerten, ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
der Erfindung günstig,
sich auf einen einfach dem Bildsignal zu entnehmenden Parameter
zu konzentrieren – – etwa die Helligkeitsinformation
für einen
jeweiligen Pixel oder eine Pixelgruppe – und dann diese Information
zur Anwesenheitserfassung auszuwerten (und weitere elektronische
Bilddaten, etwa die Farbinformation, können dann unberücksichtigt
bleiben; alternativ ist es auch im Rahmen der Erfindung möglich und
vorgesehen, diese Daten zusätzlich
oder anstelle von Helligkeitsinformationen zu verwenden).
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Insbesondere
dann, wenn weiterbildungsgemäß das elektronische
Detektionssignal auf der Basis eines Unterschieds der Bildhelligkeiten
zwischen den vergleichenden Bildern im relevanten Teilbild erzeugt
wird, ist üblicherweise
eine Kompensation der (selbst ja auch Schwankungen unterliegenden)
Umgebungshelligkeit notwendig, etwa im Hinblick auf Sonnenschein
oder Dämmerung
im Außenbereich, oder
das von einer angesteuerten Beleuchtungseinheit erzeugte Eigenlicht.
Entsprechend sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, die Bildhelligkeit (geeignet über das
gesamte aufgenommene Bild) zu erfassen, um damit einen Normierungs-
bzw. Normwert zu erzeugen, welcher dann der Bilderfassung zugrunde
gelegt wird, wobei die tatsächlich
erfassten Bilder dann entsprechend um den Normwert bzw. mit diesem
Normwert berichtigt (korrigiert) werden.
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Besonders
geeignet ist es zudem, als Referenzbild eines der zu vergleichenden
digitalen Bilder (z.B. das erste elektronische Bild) so zu erfassen
und dann für
den Vergleich mit dem zweiten Bild zu speichern, dass das erste
Bild einen Erfassungsbereich frei vom Detektionsobjekt aufweist.
Dies ist im praktischen Betrieb nicht notwendigerweise trivial,
denn, bei typischer Betriebsposition der erfindungsgemäßen Vorrichtung
an einer Wand oder Decke, würde eine
eine solche Einstellung vornehmende Bedienperson fast zwangsläufig auch
von den Sensormitteln erfasst werden, so dass ein wirklich unbeeinträchtigtes
Bild schwer zu erzeugen ist. Dementsprechend ist gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung eine ferngesteuerte Erzeugung
und Speicherung des ersten Bildsignals vorgesehen, idealerweise
mittels einer drahtlosen (z.B. mittels Funksignalen arbeitenden)
Fernsteuereinheit, welche von der einstellenden Bedienperson aus
einer Position außerhalb
des Erfassungsbe reichs betätigt
werden kann, so dass insoweit einfach und elegant das erste elektronische
Bild als Referenzbild (mit dem zugehörigen Bildsignal) erzeugt werden
kann.
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Insbesondere
im Zusammenhang mit (selbst üblicherweise
infrarotempfindlichen) CCD-Sensoren zur Realisierung der Mittel
zur digitalen elektronischen Bilderfassung ist es zudem weiterbildungsgemäß vorgesehen,
der Vorrichtung eine Lichtquelle zuzuordnen, welche in den Erfassungsbereich
hinein strahlt, so dass bei dunklen Umgebungslichtverhältnissen
(damit wären
keine sinnvoll auswertbaren Bildaufnahmen möglich) gleichwohl eine Beleuchtung
einer Person im Erfassungsbereich stattfinden kann, mit der Wirkung,
dass die Reflexion an diesem Erfassungsobjekt dann ein zur Detektion
ausreichendes Bildsignal ermöglicht.
Infrarot-Strahlungsquellen, insbesondere eine Infrarot-LED, bieten
den zusätzlichen
Vorteil, dass diese für
das menschliche Auge unsichtbar sind, insoweit auch nicht störend bzw.
irritierend wirken und i.ü.
nur minimale zusätzliche
elektrische Leistung benötigen.
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Durch
den Umstand, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung, etwa realisiert mittels einer CCD-Bildaufnahmevorrichtung,
Mittel zur Erfassung eines recht genauen, detaillierten und in Bild-Teilbereiche
aufteilbaren Bildes existieren, ist weiterbildungsgemäß vorgesehen,
zusätzlich
Mittel zur Bildmustererkennung einzusetzen, um das erfasste Detektionsobjekt
ggf. näher
klassifizieren oder analysieren zu können. Insbesondere angesichts
des eingangs beschriebenen Problems einer Abgrenzung von (zu detektierenden)
Personen gegenüber
(unerwünscht
erfassten und nicht zu detektierenden) Kleintieren könnte daher
eine solche Bildmustererkennung, die mittels ansonsten bekannter
Algorithmen im Bildvergleich das erfasste Objekt charakterisiert
(und insoweit etwa eine Erfassungsschwelle, bezogen auf eine Objektgröße, ermöglicht)
und im Hinblich auf eine Lösung
dieses Problems eingesetzt werden.
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Während die
vorliegende Erfindung vor allem im Zusammenhang mit der Beleuchtungssteuerung – im Innen-
und Außenbereich – Vorteile
bietet und existierende Probleme elegant überwindet, ist gleichwohl die
Erfindung nicht auf die Beleuchtungssteuerung beschränkt. Vielmehr
eignet sich die gemäß der Erfindung
vorgesehene Anwesenheits-Erfassungsvorrichtung auch für weitere
Erfassungsaufgaben von zu erfassenden Objekten, insbesondere Personen,
bei denen traditionelle, primär
bewegungsbasiert wirkende Sensorvorrichtungen Mängel aufweisen. So ist eine
solche Vorrichtung etwa im Bereich der Aktivierung von Türen od.
dgl. denkbar, ebenso wie im Kraftfahrzeugbereich (z.B. bei der Detektion
von auf einem Fahrzeugsitz befindlichen Personen) od.dgl..
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen; diese zeigen in
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1:
ein Blockschaltbild zum Verdeutlichen der wesentlichen Funktionskomponenten
der Vorrichtung zur Beleuchtungssteuerung gemäß einer ersten, bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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2:
ein Detail-Blockschaltbild zum Verdeutlichen der Funktionskomponenten
des digitalen Signalprozessors gemäß 1 sowie
zum Verdeutlichen der Interaktion der Funktionskomponenten untereinander.
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Ausgestaltet
als anwesenheitsgesteuerte Sensorleuchte für den Büro- und/oder Objektbereich weist
die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung in Form
einer Deckenleuchte eine CCD-Kameraeinheit 10 auf, welche
in einem (nicht gezeigten) zur Deckenmontage vorgesehenen Gehäuse befestigt
und auf einen hinsichtlich Anwesenheit (auch Bewegung) zu überwachenden
Abschnitt des Raums gerichtet ist. Ausgangseitig weist die Sensorleuchtenvorrichtung
schematisch dargestellte Schaltmittel 12 auf, welche zum
Aktivieren oder Deaktivieren eines wiederum schematisch gezeigten
Leuchtmittels 14 eingerichtet und beschaltet sind; bei
der beispielsgemäßen Ausgestaltung
als Deckenleuchte sind sämtliche
in 1 gezeigten Aggregate, eingeschlossen eine zwischen
den Einheiten 10 und 12 zwischengeschaltete digitale
Signalprozessorelektronik 16 (sowie weitere, nicht gezeigte
Einheiten zur Stromversorgung oder dgl.) in einem geeigneten Deckenleuchtengehäuse vorgesehen,
welches einen Sockel zur Aufnahme des Leuchtmittels 14,
ebenso wie eine geeignete Optik für die Kameraeinheit 10 anbietet.
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Die 2 verdeutlicht,
innerhalb der gestrichelten Umrandung, den Aufbau der Signalprozessorelektronik 16 durch
einzelne Funktionskomponenten. Während
es im Rahmen der Erfindung liegt, diese Funktionskomponenten diskret
und durch Einzelschaltung bzw. -Einheiten zu realisieren, ist es
insbesondere auch von der vorliegenden Erfindung umfasst, die nachfolgend
zu beschreibenden Funktionseinheiten mittels einer gemeinsamen,
generischen Elektronikeinheit (z.B. eine Mikrocontrollereinheit oder
einem Einplatinen-Computer) zu realisieren, wobei dann die jeweiligen
Funktionalitäten
insbesondere auch softwaremäßig durch
geeignete Programmierung einer zentralen Prozessoreinheit realisiert sein
können.
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Genauer
gesagt ist der Kameraeinheit 10 eine erste Videospeichereinheit 18 nachgeschaltet, welche,
aktiviert durch eine zentrale Steuereinheit 22, zum Auslesen
eines von der Kameraeinheit 10 aufgenommenen Bildes und
zum (pixelgetreuen oder komprimierten) Ablegen des CCD-Bildsignals der Kameraeinheit 10 ausgestaltet
ist. Wie zudem durch den horizontalen Pfeil in 2 zwischen
Einheiten 18 und 20 angedeutet, ist der ersten
Bildspeichereinheit 18 eine zweite Bildspeichereinheit 20 nachgeschaltet,
welche – ebenfalls
als Reaktion auf ein Steuer- bzw. Aktivierungssignal der zentralen
Steuereinheit 22 – zum Übernehmen
(Auslesen) eines in der ersten Bildspeichereinheit 18 gespeicherten
Aufnahmebildes der CCD-Einheit 10 vorgesehen ist (gemäß einer
alternativen Realisierungsform kann die zweite Bildspeichereinheit 20 auch
unmittelbar der CCD-Einheit 10 nachgeschaltet sein und
von dieser ein Bildsignal empfangen). Die Steuereinheit 22 ist dabei
so konfiguriert, dass durch geeignete Ansteuerung der Einheiten 18, 20 in
diesen zwei Kamerabildern gespeichert vorliegen, welche zu zwei
verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen sind; entweder können dies kontinuierlich
erneuerte Bilder sein (für beide
Bildspeichereinheiten), alternativ kann, etwa in der Form einer
Referenzbildspeicherung, die Bildspeichereinheit 20 (oder
aber die Bildspeichereinheit 18) ein unveränderliches
Permanentbildsignal speichern, welches – im Fall einer Anwesenheitserfassung
in einem Büro – dann beispielsweise
dem Kamera-Erfassungsbild eines leeren, insbesondere ohne Anwesenheit
von Personen, aufgenommenem Büros
entspricht.
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Die
Bildsignale der Bildspeicher 18, 20 werden, wie
durch Aggregate 24, 26 verdeutlicht, durch jeweilige
Funktionseinheiten 24 in ihrer Helligkeit normiert, d.h.
ein Bildsignal erzeugt, deren Helligkeitswerte der Einzelpixel bezogen
auf einen Standard-Helligkeitswert (welcher beispielsweise mit einem
Helligkeitssensor, alternativ auch mittels der Kameraeinheit 10 ermittelt
sein kann) normiert sind. Zweck dieser technischen Maßnahme ist
es, für
das vorliegende Ausführungsbeispiel
einer helligkeitsbasierten Anwesenheitserfassung dafür zu sorgen, dass
nicht etwa (Umgebungs-)Helligkeitseinflüsse, wie z.B. Sonneneinstrahlung,
Wolken, Dämmerung usw.,
welche für
das gesamte aufgenommene Bild die Bildhelligkeit beeinflussen, fehlerhaft
als Anwesenheits-Bildsignale interpretiert werden.
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Zusätzlich wird
mittels der Einheiten 26 das Bildsignal der Bildspeicher 18 bzw. 20 komprimiert; dies
geschieht beispielsweise dadurch, dass – zum Zweck der vereinfachten
Bildauswertung mittels der nachgeschalteten Vergleichereinheit 28 – eine typische
Bildspeicherauflösung
der Einheiten 18, 20 (von z.B. 480 × 640 oder
240 × 320
Pixel) dergestalt in der Bildauflösung verkleinert wird, dass
etwa jeweils vier einander benachbarte Pixel zu einem neuen mittleren
Pixelwert komprimiert werden. Normierung und/oder Kompression können auch
durch (gemeinsame) Aggregate erfolgen, die unmittelbar der Kameraeinheit 10 nachgeschaltet
sind.
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Im
Ergebnis liegen dann an der Vergleichseinheit (Komparator) 28 zwei
komprimierte und hinsichtlich der Umgebungshelligkeit normierte
Bildsignale an, welche im Hinblick auf Anwesenheit (typischerweise
eine Person) in dem Erfassungsbereich der Kameraeinheit 10 verglichen
werden. Typischerweise geschieht dies dadurch, dass eine zu detektierende
Person als Objekt zu einem Helligkeitsunterschied zwischen mindestens
einem (komprimierten) Pixel des Bildspeichers 18 (im Vergleich
zum Differenzbild des Bildspeichers 20) an der entsprechenden
Bildposition, wo sich die Person aufhält, führt (typischerweise erstreckt
sich eine derartige Helligkeitsdifferenz über eine Mehrzahl benachbarter
komprimierter Pixel). Entsprechend würde dann eine Addition der
Helligkeitsdifferenzen und ein Vergleich des addierten Differenzwerts
mit einem (einstellbaren oder vorbestimmten) Schwellwert eine vergleichsweise
einfache, gleichwohl elegante Schlussfolgerung darüber zu lassen,
ob sich etwa eine Person in dem zu überwachenden Bildbereich aufhält. Der
erwähnte
Schwellwert gestattet zudem die Abgrenzung bzw. Feststellung, ob
lediglich kleinere, nicht zu detektierende Bildänderungen vorliegen (z.B. wie
Gegenstände
auf dem Schreibtisch, ein Haustier), so dass mit der beschriebenen,
vergleichsweise einfachen Vorgehensweise eine durchaus zuverlässige Anwesenheitserfassung
möglich
ist.
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In
den Fig. nicht gezeigt ist ein Helligkeitssensor (der auch identisch
mit dem zur Normierung der Bildhelligkeit verwendeten, s. o. sein
kann), dessen der Umgebungshelligkeit entsprechendes Sensorsignal
von der Steuereinheit 22 verarbeitet und zur Entscheidung
darüber
verwendet wird, ob die Beleuchtungseinheit überhaupt aktiviert wird, insbesondere
bei heller Umgebungshelligkeit unterdrückt diese zusätzliche
Funktionskomponente die Aktivierung der Beleuchtungseinheit. Weiterhin
in den Fig. nicht gezeigt ist eine (z. B. mittels der Steuereinheit
realisierte) Zeitsteuerung, die als Reaktion auf die Aktivierung
die Beleuchtungseinheit eine vorbestimmte Zeit (Mindesteinschaltzeit)
aktiviert lässt
und danach (ohne dass weitere Bewegung der Anwesenheit erfasst wurde)
deaktiviert.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich auch zur Bewegungserfassung verwenden, wobei hierfür insbesondere
dann der Abstand der jeweils aufzunehmenden und auszuwertenden Bilder
von Bedeutung ist. Insbesondere wenn, entsprechend einer anzunehmenden
Bewegungsgeschwindigkeit einer zu detektierenden Person als Aufnahmeobjekt
im Kamera-Erfassungsbereich, die Bilder für die Bildspeicher 18, 20 zeitnah
und periodisch jeweils erzeugt werden und auch entsprechend dynamisch
der Vergleich und die Auswertung auf Bildunterschiede erfolgte,
ist eine Bewegungserfassung – über die
vorstehend beschriebene Anwesenheitserfassung – möglich; gerade im Fall der Anwesenheitserfassung
dürfte
dagegen das Vorsehen eines statischen Bildes als Referenzbild (Bildspeicher 20),
gegebenenfalls getriggert durch eine externe Fernsteuereinheit,
ein einfacher Vorgehensweg sein.