圖像式街道亮度計(jì)在道路照明測(cè)試中的開發(fā)和應(yīng)用

王書曉 張 濱 羅 濤 趙建平

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100044)

1 前言

道路照明的目的就是為各種車輛駕駛員以及行人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，保障交通安全，提高交通運(yùn)輸效率;方便人民生活，降低犯罪率和美化環(huán)境。長(zhǎng)期以來，道路照明設(shè)計(jì)一直是基于路面“照度標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行的。伴隨著關(guān)于人生理研究的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)引入路面亮度和因道路照明燈具在眼睛處的雜散光所引起的光幕亮度，能夠更好的評(píng)估、預(yù)測(cè)道路及道路兩側(cè)的物體的可見度。特別1977年《機(jī)動(dòng)車交通道路照明的建議》CIE No.12.2出版以來，路面亮度的概念在道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中逐步得到人們的認(rèn)可和接受，并于20世紀(jì)80年代開始逐步作為道路道明的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。我國的《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》CJJ45—2006也根據(jù)道路使用功能及車流量對(duì)道路照明的路面平均亮度、路面亮度總均勻度和縱向均勻度、眩光限制等進(jìn)行了規(guī)定。

2 傳統(tǒng)道路路面亮度測(cè)量?jī)x器要求及檢測(cè)方法

《照明測(cè)量方法》GB/T5700—2008的對(duì)道路路面亮度測(cè)量方法及技術(shù)做出了相應(yīng)的規(guī)定。

2.1 亮度計(jì)

在道路照明測(cè)量中，當(dāng)需要測(cè)量亮度總均勻度和亮度縱向均勻度時(shí)，宜采用帶望遠(yuǎn)鏡頭的光亮度計(jì)，其在垂直方向的視角應(yīng)小于或等于2'，在水平方向的視角應(yīng)為2'～20'。

2.2 亮度測(cè)量方法

亮度計(jì)的觀測(cè)點(diǎn)的高度，應(yīng)距路面1.5 m。亮度計(jì)的觀測(cè)點(diǎn)的縱向位置:應(yīng)距第一排測(cè)量點(diǎn)為60m，縱向測(cè)量長(zhǎng)度為100m(圖1)，或至少應(yīng)包括同一側(cè)兩燈桿之間的區(qū)域。

圖1 路面亮度觀測(cè)示意圖

在道路縱向，當(dāng)同一側(cè)兩燈桿間距小于或等于50m時(shí)，通常應(yīng)在兩燈桿間按等間距布置10個(gè)測(cè)點(diǎn);當(dāng)兩燈桿間距大于50 m時(shí)，應(yīng)按兩測(cè)點(diǎn)間距小于或等于5 m的原則確定測(cè)點(diǎn)數(shù)。在道路橫向，在每條車道橫向應(yīng)布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中間一點(diǎn)應(yīng)位于車道的中心線上，兩側(cè)最外面的兩個(gè)點(diǎn)應(yīng)分別位于距每條車道兩側(cè)邊界線的1/10車道寬處;當(dāng)亮度均勻度較好或?qū)y(cè)量的準(zhǔn)確度要求較低時(shí)，在每條車道橫向可布置3個(gè)點(diǎn)，其中間一點(diǎn)應(yīng)位于每條車道中心線上，兩側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)應(yīng)分別位于距每條車道兩側(cè)邊界線的1/6車道寬處。

2.3 存在的問題

利用傳統(tǒng)亮度計(jì)進(jìn)行測(cè)量需要測(cè)量路面上近三百多個(gè)測(cè)點(diǎn)亮度值，從而造成亮度測(cè)量變得十分復(fù)雜和困難，并耗費(fèi)大量的時(shí)間。特別是測(cè)量過程中還需要道路上沒有車輛的干擾，而隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，道路上的機(jī)動(dòng)車輛越來越多，這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來更加困難，同時(shí)還存在很大的安全隱患。

3 圖像亮度測(cè)量系統(tǒng)在道路亮度測(cè)量中的開發(fā)及應(yīng)用

3.1 圖像式街道亮度計(jì)優(yōu)勢(shì)

CCD相機(jī)以其所具有的良好線性和精確性，而在需要同時(shí)獲得一個(gè)陣列的數(shù)字輻射值的研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過使用CCD的相機(jī)能夠迅速的捕捉圖像，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化電子圖像。圖像測(cè)量特別適用于待測(cè)點(diǎn)密集的目標(biāo)，適用于目標(biāo)環(huán)境不甚穩(wěn)定乃至劇烈變化的目標(biāo)。因此相較于傳統(tǒng)的點(diǎn)亮度計(jì)測(cè)量而言，利用圖像式街道亮度計(jì)可以一次獲取全部路面測(cè)點(diǎn)亮度值，在滿足測(cè)試精度要求的前提下，該方法可以大大提高了測(cè)試的效率，在當(dāng)前城市交通流量不斷加大的情況下，該優(yōu)勢(shì)更加突出。

同時(shí)傳統(tǒng)的測(cè)量方法，專業(yè)性非常強(qiáng)，因此不利于廣泛推廣;而圖像式亮度計(jì)操作簡(jiǎn)單，便于掌握，從而創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適的出行環(huán)境提供了有力保障。

3.2 圖像式街道亮度計(jì)重點(diǎn)解決問題

圖像亮度測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)為光環(huán)境評(píng)價(jià)提供了新的技術(shù)手段，但是評(píng)價(jià)方法的發(fā)展相對(duì)較為滯后，仍然是基于傳統(tǒng)測(cè)量手段開展的。因此，當(dāng)前圖像亮度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究首先要根據(jù)現(xiàn)有測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過圖像亮度計(jì)提高測(cè)試效率和精度，以更好的指導(dǎo)照明實(shí)踐，具體包括以下三方面內(nèi)容:

(1)圖像式街道亮度計(jì)亮度校正;

(2)圖像式街道亮度計(jì)幾何校正;

(3)圖像式街道亮度計(jì)操作、分析軟件編制。

3.2.1 圖像式街道亮度計(jì)亮度校正

如果利用合理的控制方式，通過確定相機(jī)CCD陣列任一像素?cái)?shù)值，就可以確定其映射的環(huán)境中的該點(diǎn)的亮度值，從而經(jīng)過相關(guān)計(jì)算分析獲得場(chǎng)景均勻性、對(duì)比度等指標(biāo)。

中國建筑科學(xué)研究院早在2009年就完成了課題“基于數(shù)碼相機(jī)的圖像亮度測(cè)量技術(shù)研究”，就系統(tǒng)的對(duì)影響相機(jī)測(cè)量亮度和色度參數(shù)的三大因素 (光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和圖像處理算法)進(jìn)行了認(rèn)真的研究。通過實(shí)驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)模擬分析，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)誤差模擬試驗(yàn)分析，CCD特性實(shí)驗(yàn)，得到了相機(jī)的亮度測(cè)量的測(cè)量范圍。其中特別是通過對(duì)佳能相機(jī)RAW文件的解碼技術(shù)的研究，避免了利用jpeg壓縮文件作為測(cè)量結(jié)果載體帶來的精度、數(shù)據(jù)線性度等方面的損失，進(jìn)一步提高了測(cè)試精度和單幅圖片可測(cè)試亮度范圍。這些工作對(duì)最終開發(fā)出價(jià)格更為低廉、具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值的圖像式亮度計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。通過本技術(shù)的研究，對(duì)傳統(tǒng)圖像亮度測(cè)量技術(shù)有了重大改進(jìn)，見表1。

表1 測(cè)試技術(shù)基本技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

通過比較可見，本課題的研究成果的主要性能指標(biāo)優(yōu)于同期國內(nèi)外主要的研究成果，在研究成果鑒定會(huì)上鑒定評(píng)審專家們一致認(rèn)為本研究成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平。在項(xiàng)目中，將基于該研究的成果，對(duì)項(xiàng)目中使用的相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行亮度校正，從而確保該亮度計(jì)滿足測(cè)試精度要求。

3.2.2 圖像式街道亮度計(jì)幾何校正

圖像亮度計(jì)要記錄視野內(nèi)的亮度分布，就需要準(zhǔn)確反映發(fā)光物體的大小及方位，而在圖像亮度測(cè)量中使用的廣角鏡頭，特別是魚眼鏡頭多存在較為明顯的畸變，而目前仍然缺少這個(gè)方面的研究，從而制約了圖像亮度測(cè)試裝置的發(fā)展。特別是在道路照明中按照現(xiàn)有測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，獲取對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)亮度值，就迫切需要通過對(duì)圖像式街道亮度計(jì)進(jìn)行幾何校正。

中國建筑科學(xué)研究院在2011年所完成的課題“圖像亮度測(cè)量的幾何校正技術(shù)研究”依據(jù)攝影測(cè)量學(xué)等相關(guān)理論，針對(duì)相機(jī)鏡頭畸變，提出了圖像亮度測(cè)量的幾何校正方法。在相機(jī)鏡頭線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將偏心畸變和薄棱鏡畸變與徑向畸變相結(jié)合，首次建立了具有較高精度的數(shù)碼相機(jī)幾何映射模型，使其幾何角度測(cè)試精度提高了一倍。

3.2.3 圖像式街道亮度計(jì)操作、分析軟件編制

建立道路照明展示中心，能快速測(cè)量不同照明測(cè)量場(chǎng)景下的照明指標(biāo)數(shù)值，并能及時(shí)顯示，從而有利于幫助參觀者對(duì)照明效果有更加明確、直觀的了解。這就需要編制完成圖像式街道亮度計(jì)操作、分析軟件。該軟件應(yīng)包含以下幾個(gè)方面的功能:

(1)亮度計(jì)控制功能模塊，可以與相機(jī)實(shí)時(shí)通訊，設(shè)置測(cè)試參數(shù)，下載測(cè)試數(shù)據(jù);

(2)亮度分析模塊，能夠?qū)ο螺d的RAW文件進(jìn)行解碼，分析測(cè)試噪聲從而分析計(jì)算出被測(cè)量路面的亮度測(cè)試結(jié)果;

(3)按照展示中心的需要，以圖、表等形式實(shí)時(shí)展示測(cè)試結(jié)果，以便于參觀者能夠有較為直觀的認(rèn)識(shí)。

3.3 圖像式街道亮度計(jì)的應(yīng)用

中國建筑科學(xué)研究院對(duì)圖像亮度測(cè)量系統(tǒng)在道路照明測(cè)試中的應(yīng)用情況進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證工作，先后在四川省、貴州省及國家發(fā)改委組織的半導(dǎo)體照明示范項(xiàng)目的道路照明項(xiàng)目測(cè)試中，利用傳統(tǒng)亮度計(jì)與圖像式街道亮度計(jì)按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。

實(shí)踐結(jié)果證明，圖像測(cè)量技術(shù)測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)量方法基本吻合 (最大測(cè)試誤差為7%)。然而利用傳統(tǒng)亮度計(jì)進(jìn)行亮度測(cè)量，一條路的正常測(cè)試時(shí)間大約需要3個(gè)小時(shí)左右，而測(cè)量過程中時(shí)常由于馬路附近的車輛經(jīng)過而造成測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，需要反復(fù)測(cè)量，從而進(jìn)一步降低了測(cè)試的效率;利用圖像式街道亮度計(jì)則僅僅需要10分鐘左右就能完成該路面的亮度測(cè)量，從而大大提高了測(cè)試效率，進(jìn)一步證實(shí)本技術(shù)在道路照明測(cè)試實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值。

4 小結(jié)

本文對(duì)利用數(shù)碼相機(jī)研發(fā)的圖像亮度測(cè)量系統(tǒng)在道路照明測(cè)試中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，通過在相關(guān)項(xiàng)目中與傳統(tǒng)亮度測(cè)試方法的結(jié)果比對(duì)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本技術(shù)在道路照明測(cè)試實(shí)踐中的應(yīng)用潛力。相信隨著相關(guān)技術(shù)研究的深入開展，圖像式街道亮度計(jì)必將大大推動(dòng)我國道路照明檢測(cè)工作的發(fā)展和技術(shù)提升，從而為我國道路照明的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

［1］GB/T5700．照明測(cè)量方法．2008．

［2］CJJ45．城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)．2006．

［3］CIE No．12.2．機(jī)動(dòng)車交通道路照明的建議．1977．