隧道洞外亮度自動數碼測試分析方法研究

郭 春，柳玉良，王明年，孫志濤，張 翛，申俊敏

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；3.山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006)

引言

做為公路隧道照明設計標準中的重要一項即為洞外亮度L20(S)，其是指在公路隧道接近段起點處，距地面1.5m高、正對洞口方向20°圓錐角視場范圍內實測得到的平均亮度，其值的選取對隧道建設投資和運營費用都有極大的影響。東京灣海底隧道在設計時即對洞外亮度不同取值情況下的費用做過比較，當取值為4000cd/m2和6000cd/m2，其設備投資相差34%，運營電費相差30%。

在一般的公路隧道照明初步設計階段，L20(S)常采用查表法取得，這與實際洞外亮度值存在誤差[1-2]。因此，有必要建立起隧道洞外亮度值快速準確的測試和估算方法，這種方法可在公路隧道照明初步設計中提供L20(S)的準確取值，避免因L20(S)取值過大所產生的設備投資和運營成本的消耗。

1 自動數碼測試方法

過去，在對L20(S)值進行實測時，由于方法落后，存在用時長、工作量大、誤差大等問題。現在，伴隨著數碼產品的日新月異性的進步，即使是一般的家用數碼相機，其感光性、成像性也好于傳統的儀器。因此，我們可以將其做為L20(S)測試的有利工具[3-7]。

1.1 成像原理

由于相機可以將需成像對象經過鏡頭反映在感光材料上，并且根據光度學原理，圖像上所得到的各處密度與成像對象對應處的曝光量有著如圖1所示的對應關系。其中的縱軸D是圖像密度，橫軸lgH為曝光量(H)取對數。

圖1 數碼成像感光特性曲線Fig.1 The photosensitive material characteristic curve

圖1中的對應特性曲線可分為三個區間：

① A～B區間為曝光不充分區；

② C～D區間為曝光過度區；

③ B～C區間為合適曝光區。

本次研究中，成像對應研究即采用B～C區間的相關參數。B～C為成像主要區間，曝光量處于其間時可獲得清晰影像。B～C段的斜率為反差系數，是重要的感光特性指標。

本區間內，橫軸差值=lgHC-lgHB(寬容度L)，是現場實測中曝光量所使用的取值區間。

在成像過程中，曝光量H、光圈數F、曝光時間T、測試對象亮度B、鏡頭光學投射系數τ幾個參量間具有一定的關系，即：H=B×π×T×τ/4F2。

在數碼成像中，電荷耦合元件(CCD)對于光通量是呈線性反應的，即說明其具有與數碼成像感光特性曲線相同類似的對應關系。

數碼相機成像感光特性中，其數字圖像灰度值D，與曝光量H的線性關系為：D=f(lgH)。

由此，我們根據這種線性關系，在實測過程中，得到測試對象數碼照片的灰度值后，即可得到實測所采用的曝光量。同理，根據公式H=B×π×T×τ/4F2，可得到實測對象具體位置的亮度值。

1.2 測試設備及流程

采用數碼成像技術測試法，利用所拍攝的數碼照片，對隧道洞外亮度進行分析。實測所使用的主要儀器見表1、圖2。

表1 數碼成像測試設備Table 1 The equipment of digital imaging test

圖2 測試所需相關設備Fig.2 Related equipment needed for testing

數碼成像測試方法其基本原理為：L20(S)數值是綜合由洞口20°圓錐角視場內的成像中天空、路面及洞口不同位置處的亮度綜合計算得到。具體的測試流程為：

(1)自洞口隧道軸線處，沿軸線用皮尺量出洞外引入段的停車視距，確定三角架位置；

(2)數碼相機鏡頭中心距路面1.5m；

(3)將反射率為18%的灰卡置于拍攝點和洞口之間，灰卡中心距路面1.5m；

(4)將亮度儀置于三角架上，開啟后調整焦距，使測試對象在儀器觀景窗中清晰；

(5)換下亮度儀，用數碼照相機連同灰板拍攝出洞口及周圍環境的照片，拍攝時可利用魚眼鏡頭拍攝，可直接得到20°角圓錐視角范圍。拍攝時，須除去相機的閃光功能，并將相機的各種參數設置為缺省值，以獲得通常的效果；

(6)最后，將測試的數據和測試圖像輸入到計算機中，進行下一步的處理與分析。

1.3 數據處理方法建立

在完成現場測試后，將數碼照片轉到計算機中，并對采集的數據及時歸類。首先需要對數碼成像感光特性曲線進行標定，即：對已知亮度點(X，Y)拍攝，固定曝光參量，記錄光圈及曝光時間，反算對應曝光量H(X，Y)；采用Photoshop軟件，對(X，Y)處的RGB色彩模式下的顏色標準進行分解，并根據公式D(X，Y)=0.3R+0.59G+0.11B確定(X，Y)處的灰度值；重復步驟前兩步，進行交叉實驗，取得多組H(X，Y)、D(X，Y)對應數值，進行線性擬合，確定標定出的可用的數碼成像感光特性曲線D=f(H)[8、9]。

進而，對實際測試對象圖象進行處理，即：圖像分析軟件載入測試對象圖象，反分析得到D值；根據前面確定的D=f(H)，得到H。

最后，根據H、B之間的對應關系，得到被測試對象的各處亮度值。

2 自動測試方法廣域實驗驗證

2.1 實驗過程

在西南交通大學九里校區選擇一空地進行實驗，實驗按照數碼成像測試流程進行，見圖3、表2。

圖3 實驗測試照片Fig.3 Photos of laboratory test

灰卡亮度/(cd/m2)測試時間37011∶30

2.2 實驗結果分析

采用Photoshop進行圖像數據處理，得到所需數據，見圖4～圖6。

圖4 實驗數據處理Fig.4 The data processing of laboratory test

圖5 實驗圖片20°視錐角圓形區域內明度直方圖Fig.5 Brightness histogram of a circular area of cone angle 20° in laboratory test pictures

圖6 實驗圖片灰卡區域內明度直方圖Fig.6 Brightness histogram of gray card in laboratory test pictures

根據以上直方圖數據可知：20°視錐角圓形區域內的明度平均值為140.97，灰卡區域內的明度平均值為82.82。根據亮度儀測得灰卡亮度值為370cd/m2，可以得知預實驗的L20(S)為370×140.97/82.82=629.8(cd/m2)。

3 測試方法實地驗證

3.1 隧道參數及測試過程

隧道現場實驗選擇在都江堰至汶川高速公路上進行，實驗按照實驗流程進行，見表3、表4、圖7、圖8。

表3 隧道參數表Table 3 The tunnel parameter table

圖7 紫坪埔隧道實驗Fig.7 The field tests in Zipingpu tunnel

圖8 龍洞子隧道實驗Fig.8 The field tests in Longdongzi tunnel

外業實驗灰卡亮度/(cd/m2)測試時間紫坪埔隧道17510:40龍洞子隧道65011:14

3.2 紫坪埔隧道現場實驗結果分析

對紫坪埔隧道現場測試數據進行圖像數據處理，得到所需數據，見圖9～圖11。

圖9 紫坪埔隧道實驗數據處理Fig.9 The data processing of field tests in Zipingpu tunnel

圖10 紫坪埔隧道實驗圖片20°視錐角圓形區域內明度直方圖Fig.10 Brightness histogram of a circular area of cone angle 20° in field tests pictures of Zipingpu tunnel

圖11 紫坪埔隧道實驗圖片灰卡區域內明度直方圖Fig.11 Brightness histogram of gray card in field test pictures of Zipingpu tunnel

根據直方圖數據可知，20°視錐角圓形區域內的明度平均值為144.43，灰卡區域內的明度平均值為120.22。根據亮度儀測得灰卡亮度值為175cd/m2，可以得知都汶高速紫坪埔隧道洞外亮度的L20(S)為175×144.43/120.22=210.2(cd/m2)。

3.3 龍洞子隧道現場實驗結果分析

對龍洞子隧道現場測試數據進行圖像數據處理，得到所需數據(見圖12、圖13)。

圖12 龍洞子隧道實驗圖片20°視錐角圓形區域內明度直方圖Fig.12 Brightness histogram of a circular area of cone angle 20° in field tests pictures of Longdongzi tunnel

圖13 龍洞子隧道實驗圖片灰卡區域內明度直方圖Fig.13 Brightness histogram of gray card in field test pictures of Longdongzi tunnel

根據以上直方圖數據可知，20°視錐角圓形區域內的明度平均值為156.71，灰卡區域內的明度平均值為171.62。根據亮度儀測得灰卡亮度值為650cd/m2，可以得知都汶高速龍洞子隧道洞外亮度的L20(S)為650×156.71/171.62=593.5(cd/m2)。

4 結論

通過研究，確定數字圖像灰度值與曝光量H之間的線性關系為D=f(lgH)。數碼成像技術中，所拍物體某點的亮度計算公式為：B=H×4F2/π/T/τ。

建立起采用數碼成像技術測試隧道洞外亮度步驟、數碼相機感光特性曲線的標定方法以及測試數據處理方法，最終建立起基于數碼成像技術的公路隧道洞外亮度自動測試方法。

采用建立的隧道洞外亮度自動測試分析方法，對都汶高速兩座已通車的紫坪埔隧道和龍洞子隧道進行現場測試分析，驗證了測試方法。

下一步的研究將重點解決數據誤差處理及自動測試分析方法的優化。由于照片內圓形區域邊界處亮度差較大且易形成曲面現象，因此將采用基于曲面照度分布計算的曲面圖象灰度校正方法來改善測試精度不足的問題。

[1] 中華人民共和國交通部. 公路隧道通風照明設計規范JTJ 026.1—1999[S].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 中華人民共和國交通部. 公路隧道設計規范JTGD70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 殷穎，陳仲林，崔璐璐. 隧道入口段亮度計算方法比較研究[J].燈與照明，2008，32(2)：32-35.

[4] 郭春，王明年. 安徽旺竹園毗鄰公路隧道增設明洞照明方案研究[J].照明工程學報，2007，18(3)：32-35.

[5] 史玲娜，陳偉民，劉顯明等. 道路照明標準比較和節能分析[J].照明工程學報，2014，25(3)：58-63+88.

[6] 吳華. 公路隧道照明系統檢測方法探討[J].廣東公路交通，2002(3)：50-52.

[7] GUO Chun， WANG Mingnian， Tang Zhaozhi. A Study on Surge and Stall under the Interaction of Parallel Axial Flow Fan in Tunnel[J]. Noise and Vibration Worldwide， 2011， 42(11)：9-14.

[8] 張翛，申俊敏，王明年，等. 基于數碼成像技術的公路隧道洞外亮度分析方法研究[C].湖北恩施：運營安全與節能環保的隧道及地下空間暨交通基礎設施建設第四屆全國學術研討會，2013：28-33.