相機(jī)結(jié)合HDR圖像技術(shù)在博物館光環(huán)境分析中的應(yīng)用與驗(yàn)證

王嘉亮

(1.清華大學(xué)，北京 100085;2.Department of Architecture，Texas A＆M University，U．S．77843)

1 量化與可視化分析的必要性

博物館屬于對(duì)光環(huán)境條件要求比較高的建筑類型之一，其照明主要需要滿足兩個(gè)方面的要求:視覺清晰且舒適的要求以及展品保護(hù)的要求。為滿足展品清晰可見且保證觀看者的視覺舒適度，需要對(duì)光環(huán)境中亮度、亮度對(duì)比、眩光、光源顯色指數(shù)、色溫等參數(shù)進(jìn)行控制。我國的博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范以及其他國際標(biāo)準(zhǔn)中，亮度、亮度對(duì)比是普遍接受的參數(shù)指標(biāo)，用以控制展品表現(xiàn)與環(huán)境眩光。例如:

通常情況下，有效得獲得亮度相關(guān)數(shù)據(jù)的途徑為使用光學(xué)儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)物理測(cè)試，然而這種方式不僅消耗時(shí)間，而且受到測(cè)試點(diǎn)位置和數(shù)量的影響。由此原因，非實(shí)測(cè)方式的量化分析系統(tǒng)逐漸得到了發(fā)展和應(yīng)用，主要包括 M.S.Rea的影像分析、Steven J．Orfield的 CAPCALC、V．Berruto的 CCD 數(shù)碼相機(jī)測(cè)試和天津大學(xué)沈天行教授SM像測(cè)系統(tǒng)［3～6］。這些系統(tǒng)應(yīng)用的局限性主要在于設(shè)備的高造價(jià)、應(yīng)用的復(fù)雜性或數(shù)值準(zhǔn)確性。隨著HDR(即High Dynamic Range)圖像技術(shù)的逐漸進(jìn)步，2005年美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室將這一主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和影像拍攝領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和評(píng)測(cè)，并轉(zhuǎn)移到建筑光環(huán)境分析的應(yīng)用中。隨后，關(guān)于數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)字圖像的對(duì)齊、自動(dòng)讀取、疊加亮度反應(yīng)曲線等輔助功能的插入，如今該免費(fèi)的技術(shù)平臺(tái)正在很多照明研究機(jī)構(gòu)中進(jìn)行應(yīng)用分析和拓展。

2 HDR圖像技術(shù)原理

最早提出HDR圖像方式的是Paul Debevec，他在1997年SIGGRAPH會(huì)議上發(fā)表了一篇文章，關(guān)于如何從不同曝光條件下同一場(chǎng)景的一組照片中恢復(fù)高動(dòng)態(tài)范圍圖像，這種技術(shù)可以通過照相機(jī)捕捉實(shí)現(xiàn)從黑暗陰影到高亮光源的更大動(dòng)態(tài)范圍的圖像［7］。該技術(shù)產(chǎn)生的本質(zhì)原因是由于大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)包括顯示儀器等僅能夠顯示或捕捉幾個(gè)數(shù)量級(jí)的亮度變化［8］，而人眼條件下實(shí)際場(chǎng)景的亮度變化范圍能夠達(dá)到12～14個(gè)數(shù)量級(jí)。因此當(dāng)亮度對(duì)比范圍超過單張圖像數(shù)字信息所能表示的范圍，數(shù)據(jù)會(huì)溢出從而導(dǎo)致環(huán)境實(shí)際信息的缺失。如果增加或減少曝光量滿足局部的環(huán)境細(xì)節(jié)反應(yīng)，會(huì)影響其他局部從而產(chǎn)生曝光過渡或者完全黑暗的問題 (如圖1)。因此，通過低動(dòng)態(tài)范圍 (LDR)圖像合成高動(dòng)態(tài)范圍 (HRD)圖像后，采用色調(diào)映射 (Tone Mapping)技術(shù)在有限動(dòng)態(tài)范圍媒介例如電腦顯示器、打印圖上等近似顯示最終的圖像，即形成了HDR圖像。盡管顯示在屏幕等媒介上的HDR圖像無法完全反應(yīng)亮度對(duì)比的關(guān)系，但是文件自身已經(jīng)相對(duì)準(zhǔn)確地記錄了場(chǎng)景的亮度和亮度關(guān)系信息，這為通過數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行照明的分析和評(píng)估提供條件。HDR圖像的存儲(chǔ)格式針對(duì)應(yīng)用者和電腦系統(tǒng)，可以選擇不同類型，包括RAW，Radiance，TIFF，JPEG等，表1為某一同場(chǎng)景的各類型采集圖像所含數(shù)據(jù)的壓縮程度及文件大小。

圖1 盧森堡MUDAM藝術(shù)館的中央展廳 (筆者拍攝)過強(qiáng)或過弱的曝光導(dǎo)致場(chǎng)景中部分細(xì)節(jié)的丟失

表1 圖像大小與質(zhì)量

3 HDR圖像技術(shù)的應(yīng)用流程

由于HDR圖像技術(shù)的便捷和準(zhǔn)確性，對(duì)于建筑師在設(shè)計(jì)工作中可以相對(duì)簡單在三到四步的流程中應(yīng)用［8］。而對(duì)于專業(yè)的光環(huán)境分析中，HDR技術(shù)的應(yīng)用流程可進(jìn)一步細(xì)分為五步:亮度反應(yīng)曲線的確定、多曝光時(shí)間場(chǎng)景圖像的獲取、HDR成像、刻度校準(zhǔn)以及圖像分析。

1)亮度反應(yīng)曲線的確定:由于不同型號(hào)相機(jī)對(duì)亮度的反應(yīng)不同，并且同一型號(hào)相機(jī)所得圖像中的像素亮度與實(shí)際亮度并不是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以通過亮度反應(yīng)曲線的確定可以恢復(fù)相機(jī)數(shù)字圖像的像素亮度與場(chǎng)景中實(shí)際點(diǎn)亮度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體方法是拍攝一組曝光量變化范圍較大的照片，將其導(dǎo)入HDR Shop或者Photosphere等軟件得到 “亮度反應(yīng)曲線”(如圖2)。

圖2 幾款相機(jī)的亮度反應(yīng)曲線圖示 (圖像來源:WebHDR)

2)多曝光時(shí)間場(chǎng)景圖像的獲取:通過數(shù)碼相機(jī)調(diào)整不同的曝光量采集場(chǎng)景圖像，盡量完整的反應(yīng)待分析空間中的各個(gè)細(xì)節(jié)，這樣得到的照片即原始的LDR(Low Dynamic Range低動(dòng)態(tài)范圍)圖像。

3)HDR成像:在 HDR-Shop或 Photosphere等軟件中導(dǎo)入LDR圖像，并疊加亮度反應(yīng)曲線生成HDR圖像。目前，已經(jīng)開發(fā)了很多種HDR的成像軟件，其中部分軟件為免費(fèi)使用，例如基于MAC的Photosphere，PC的 HDRShop軟件。圖 3為通過HDRShop疊加一組LDR圖像而得到的HDR圖像。

4)刻度校準(zhǔn) (Photometric Calibration):首先相機(jī)光孔是通過鏡頭里的光圈來調(diào)節(jié)大小的，光圈值通過光圈撥桿或觸點(diǎn)傳給機(jī)身，其構(gòu)造只是有限次的完全重復(fù)性，因此每次采集圖像時(shí)的實(shí)際光孔大小會(huì)有所不同而帶來一定的誤差。另外，相對(duì)相機(jī)上表示的快門速度與真實(shí)曝光時(shí)間也存在一定誤差，例如1/500s的快門速度，在Nikon F3上為1/531s。這些誤差加在一起使得相機(jī)的曝光量并不完全準(zhǔn)確。然而HDR技術(shù)所涉及的圖像曝光量來自相機(jī)顯示的參數(shù)，因此其像素亮度在疊加了亮度反應(yīng)曲線之后僅是調(diào)整了相機(jī)感光裝置在整體線性上的誤差，而無法改變HDR圖像單個(gè)像素亮度的準(zhǔn)確性。這就要求我們采用實(shí)際的亮度測(cè)試儀進(jìn)行同位置點(diǎn)校正，像素亮度與實(shí)際亮度的比值也被稱為刻度校準(zhǔn)系數(shù)(calibration factor)。

圖3 原始LDR圖像的采集與HDR圖像生成左側(cè)6張采集照片為法國巴黎的奧塞美術(shù)館 (ISO250/F-stop3．5/快門1秒到1/2500秒);右側(cè)為HDRShop軟件合成的HDR圖像

5)圖像分析:校正之后得到的HDR圖像可以有如表1所示的多種格式，這些數(shù)字圖像能夠在HDR-Shop，Photosphere進(jìn)行偽彩色圖和等亮度曲線圖等內(nèi)容的分析。此外，也可以用Radiance XYZE的格式在Radiance專業(yè)照明分析軟件中進(jìn)行分析，得到人視條件圖像、亮度灰度圖等。圖4即結(jié)合相機(jī)采用HDR圖像技術(shù)的整個(gè)分析流程。

圖4 應(yīng)用HDR技術(shù)于專業(yè)光環(huán)境分析的流程

4 博物館光環(huán)境的HDR技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證

前文已提及博物館建筑的室內(nèi)光環(huán)境獨(dú)特性，因此本課題中我們也選擇了巴黎盧浮宮建筑中的法國雕塑展覽館作為應(yīng)用對(duì)象并進(jìn)行數(shù)值準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，并采用Minolta LS-100亮度計(jì)進(jìn)行同步亮度實(shí)測(cè)。首先，我們使用相機(jī)Nikon D80采集了如圖5的該空間六張不同曝光量的照片，而后利用Mac Photosphere進(jìn)行HDR圖像的生成 (圖6左)并得到了如下的偽彩色圖像 (圖6右)。對(duì)于HDR技術(shù)的亮度數(shù)值準(zhǔn)確性，我們采用同步物理測(cè)試的方法，進(jìn)行對(duì)比。下圖7左可以看出在實(shí)際場(chǎng)所中的選取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的亮度數(shù)值以及亮度對(duì)比數(shù)值 (以最低亮度點(diǎn)為單位1);圖7右側(cè)為對(duì)應(yīng)的HDR偽彩色圖像亮度對(duì)比。

圖6 合成的HDR圖像與其對(duì)應(yīng)的偽彩色圖

圖7 選取點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的亮度實(shí)測(cè)數(shù)值與亮度對(duì)比以及在HDR偽彩色圖中的采集比較

我們利用同樣的方法采集并分析了共五組建筑光環(huán)境的圖像并進(jìn)行了同步的亮度實(shí)測(cè)得到如下的曲線圖8。所進(jìn)行的照片采集和測(cè)試均在晴朗天空條件下進(jìn)行，獲得不同場(chǎng)景下的26組數(shù)據(jù)，亮度變化范圍由13.2～16676.5cd/m2，統(tǒng)計(jì)后的平均誤差為7.9%，且高誤差主要分布在過亮與過暗的部分。通過實(shí)測(cè)進(jìn)行刻度校正之后的HDR圖像將具有更加準(zhǔn)確的亮度信息。

對(duì)于該技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性，Dr．MN Inanici曾經(jīng)做過同場(chǎng)景的HDR圖像分析與物理測(cè)試的比較，他采用Nikon CoolPix 5400和FC-E9魚眼鏡頭獲得圖像并導(dǎo)出HDR圖像，其亮度數(shù)值與實(shí)際數(shù)值的誤差在全陰天條件下為5.8%，自然光條件下為7.2%。此外，由于相機(jī)對(duì)不同程度色彩的反應(yīng)不同，因此不同的光源條件會(huì)影響HDR的亮度數(shù)值。他綜合了不同的光源條件以及天然光條件下的485個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比較，統(tǒng)計(jì)得出的亮度誤差平均值為7.3%［12］。

圖8 選取點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的亮度實(shí)測(cè)數(shù)值與亮度對(duì)比以及在HDR偽彩色圖中的采集比較

5 適用性探討

HDR技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為照明研究者提供一種相對(duì)準(zhǔn)確、低成本和快速的數(shù)字化分析途徑，同時(shí)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無法實(shí)現(xiàn)或難以準(zhǔn)確的區(qū)域亮度評(píng)估。而且，HDR 技術(shù)能夠結(jié)合 Desktop RADIANCE照明分析平臺(tái)進(jìn)行合成、等亮度曲線、亮度對(duì)比等更為細(xì)致的分析。我們認(rèn)為隨著數(shù)碼圖像技術(shù)的完善和發(fā)展，HDR技術(shù)在照明研究領(lǐng)域中具有巨大的潛力。目前，天津大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)研究所基于原有的SM像測(cè)系統(tǒng)的成果和技術(shù)原理，嘗試?yán)孟鄼C(jī)獲得點(diǎn)照度的原理結(jié)合材料反射率進(jìn)行照度分布圖的生成研究，進(jìn)一步考慮輻照度的參變量獲得;此外針對(duì)HDR圖像原有的紅綠藍(lán)三色通道獲得關(guān)鍵光譜強(qiáng)度分布。該套技術(shù)平臺(tái)可以應(yīng)用于趨光性動(dòng)植物光生態(tài)與綠色照明的研究。隨著數(shù)碼相機(jī)配套技術(shù)的發(fā)展，例如照片疊加功能、對(duì)齊功能、魚眼鏡頭標(biāo)記功能等，以及數(shù)碼相機(jī)機(jī)械元件的制造技術(shù)提高和改進(jìn)，基于HDR圖像技術(shù)原理的方法在相關(guān)照明領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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