圖像式街道亮度計在道路照明測試中的開發(fā)和應用

王書曉 張 濱 羅 濤 趙建平

(中國建筑科學研究院，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，提高交通運輸效率;方便人民生活，降低犯罪率和美化環(huán)境。長期以來，道路照明設計一直是基于路面“照度標準”進行的。伴隨著關(guān)于人生理研究的進步，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，能夠更好的評估、預測道路及道路兩側(cè)的物體的可見度。特別1977年《機動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計標準中逐步得到人們的認可和接受，并于20世紀80年代開始逐步作為道路道明的設計標準。我國的《城市道路照明設計標準》CJJ45—2006也根據(jù)道路使用功能及車流量對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、眩光限制等進行了規(guī)定。

2 傳統(tǒng)道路路面亮度測量儀器要求及檢測方法

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

2.1 亮度計

在道路照明測量中，當需要測量亮度總均勻度和亮度縱向均勻度時，宜采用帶望遠鏡頭的光亮度計，其在垂直方向的視角應小于或等于2'，在水平方向的視角應為2'～20'。

2.2 亮度測量方法

亮度計的觀測點的高度，應距路面1.5 m。亮度計的觀測點的縱向位置:應距第一排測量點為60m，縱向測量長度為100m(圖1)，或至少應包括同一側(cè)兩燈桿之間的區(qū)域。

圖1 路面亮度觀測示意圖

在道路縱向，當同一側(cè)兩燈桿間距小于或等于50m時，通常應在兩燈桿間按等間距布置10個測點;當兩燈桿間距大于50 m時，應按兩測點間距小于或等于5 m的原則確定測點數(shù)。在道路橫向，在每條車道橫向應布置5個測點，其中間一點應位于車道的中心線上，兩側(cè)最外面的兩個點應分別位于距每條車道兩側(cè)邊界線的1/10車道寬處;當亮度均勻度較好或?qū)y量的準確度要求較低時，在每條車道橫向可布置3個點，其中間一點應位于每條車道中心線上，兩側(cè)的兩個點應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)亮度計進行測量需要測量路面上近三百多個測點亮度值，從而造成亮度測量變得十分復雜和困難，并耗費大量的時間。特別是測量過程中還需要道路上沒有車輛的干擾，而隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，道路上的機動車輛越來越多，這一點實現(xiàn)起來更加困難，同時還存在很大的安全隱患。

3 圖像亮度測量系統(tǒng)在道路亮度測量中的開發(fā)及應用

3.1 圖像式街道亮度計優(yōu)勢

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

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

3.2 圖像式街道亮度計重點解決問題

圖像亮度測試技術(shù)的出現(xiàn)為光環(huán)境評價提供了新的技術(shù)手段，但是評價方法的發(fā)展相對較為滯后，仍然是基于傳統(tǒng)測量手段開展的。因此，當前圖像亮度測量技術(shù)的應用研究首先要根據(jù)現(xiàn)有測量方法標準的要求，通過圖像亮度計提高測試效率和精度，以更好的指導照明實踐，具體包括以下三方面內(nèi)容:

(1)圖像式街道亮度計亮度校正;

(2)圖像式街道亮度計幾何校正;

(3)圖像式街道亮度計操作、分析軟件編制。

3.2.1 圖像式街道亮度計亮度校正

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

中國建筑科學研究院早在2009年就完成了課題“基于數(shù)碼相機的圖像亮度測量技術(shù)研究”，就系統(tǒng)的對影響相機測量亮度和色度參數(shù)的三大因素 (光學系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和圖像處理算法)進行了認真的研究。通過實驗研究及計算機模擬分析，對光學系統(tǒng)誤差模擬試驗分析，CCD特性實驗，得到了相機的亮度測量的測量范圍。其中特別是通過對佳能相機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，進一步提高了測試精度和單幅圖片可測試亮度范圍。這些工作對最終開發(fā)出價格更為低廉、具有良好的市場推廣價值的圖像式亮度計具有重要的指導意義。通過本技術(shù)的研究，對傳統(tǒng)圖像亮度測量技術(shù)有了重大改進，見表1。

表1 測試技術(shù)基本技術(shù)指標對比表

通過比較可見，本課題的研究成果的主要性能指標優(yōu)于同期國內(nèi)外主要的研究成果，在研究成果鑒定會上鑒定評審專家們一致認為本研究成果達到了國際先進水平。在項目中，將基于該研究的成果，對項目中使用的相機系統(tǒng)進行亮度校正，從而確保該亮度計滿足測試精度要求。

3.2.2 圖像式街道亮度計幾何校正

圖像亮度計要記錄視野內(nèi)的亮度分布，就需要準確反映發(fā)光物體的大小及方位，而在圖像亮度測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方面的研究，從而制約了圖像亮度測試裝置的發(fā)展。特別是在道路照明中按照現(xiàn)有測量標準規(guī)定，獲取對應測點亮度值，就迫切需要通過對圖像式街道亮度計進行幾何校正。

中國建筑科學研究院在2011年所完成的課題“圖像亮度測量的幾何校正技術(shù)研究”依據(jù)攝影測量學等相關(guān)理論，針對相機鏡頭畸變，提出了圖像亮度測量的幾何校正方法。在相機鏡頭線性數(shù)學模型的基礎上，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)碼相機幾何映射模型，使其幾何角度測試精度提高了一倍。

3.2.3 圖像式街道亮度計操作、分析軟件編制

建立道路照明展示中心，能快速測量不同照明測量場景下的照明指標數(shù)值，并能及時顯示，從而有利于幫助參觀者對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操作、分析軟件。該軟件應包含以下幾個方面的功能:

(1)亮度計控制功能模塊，可以與相機實時通訊，設置測試參數(shù)，下載測試數(shù)據(jù);

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

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

3.3 圖像式街道亮度計的應用

中國建筑科學研究院對圖像亮度測量系統(tǒng)在道路照明測試中的應用情況進行了相應的驗證工作，先后在四川省、貴州省及國家發(fā)改委組織的半導體照明示范項目的道路照明項目測試中，利用傳統(tǒng)亮度計與圖像式街道亮度計按照現(xiàn)有標準要求進行比對測量。

實踐結(jié)果證明，圖像測量技術(shù)測試結(jié)果與傳統(tǒng)測量方法基本吻合 (最大測試誤差為7%)。然而利用傳統(tǒng)亮度計進行亮度測量，一條路的正常測試時間大約需要3個小時左右，而測量過程中時常由于馬路附近的車輛經(jīng)過而造成測試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，需要反復測量，從而進一步降低了測試的效率;利用圖像式街道亮度計則僅僅需要10分鐘左右就能完成該路面的亮度測量，從而大大提高了測試效率，進一步證實本技術(shù)在道路照明測試實踐中的應用價值。

4 小結(jié)

本文對利用數(shù)碼相機研發(fā)的圖像亮度測量系統(tǒng)在道路照明測試中的應用進行了介紹，通過在相關(guān)項目中與傳統(tǒng)亮度測試方法的結(jié)果比對，進一步驗證了本技術(shù)在道路照明測試實踐中的應用潛力。相信隨著相關(guān)技術(shù)研究的深入開展，圖像式街道亮度計必將大大推動我國道路照明檢測工作的發(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．照明測量方法．2008．

［2］CJJ45．城市道路照明設計標準．2006．

［3］CIE No．12.2．機動車交通道路照明的建議．1977．