道路照明测量方法研究_陈仲林

2005年6月　　　　　　　　第30卷第2期灯与照明　　　　　　　　

道路照明测量方法研究

陈仲林,翁季,胡英奎,张青文,黄珂,张晟鹏,刘英婴

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2

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1

1

(1.重庆大学建筑城规学院,重庆400045　2.重庆大学土木工程学院,重庆400045)

摘　要:该文介绍了一种用数码相机快速测量道路照明的亮度分布方法,该方法是一种简便迅速的亮度分布的新颖测试方法,并可在道路照明测试中推广使用。

关键词:数字图像;回归分析;测量方法;数码相机

,除了在市,一般均采用色温较低的高压钠灯照明;此外,机动交通道路的路面亮度一般在0.5cdΠ～2.0cdΠ范围内,所以宜在机动交通道路实际照明条件下,先建立数码相机获得的数字图像灰度值与亮度值之间的关系,再计算出路面亮度值。但是,由于数码相机毕竟不是测光仪器,所以从不同型号不同厂家生产的数码相机所采集的数字图像中提取的光度参数会产生差别,为此应进行相应实验,确定所采集的数字图像的灰度值和刺激值之间的关系式与相应的校正系数,提高亮度计算式的精度,满足城市机动交通道路照明设计需要。

用数码相机测量道路照明的路面亮度分布的关键是将摄取的数字图像的象素灰度值Ir、Ig、Ib转换成对应的刺激值R′,G′、B′,当数码相机光圈(光阑指数)和曝光时间(快门速度)固定(F=5,T=2秒),且在白平衡条件下,在实验室里对标准

1　引言

,量不断增加,,(或照度),这是因为采用传统方法时应将测量路段划分为一定大小且相等的矩形网格:在道路纵向同一侧两灯杆间至少布置10个测点,每一条车道横向应布置5个测点(均匀度较好或测量的准确度要求低时为3个测

点),用亮度计测量各测点处亮度;这种测量方法的工作量大,占据道路时间过长,影响交通运输。

在室外照明测量方法(国标)中规定,亮度测量宜采用一级亮度计;而且测量道路路面各点处亮度时,宜采用带望远镜的亮度计,在其垂直方向的视角应小于或等于2′,在水平方向的视角应为2′～20′,这种道路照明的测量方法要求是比较高的,普通的亮度计均不满足关于视场角大小的规定。

数码相机可将被拍摄场景的亮度和色度信息以数字图像的形式存储在内存中,并可方便地利用计算机的通用数据接口将数字图像传输到微机内,通过Photoshop数字图像处理软件等进行分析,最后获得被测路面的各测点处亮度值。随着数码相机的成像技术提高,目前已有800万象素的数码相机面市,所以采用数码相机快速近似测量道路照明的路面亮度已成为可能。

灰板、色板进行测试,且在实验结果中去掉使得因回归系数出现负数等异常数据,最后由回归分析获得刺激值R′与Ir之间的拟合结果如下:

R′=0.000718173Ir

2

1.81549

(1)

　　上式的标准估计误差SEE=0.416243,判定系数R=0.980410,拟合结果与实验结果也是较为吻合的。

刺激值G′与Ig之间的关系如下式所示:

G′=0.000681457Ig

1.63095

2　用数码相机测量道路照明的路

(2)

面各点处亮度

3自然科学基金资助项目(50378093)

　　上式的标准估计误差SEE=0.128783,判定系

・7・

2005年6月　　　　　　　　第30卷第2期灯与照明　　　　　　　　

数R=0.975243,拟合结果与实验结果也是较为吻合的。

但是象素点的灰度值Ib与刺激值B′之间的拟合结果较差,判定系数仅为0.821734,R也太小,所以直接从Ib中求出B′会导致产生较大误差。为此,宜从色度学系统的基本理论出发,根据已求得的R′、G′和由BM-5A色度亮度计测得的色品坐标x、y、z求出刺激值B′。

三刺激值X′、Y′、Z′与R′、G′、B′之间的关系由下式

[1]

2

2

像的灰度D与曝光量H的对数成比例,并可用下式表示:

D=vlgH+m

(6)

　　式中:v———纵坐标为D、横坐标为lgH的数码相机CCD感光特性曲线的直线段斜率,也称为反差系数;

m———系数,并可用刚开始曝光正常点B对应

的灰度Db与曝光量Hb及反差系数表示:

m=Db-vlgHb

(7)

确定,

0.430　　0.342　　0.0.222　　0.707　　0.0.020　　0.130　　0.RG(3)

　　在正常曝光条件下,数码相机的CCD输出也遵,CCD面(8)

[2]

XY=Z又∵　　=xz

B′=

(4)

:相机

镜头后的像面照度由被测目标的亮度Lt确定,即

E=Ltx0.178z

同理可求得

B′=

π

τ2×4F

(9)

0.939y-0.071z

　　式中:τ———相机镜头的光学透射比;

(5)

F———相机拍摄时光圈。

(2)式和(4)式或(5)式与由Photoshop现由(1)式、

由(8)式和(9)式得曝光量表达式,并代入(6)式后得

D=vlg

读出的灰度值,计算出B′,并根据色度学系统的基本理论算得相应的色品坐标x′、y′;如以同时用BM-5A色度亮度计测得的色品坐标x、y为准,则除了青色和绿色外,相对误差均在-5%～+5%范围内,计算结果是较为满意的,具体值如表1所示。

表1　色品坐标的实测值与

(2)、(4)式等计算值之间的相对误差(%)由(1)、

πτ+m2Lt

4F

(10)

　　上式整理后得被测目标的亮度

vLt=

πτT10

2

(11)

数码相机拍摄的数字图像的灰度D可用相应的三刺激值R′、G′、B′表示

[3]

100V110V120V

D=0.299R′+0.587G′+0.114B′(12)

颜色〗×100×100×100×100×100×100xyxyxy白色浅灰中灰深灰浅黑黑色红色品红黄色绿色青色蓝色

-0+1+3+3+3+2-1+1-1-13+10+3

+0-1+5-5-5-3+3-3+1+13+12-4

-1+0+1+3+3+2-1+0-2-14-12+2

+1-1-2-4-4-3+2-0+2+14+16-3

-1+0+1+2+4+2-1-1-2+13-11+2

+1-0-1-3-5-2+3+2+2+12+14-3

对于质量较好的数码相机而言,在正常曝光条件下反差系数v和相机镜头的光学透射比为常数,则设

a=

πτ

v

并令e=-

当把(12)式代入到(11)式后可得(bR′+cG′+dB′+e)

Lt=a10

T

2

(13)

式中:a、b、c、d、e———系数。

据研究表明,在道路照明条件下,即在一定的亮度水平时,R′、G′、B′中G′与被测目标的亮度有很大关系,R′与之亦有关系,而B′则与被测目标的亮度

　　在正常曝光条件下,用数码相机拍摄的数字图・8・

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关系就不太大,所以可把上式简化成

(bR′+cG′+e)

Lt=a10

T

2

表2　在不同亮度时标准灰板的亮度实测值和

(14)

L(cdΠm)Lt(cdΠm)

22

(17)式计算值比较

于是在指数函数的幂级数展开式中取前面2项整理后得

(fR′Lt=+gG′+h)T

2

灰板白色浅灰中灰深灰浅黑黑色白色浅灰中灰深灰浅黑黑色

2.69701.32000.78560.43970.23960.17714.19702.18501.25800.69880.38110.27442.67521.34770.71530.41080.29820.27964.14302.17841.19990.60480.37140.3208-1

+2

-9

-7+24+58-1

-0

-5-13-3+17

(15)

式中:f、g、h———系数。

当数码相机的曝光程序选择为自动模式时,从对应于光圈F为5、曝光时间为2秒的实验数据中拟合后得f=0.0162348,g=0.0567154,h=0.00903089;标准估计误差SEE为0.12644cdΠcm,判定

2

相对误差(%)

灰板白色浅灰中灰深灰浅黑黑色白色浅灰中灰深灰浅黑黑色L

2

(cdΠm()

系数R为0.9890,残差平方和RSS为0.52759cdΠcm,拟合结果并不理想。

2

2

5.68903.58902.01001.20900.95370.37229.33906.31483.61882.02921.22170.9737-3

+4

+0

+4

-9

+2-30-5

+1

+1

+1

+2

3理后得

Lt=a

2+(dR)h][(bReG′

T

2

2

相对

(16)

误差(%)

　　注:相对误差是以亮度实测值L为准算得的。

从表2中看出,利用(17)式计算道路照明亮度值时,如以亮度实测值L为准,则相对误差除实测亮度值较小(如小于0.3cdΠm,且由图像处理系统显示出曝光不足)和较大(如为13.31cdΠm)外,一般均＿±10%＿在范围内,所以利用(17)式估算道路照明亮度具有较高精度。但值得注意的是,由计算结果表明:(18)式的亮度计算值和标准色板的亮度实测值吻合较好。

2

2

上式的判定系数R为0.9967,拟合结果较为满意。对上式再进行改进后,获得了拟合效果更好的表达式

Lt=

22

[b(R′+f)+c(G′+g)+hR′G′+m]T

2

(17)

　　式中系数b=-0.00147435,f=-4.12173,c=0.00351184,g=5.04640,h=0.00848402,m=-0.0447391;标准估计误差SEE为0.0543476cdΠ,判

定系数R2为0.9982,残差平方和RSS为0.08861

cdΠ,拟合效果较好,计算结果如表2所示。但有可能

3　小　结

在对道路照明进行近似测量时,应首先对数码相机进行标定,即在光学实验室中,找出数码相机的光学特性表达式,即确定数字图像的象素灰度值Ir、

在路面亮度较小时会导致亮度计算值小于0,这是不合理的。为此,对被测目标亮度的拟合表达式再进行改进后得

2

()+c(fR′)+h]+gG′+gG′

)e[bfR′Lt=a(e+T

2

(18)

Ig、Ib与刺激值R′、G′、B′的关系式,然后再找出被测

式中系数a=5.25868,e=-9.87071,b=-0.0374792,f=0.278175,g=1.39377,c=0.619807,h=-3.63028;标准估计误差SEE为0.1131cdΠm,判定系数R为0.9923,残差平方和RSS

2

2

亮度的表达式。对于本实验中采用的SONY-F717数(2)式和(18)式就是该数码相码相机而言,(1)式、

机的光学特性表达式,利用这些表达式就可以方便

(下转第12页)

为0.3712cdΠm,拟合效果较好。

2

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2005年6月　　　　　　　　第30卷第2期灯与照明　　　　　　　　

复旦大学电光源研究所陈大华教授介绍了近年来复旦大学的照明领域的研究活动和部分研究成果。在道路照明方面,复旦大学根据道路照明处于中间视觉亮度水平的特点,近年来大量开展了中间视觉状态下人眼视觉功能及其应用项目的研究,已在国内外期刊发表论文近20篇,其中包括被SCI收录的期刊2篇,和在国际照明学会第25届大会(美国圣地亚哥,2003)上发表文章1篇。同时,复旦大学电光源研究所刚刚与江西赣粤高速公路股份有限公司签订了合作合同,承担从视觉功能的角度探讨隧道照明光源的选择这一项目。

德国达姆斯塔特技术大学照明研究所斯布鲁特先生(Mr.Sprute)对该研究所在照明领域特别是道、发展、测量评价、注意事项及重要性等方面发表了自己的看法。整个会场讨论极为激烈,场面热烈,一直持续了3个多小时。

3　结束语

研讨会结束时,正逢天黑,我们于是又参观了南昌美丽的夜景,但是关于道路照明的这一课题,经过了一整天的讨论,给我们留下了深刻的印象。根据我国公安部最近统计表明,2004年全国道路交通事故567753起,造成99217人死亡、451810人受伤,直接财产损失27.7亿元,其中夜间行驶事故已成为危害人民生命安全的主要杀手之一。随着车辆数量的不断增加,如何降事故、保安全、保畅通是世界各国。,道路照明对降,良好的道%。在我国道,道路和隧道照明技术的进一步发展已是迫在眉睫,我们更加感觉到肩上的重任,希望以后通过更多的研究活动,可以为提高我国的道路照明和隧道照明的水平、降低交通事故率作出贡献。

(上接第9页)

迅速的近似测量路面各点处亮度值。由表1表明,亮度计算值和实测值吻合较好,所以,是可以利用数码相机进行道路照明近似测量的。

为了提高利用数码相机测量道路照明的精确度,还要对数码相机的稳定性和重复性进行检验,同时要对数码相机在拍摄过程中色漂移量较大的原色进行修正;以及在被测目标亮度的拟合表达式中加

[4]

入数码相机的放大率影响,即应考虑数码相机的焦距与物距的影响。总之,应利用考虑了数码相机放大率影响的被测路面亮度的适宜表达式和已标定好的、且稳定性较好的、300万以上象素的专业数码

相机,在正常曝光条件下进行道路照明近似测量,同

时要尽量减少测量误差和计算误差,提高城市机动交通道路照明测量系统的精度。

参考文献

[1]　荆其诚等.色度学[M].北京:科学出版社,1979[2]　徐枫.摄影手册.中国摄影出版社,1983

[3]　沈天行,杜江涛.城市夜景照明的测试技术.国际夜景

照明研讨会,2001,上海,138～143

[4]　张兆.工业电视摄像机[M].北京:国防工业出版社,

1983

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