季雙雙， 于蓮芝， 尤 源

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

基于CCD的道路照明亮度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

季雙雙， 于蓮芝， 尤 源

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

利用CCD成像基本原理，在研究了道路照明亮度與圖像關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于CCD數(shù)碼相機(jī)的道路照明亮度測(cè)試系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一種道路照明的實(shí)用標(biāo)定裝置。借助于MATLAB軟件給出了數(shù)碼圖片的像素灰度值與亮度之間的數(shù)學(xué)模型，對(duì)標(biāo)定環(huán)境中關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了定量研究，并在鹽城市松江路進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果與參照值的相對(duì)誤差均在15%以內(nèi)，表明新設(shè)計(jì)的測(cè)量方法有效地提高了道路照明指標(biāo)測(cè)試的精度與效率，減少了測(cè)量誤差。

計(jì)量學(xué)；道路照明；CCD；亮度；遺傳算法

1 引 言

在道路照明的諸多目的中，為機(jī)動(dòng)車駕駛者提供安全舒適的視覺條件始終是第一位的。評(píng)價(jià)一條機(jī)動(dòng)車道路的照明指標(biāo)主要是指路面的平均亮度、亮度均勻度［1］。亮度測(cè)量范圍是距離測(cè)量點(diǎn)60～160m的區(qū)域；小目標(biāo)可見度的測(cè)量則是在83.07m的距離上進(jìn)行。傳統(tǒng)的亮度測(cè)量方法是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量方式，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且測(cè)量效率低［2］。IEN（意大利國(guó)家電子技術(shù)研究院）研制了移動(dòng)式亮度測(cè)量裝置，但是價(jià)格昂貴。近年來隨著CCD技術(shù)的發(fā)展，基于CCD的測(cè)量技術(shù)成為光學(xué)檢測(cè)的一個(gè)主要手段［3，4］。利用光譜響應(yīng)特性與觀察者光視效率函數(shù)一致的CCD光電耦合器件，通過光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)獲取發(fā)光體的光輻射強(qiáng)度和圖像，再經(jīng)線性信號(hào)處理系統(tǒng)，可得到測(cè)量視場(chǎng)中被檢測(cè)目標(biāo)的亮度結(jié)果［5］。CCD成像型亮度計(jì)成為亮度測(cè)量方法的一個(gè)研究熱點(diǎn)［6］。陳仲林等人利用數(shù)碼相機(jī)測(cè)量了路面各點(diǎn)處亮度［7］，王磊等利用CCD測(cè)量對(duì)比度的原理設(shè)計(jì)了基于CCD的公路照明測(cè)試系統(tǒng)［8］。近年來國(guó)外已經(jīng)推出了用數(shù)碼相機(jī)作為主機(jī)的影像式亮度計(jì)（如德國(guó)Techno Team公司的LMK系列、日本CYBERNETCAE公司的PM-1400F系列），基于圖像分析軟件技術(shù)并結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量亮度［9］。國(guó)內(nèi)也研發(fā)了成像亮度計(jì)81M／CX-2A可適用于道路路面、景光照明的測(cè)量。由于數(shù)字圖像更容易進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，利用CCD成像技術(shù)進(jìn)行道路照明測(cè)量是一項(xiàng)精度高且方便可行的測(cè)試方法。本文嘗試并設(shè)計(jì)了3種標(biāo)定裝置，提出了道路照明亮度測(cè)量的實(shí)用標(biāo)定裝置，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)，分析道路照明亮度測(cè)量方法的精度與效率。

2 道路照明亮度測(cè)試系統(tǒng)

利用數(shù)碼相機(jī)將被拍攝場(chǎng)景的亮度信息以數(shù)字圖像的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并可方便地利用計(jì)算機(jī)的通用數(shù)據(jù)接口將數(shù)字圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，通過數(shù)字圖像處理軟件等進(jìn)行分析，最后獲得被測(cè)路面的各測(cè)點(diǎn)處亮度值。這種測(cè)量方法和常規(guī)方法相比，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①清晰度高；②定位準(zhǔn)確；③測(cè)量時(shí)間短；④重復(fù)性好。所以采用數(shù)碼相機(jī)快速近似測(cè)量道路照明的路面亮度是一種可行的測(cè)量方法。

本文研究了3種標(biāo)定裝置，積分球法標(biāo)定裝置是再現(xiàn)文獻(xiàn)［10］中CCD成像型亮度計(jì)測(cè)量方法研究的標(biāo)定裝置，得到數(shù)碼相機(jī)的感光曲線，驗(yàn)證亮度與數(shù)字圖像像素灰度值之間的數(shù)學(xué)模型。室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)板標(biāo)定裝置是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)地面進(jìn)行亮度標(biāo)定，主要是驗(yàn)證利用數(shù)碼相機(jī)直接對(duì)地面進(jìn)行標(biāo)定的可行性，而不需要像傳統(tǒng)的方法借助標(biāo)準(zhǔn)的灰板或色板，同時(shí)研究在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)地面標(biāo)定得到的數(shù)學(xué)模型是否適用于對(duì)實(shí)際道路進(jìn)行實(shí)測(cè)。因?yàn)閷?shí)際道路材質(zhì)不同，光源不同，還會(huì)受到諸多外界因素的干擾。室外標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)了亮度計(jì)與照度計(jì)固定裝置，選取實(shí)際道路對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行亮度標(biāo)定，同時(shí)研究路燈鎮(zhèn)流器內(nèi)部變化引起光通量變化對(duì)道路照明亮度測(cè)量的影響。借助MATLAB軟件得到亮度與數(shù)字圖像像素灰度值之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)3種標(biāo)定裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，同時(shí)對(duì)影響道路照明亮度測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度的因素進(jìn)行研究之后，設(shè)計(jì)了實(shí)際道路照明亮度測(cè)量標(biāo)定裝置，并進(jìn)行實(shí)測(cè)。但是由于測(cè)試系統(tǒng)存在諸多硬件方面的不足和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，本文引入了遺傳算法從全局上對(duì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，流程圖見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

3 基于CCD的道路照明亮度測(cè)試系統(tǒng)

3.1 標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)

為了分析CCD成像過程中亮度與數(shù)字圖像灰度之間的關(guān)系，本文再現(xiàn)文獻(xiàn)［10］中CCD成像型亮度計(jì)測(cè)量方法，研究其中的標(biāo)定裝置，見圖2。

圖2 積分球法標(biāo)定裝置

標(biāo)定過程中，使用積分球建立一個(gè)均勻的輻射光源，利用積分球內(nèi)表面具有的超高反射和散射特性，光源發(fā)出的光在均勻分布的球壁作無規(guī)則的反射，使光強(qiáng)能量在積分球內(nèi)部均勻分布，將光度計(jì)使用的CCD相機(jī)放置于積分球出口處，同時(shí)使用一個(gè)光電探測(cè)器對(duì)積分球輸出的光亮度進(jìn)行測(cè)量。選取了直徑1m的積分球，具有良好的漫反射，反射率約為0.8。根據(jù)不同光亮度下圖像的灰度值，得到攝像機(jī)的感光曲線。

裝置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)地面進(jìn)行亮度標(biāo)定，使用調(diào)壓器來控制標(biāo)準(zhǔn)光源，調(diào)節(jié)光源的發(fā)光強(qiáng)度。裝置使用TND-2000VA型穩(wěn)壓電源和TDGC2J-2型調(diào)壓器，穩(wěn)壓電源的輸入電壓范圍0～250 V，額定輸出電流是8 A（輸出容量為24VA）。在測(cè)量時(shí)，此標(biāo)定裝置應(yīng)置于暗室中，關(guān)閉門窗及其他照明光源，將CCD攝像機(jī)固定在三角支架上，保持所有器件的狀態(tài)不變，且亮度計(jì)與CCD應(yīng)該在同一位置同時(shí)對(duì)被測(cè)地面進(jìn)行測(cè)量和拍攝，見圖3。

圖3 室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)版標(biāo)定裝置

此標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)了亮度計(jì)、照度計(jì)的固定裝置，在測(cè)量過程中，裝置的高度以觀察者的眼睛高度為宜，通常站姿為1.50 m，坐姿為1.20 m。利用標(biāo)桿確定數(shù)碼相機(jī)的放置高度，確保每次測(cè)量時(shí)數(shù)碼相機(jī)高度保持不變。同時(shí)在地面上對(duì)數(shù)碼相機(jī)拍攝范圍的中心點(diǎn)做標(biāo)記，使亮度計(jì)、照度計(jì)與數(shù)碼相機(jī)在同一位置并且亮度計(jì)與照度計(jì)中心對(duì)準(zhǔn)地面上的標(biāo)記點(diǎn)。

在開始測(cè)量前2 min對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行調(diào)整，曝光程序與白平衡設(shè)定為自動(dòng)模式，固定光圈和曝光時(shí)間分別為20和5 s，設(shè)置感光度為ISO 200。選擇在燈具的間距、高度、懸挑、仰角和光源的一致性等方面能代表被測(cè)路面的典型路段進(jìn)行測(cè)量。為了進(jìn)一步分析天氣變化、路面的材質(zhì)和裝置高度變化對(duì)亮度測(cè)量的影響，選取了鹽城市開放大道和范公路在晴天和雨天改變標(biāo)定裝置的高度分別進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量方法是從路燈底下最亮處到兩燈燈光相交處隨機(jī)取點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)借助標(biāo)定裝置研究了鎮(zhèn)流器功率與光源光通量之間的關(guān)系和鎮(zhèn)流器功率變化對(duì)道路照明亮度測(cè)量產(chǎn)生的影響，測(cè)量方法是選取同一高度同一地點(diǎn)每相隔一定時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。

3.2 標(biāo)定結(jié)果的分析

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析得出借助某一種光源對(duì)地面標(biāo)定得到的數(shù)學(xué)模型，并不適用于其它的光源；通過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定得到的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際道路測(cè)量過程中并不適用；不同材質(zhì)的路面在不同的天氣情況下對(duì)亮度標(biāo)定測(cè)試的結(jié)果也會(huì)有很大的偏差；在測(cè)量過程中應(yīng)盡量避免因操作人員測(cè)量原因引起的誤差。

在分析了標(biāo)定裝置中遇到的問題后，得出影響道路照明亮度和照度測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度的因素主要有：①標(biāo)定路面的材質(zhì)，因?yàn)椴煌牧系穆访?，反射特性不同；②被測(cè)路面周圍的環(huán)境變化，主要是指測(cè)試區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)車經(jīng)過時(shí)車燈的影響，行人和車輛經(jīng)過時(shí)造成光線的變化；③數(shù)碼相機(jī)對(duì)成像質(zhì)量因素的影響，包括曝光時(shí)間、鏡頭的畸變、CCD的非線性、白平衡、等效感光度、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和圖像數(shù)據(jù)的壓縮算法等等；④標(biāo)定裝置，亮度計(jì)在測(cè)量過程中容易形成匹配誤差、紫外響應(yīng)誤差、紅外響應(yīng)誤差、疲勞誤差、測(cè)量距離變化引起的誤差，還有非線性誤差、換檔誤差、光譜響應(yīng)度的不穩(wěn)定性等，均影響測(cè)量精度。探測(cè)器非均勻照射、環(huán)境溫度變化也會(huì)對(duì)亮度計(jì)產(chǎn)生影響。在測(cè)量過程中，數(shù)碼相機(jī)與亮度計(jì)是否保持穩(wěn)定狀態(tài)（不晃動(dòng)），兩者安裝的高度、角度是否一致都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；⑤天氣變化，不同的天氣情況下數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖片與亮度計(jì)測(cè)量的亮度相差較大；⑥軟件方面的影響，在借助MATLAB軟件進(jìn)行灰度提取和標(biāo)定曲線擬合時(shí)存在一定的系統(tǒng)誤差。為了提高道路照明亮度測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度，提出了道路照明亮度測(cè)量的實(shí)用標(biāo)定裝置。由于測(cè)試系統(tǒng)存在諸多硬件方面的不足和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，在建立亮度與灰度的數(shù)學(xué)模型時(shí)，如果片面的或局部的硬性處理將會(huì)導(dǎo)致大偏差。因此需要從全局上對(duì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，而遺傳算法的廣泛可用性和全局最優(yōu)性為數(shù)據(jù)擬合和預(yù)測(cè)提供了可靠的工具。

3.3 最優(yōu)的標(biāo)定方案及實(shí)測(cè)

此裝置在借助第3種標(biāo)定裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了數(shù)碼相機(jī)、亮度計(jì)和照度計(jì)的固定裝置。選取對(duì)稱布燈的路段，道路縱向?yàn)橥粋?cè)兩根燈管之間的距離，道路橫向取1／2路寬。首先測(cè)量2個(gè)路燈之間的距離，然后在2個(gè)路燈之間布點(diǎn)測(cè)量，保持點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離大致為1m。標(biāo)定和實(shí)測(cè)在鹽城市松江路進(jìn)行。

晴天測(cè)量得到亮度與灰度之間的關(guān)系：

照度與灰度之間的關(guān)系：

式（1）標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差SEE為0.054 3476 cd／m2，判定系數(shù)R2＝0.985，殘差平方和RSS為0.088 61 cd／m2。式（2）的判定系數(shù)R2＝0.945。從圖4中可以看出，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

雨天得到亮度與灰度之間的關(guān)系：

照度與灰度之間的關(guān)系：

式（3）的判定系數(shù)R2＝0.799，式（4）的判定系數(shù)R2＝0.930。從圖5中可以看出，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

遺傳算法是建立在自然選擇和群體遺傳學(xué)機(jī)理基礎(chǔ)上的隨機(jī)迭代和進(jìn)化，具有廣泛適用性的搜索方法，具有很強(qiáng)的全局優(yōu)化搜索能力［10］。因此引入了遺傳算法從全局上對(duì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。編碼采用二進(jìn)制編碼，輪盤賭選擇法，群體規(guī)模為80，Pc＝0.8，Pm＝0.01，最大代數(shù)為300，適應(yīng)度限為0.000 1。借助以上標(biāo)定裝置對(duì)路面進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

如以亮度和照度的實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)，則相對(duì)誤差均在15%范圍以內(nèi)，有計(jì)算結(jié)果表明亮度和照度的計(jì)算值和亮度計(jì)、照度計(jì)的實(shí)測(cè)值吻合較好。故利用此種方法標(biāo)定后的數(shù)碼相機(jī)拍攝的數(shù)字圖像可以較準(zhǔn)確地計(jì)算道路表面的實(shí)際亮度值。

圖4 晴天亮度、照度與灰度關(guān)系圖

圖5 雨天亮度、照度與灰度關(guān)系曲線

表1 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

4 結(jié) 論

在對(duì)道路照明進(jìn)行近似測(cè)量時(shí)，應(yīng)首先對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，找出圖像灰度值與亮度值之間的表達(dá)式。本文亮度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合較好，表明是可以利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行道路照明近似測(cè)量的。為了提高利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行道路照明亮度測(cè)量的精確度，還要對(duì)數(shù)碼相機(jī)的穩(wěn)定性、重復(fù)性進(jìn)行校驗(yàn)，考慮數(shù)碼相機(jī)的焦距、物距、感光度的影響。總之，應(yīng)利用專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，在正常曝光條件下進(jìn)行道路照明近似測(cè)量，盡量減少測(cè)量誤差和計(jì)算誤差，提高城市道路照明測(cè)量系統(tǒng)的精度。

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Road Lum inance Test System Designer Based on CCD

JIShuang-shuang， YU Lian-zhi， YOU Yuan
（University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

Based on the imaging property of CCD，amethod for design of CCD imaging luminance for road luminance testwas proposed.It is analyzing the relationship between the gray-level of the image pixel and the lum inance of the measurement point and find a road lighting practical demarcation installment.To improve themeasurement accuracy，the influential factors of the calibration environment in a quantitative study is analyzed.With the aid of the MATLAB software between the digital picture element grey level and brightnessmathematicalmodel is given，the Songjiang Road in Yancheng city ismeasured.The relative error of the test results and the reference value iswithin 15%indicting that the new designed method is effective to improve the road lighting test accuracy and reduce themeasuring error.

Metrology；Road lighting；CCD；Brightness；Genetic algorithm

TB96

A

1000-1158（2014）03-0226-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．03．07

2012-06-05；

2012-09-27

季雙雙（1989－），女，浙江麗水人，上海理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng)。1092994141＠qq.com