劉 艷，尤 源，羅愛順，秦大為，阮亞飛

(1.新能源與電子工程學(xué)院，鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城 224002；2.上?？颇児怆娂夹g(shù)有限公司，上海 200000)

引言

眩光是由多盞路燈在人眼視網(wǎng)膜上共同作用的結(jié)果，與駕駛員的真實(shí)目視效果存在一定偏差。道路照明中所使用的電光源種類繁多，有LED光源、金鹵燈、無(wú)極燈、高壓鈉燈等，但隨著城市亮化工程的實(shí)施，很多電光源亮度過(guò)高，光通量設(shè)置不合理，引起行人和駕駛員產(chǎn)生不舒適眩光和短期失能眩光[1]。例如很多發(fā)生在隧道口的交通路事故正是照明光源的眩光誘發(fā)的[2，3]。因此對(duì)道路照明眩光源的檢測(cè)對(duì)道路安全具有重要的社會(huì)意義[4]。

道路照明室內(nèi)眩光檢測(cè)一般在室內(nèi)暗房中利用旋轉(zhuǎn)式或臥式分布光度計(jì)對(duì)電光源及其燈具進(jìn)行定量測(cè)試，其測(cè)試精度高、穩(wěn)定性好。而道路照明眩光戶外測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，比如有景觀燈、廣告牌、紅綠燈、路面反光、汽車前大燈等干擾[5-7]。如何在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確測(cè)試路燈的眩光閾值增量已成為眾多專家和電光源企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[8-13]。戶外檢測(cè)通常采用點(diǎn)式亮度計(jì)和成像亮度計(jì)，但測(cè)試工作量巨大和存在安全隱患。

因此我們積極探索一種適用于數(shù)碼相機(jī)的車載式快速眩光測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境中的相機(jī)傾斜角度、曝光時(shí)間、濾光片，以及汽車的振動(dòng)和車流、綠化帶樹木、路面平整度等各種影響因素進(jìn)行定量研究。

1 車載式道路照明眩光測(cè)試系統(tǒng)

1.1 車載式道路照明眩光測(cè)試原理與測(cè)試系統(tǒng)

我們?cè)O(shè)計(jì)的車載式道路照明眩光測(cè)試系統(tǒng)是一種在汽車靜止時(shí)對(duì)路燈眩光閾值增量測(cè)試系統(tǒng)。先將車載專用的相機(jī)吸盤將相機(jī)支架放置在距離路面1.5 m高的汽車玻璃擋板上，然后固定好數(shù)碼相機(jī)，如圖1所示。再將筆記本電腦與相機(jī)可靠連接后，放置在汽車的合適位置。

圖1 車載式眩光測(cè)試裝置Fig.1 Pictures of vehicle-mounted glare tester

由于道路照明環(huán)境存在較高亮度的光源以及較低亮度的路面區(qū)域，因此數(shù)碼相機(jī)采用CR2原始數(shù)據(jù)格式的圖片，其動(dòng)態(tài)范圍只有3 200∶1。為了滿足道路照明眩光評(píng)價(jià)的要求，我們采用高動(dòng)態(tài)的測(cè)量方法分別對(duì)光源采用短曝光1/800 s(亮度測(cè)量范圍在500～50 000 cd/m2)，對(duì)路邊廣告牌采用中等曝光1/25 s(亮度測(cè)量范圍在1～1 000 cd/m2)，對(duì)路面亮度采用長(zhǎng)曝光5 s(亮度測(cè)量范圍在0.01～5 cd/m2)，通過(guò)眩光分析軟件進(jìn)行高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換得到整個(gè)照明現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的亮度信息。

利用佳能70D相機(jī)17 mm的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、光圈F4、ISO100的數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)采集汽車前方60～160 m范圍內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域圖片。圖2(a)～(c)分別在長(zhǎng)曝光5 s，中等曝光 1/25 s和短曝光1/800 s采集3張道路照明照片，其中長(zhǎng)曝光主要確定背景信息，中等曝光目的是眩光源定位確認(rèn)，短曝光目的是提取眩光源信息。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)眩光測(cè)試照片F(xiàn)ig.2 Pictures of test glare on the road

按照EN 13201—2015和CJJ 45—2015標(biāo)準(zhǔn)，確定視場(chǎng)方向和路面區(qū)域。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)路面的梯形區(qū)域轉(zhuǎn)換成矩形。根據(jù)單反相機(jī)成像系統(tǒng)的物象關(guān)系，空間物體F(θ,φ)的坐標(biāo)信息與傳感器芯片上的位置f(x,y)一一對(duì)應(yīng)，如圖3所示。通過(guò)對(duì)單反相機(jī)進(jìn)行空間位置的標(biāo)定獲取每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的空間角度信息(θ,φ)。根據(jù)式(1)得到每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的空間立體角Ω。

dΩ(x,y)=dθdφsinθ

(1)

圖3 亮度和空間位置信息標(biāo)定示意圖Fig.3 Luminance and spatial position information calibration diagram

根據(jù)目標(biāo)區(qū)域中的每一盞眩光源所對(duì)應(yīng)的角度和空間立體角，計(jì)算垂直面照度和光幕亮度[15，16]。若某個(gè)光源光幕亮度大于前面光源光幕亮度之和的2%時(shí)計(jì)入總光源光幕亮度。

EV=LS×Ω×cosθ

(2)

(3)

(4)

式中NAge為觀察者年齡，通常取23歲。

根據(jù)式(2)～式(4),可計(jì)算道路照明眩光閾值增量:

(5)

其中LB為道路平均亮度，可通過(guò)長(zhǎng)曝光照片分析得到。通過(guò)自編軟件提取駕駛員前方眩光源信息，如圖4所示，分析和計(jì)算各個(gè)路燈眩光源眩光閾值增量，并自動(dòng)計(jì)算總的閾值增量。

1.2 車載式道路照明眩光測(cè)試系統(tǒng)精度測(cè)試

由于戶外檢測(cè)干擾因素眾多，為了確定本系統(tǒng)的測(cè)試精度，采用文獻(xiàn)[14]的室內(nèi)UGR眩光評(píng)價(jià)方法對(duì)本系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)與光學(xué)軟件模擬和點(diǎn)式亮度計(jì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。測(cè)試條件如下:房間大小24 m×2.2 m×3 m，墻壁反射率為90.2，天花板反射率為89.75，地面反射率為40.66(包含鏡面反射)，面板燈發(fā)光尺寸為0.54 m×0.54 m，光源數(shù)量為6，面板燈到觀察者高度距離為1 m。點(diǎn)式亮度計(jì)采用柯尼卡美能達(dá)的CS-200點(diǎn)式亮度計(jì)，而本系統(tǒng)采用佳能70D單反相機(jī)并配置焦距f=4.5 mm的魚眼鏡頭，光圈調(diào)整為f4，ISO為100。將眩光亮度計(jì)放置到三腳架上調(diào)整高度至1.2 m，并使相機(jī)水平放置，相機(jī)中心正對(duì)前端墻壁中間1.2 m位置。

圖4 眩光軟件處理后的截圖Fig.4 Glare software processing screenshot

表1中采用光學(xué)模擬方法，由于模擬軟件只能模擬標(biāo)準(zhǔn)空間、燈具標(biāo)準(zhǔn)布置且墻壁反射率為經(jīng)典的材料，因此模擬結(jié)果與點(diǎn)式亮度計(jì)和本系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果存在一定的偏差。而本系統(tǒng)測(cè)試與瞄點(diǎn)式測(cè)量方法的數(shù)據(jù)結(jié)果相差很小。

表1 精度測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)表

數(shù)碼相機(jī)采用佳能70D相機(jī)，在光學(xué)暗室內(nèi)進(jìn)行亮度以及空間位置信息標(biāo)定，A光源的亮度精度在±4%。其誤差主要來(lái)自于自身光譜匹配的影響，隨著亮度偏差的增加，UGR測(cè)量誤差增大，如表2所示。

表2 亮度與眩光的關(guān)系

2 影響系統(tǒng)測(cè)試精度和重復(fù)性的因素

2.1 濾光片對(duì)車載式道路照明眩光測(cè)試的影響

采用車載式道路照明眩光系統(tǒng)對(duì)路燈光源和道路直接測(cè)試時(shí)，由于不同電光源其光強(qiáng)存在差異，特別亮的光源會(huì)導(dǎo)致拍攝圖片過(guò)曝光。為了定量研究這種影響因素，選取江蘇鹽城市世紀(jì)大道某標(biāo)準(zhǔn)路段，并在數(shù)碼相機(jī)鏡頭前加1 000倍衰減的濾光片進(jìn)行眩光測(cè)試，從而分析有濾光片和無(wú)濾光片測(cè)試之間的差異。選取好標(biāo)準(zhǔn)道路的目標(biāo)區(qū)域后，我們測(cè)得其濾光片對(duì)眩光測(cè)試的影響數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 濾光片對(duì)眩光測(cè)試的影響測(cè)試數(shù)據(jù)

顯然加濾光片后路面平均亮度重復(fù)性顯著變好，無(wú)濾光片時(shí)總的閾值增量標(biāo)準(zhǔn)差為0.237，而加上濾光片的閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.018，顯然加上濾光片后其閾值增量離散度變小，穩(wěn)定性變好。

眾所周知，為了防止紫外線，汽車的玻璃上一般會(huì)被貼上抗紫外線和紅外線的膜片，其膜片也是一種濾光片。由上述測(cè)試結(jié)果可知，無(wú)濾光片的平均閾值增量比有濾光片的大。因此，數(shù)碼相機(jī)放置在汽車前擋玻璃內(nèi)部和外部?jī)煞N不同情況下，閾值增量會(huì)受到汽車貼膜的影響。如果要精確測(cè)試路燈眩光，對(duì)于內(nèi)置式的眩光測(cè)試儀應(yīng)在測(cè)試前對(duì)針對(duì)不同的膜片進(jìn)行標(biāo)定，在軟件中系統(tǒng)參數(shù)里面增加修正系數(shù)，以減少汽車膜片對(duì)眩光測(cè)試的影響。

2.2 汽車傾斜度對(duì)眩光測(cè)試的影響

實(shí)測(cè)中，通常隨著車子上的人員數(shù)量變動(dòng)，汽車傾斜度會(huì)發(fā)生變化。汽車滿員時(shí)或?qū)ΨQ坐滿時(shí)調(diào)平相機(jī)，使得相機(jī)光學(xué)中心對(duì)著前方60～160 m的待測(cè)區(qū)域，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。當(dāng)前后排人數(shù)多于前排人數(shù)時(shí)，汽車會(huì)整體向上傾斜。當(dāng)前排人數(shù)多于后排人數(shù)時(shí)，汽車向上傾斜；若左側(cè)人數(shù)多于右側(cè)，汽車向左傾斜；同理，右側(cè)人數(shù)多于左側(cè)，汽車向右傾斜。

表4 汽車不同傾斜狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果

表4中汽車在不同傾斜情況下的相對(duì)誤差差異大，最大的達(dá)到12.44%。因此為了精確測(cè)量眩光值，必須對(duì)車載式眩光測(cè)試裝置中數(shù)碼相機(jī)的固定支架增加自動(dòng)調(diào)平裝置。這樣才能保證其測(cè)試精度和穩(wěn)定性。

2.3 汽車振動(dòng)對(duì)眩光測(cè)試的影響

為了考察汽車在未熄火狀態(tài)時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)數(shù)碼相機(jī)數(shù)據(jù)采集的影響，實(shí)測(cè)中在其他測(cè)試條件不變的情況下，連續(xù)測(cè)試了汽車振動(dòng)與熄火兩種狀態(tài)下路燈的眩光閾值增量，如圖5所示。顯然，汽車的振動(dòng)導(dǎo)致閾值增量離散度變大，最大的相對(duì)偏差達(dá)到12.5%。因此，在不加減震裝置之前，測(cè)試時(shí)保持汽車在熄火狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

圖5 汽車在振動(dòng)與熄火兩種狀態(tài)下眩光閾值增量的變化關(guān)系曲線Fig.5 The change of glare threshold increment of automobile in vibration and extinguishing

2.4 不同色溫的電光源對(duì)眩光測(cè)試重復(fù)性的影響

由于不同色溫光源在強(qiáng)度及配光分布方面具有差異，我們僅對(duì)車載式道路照明眩光測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同色溫電光源的測(cè)試穩(wěn)定性和重復(fù)性影響進(jìn)行定量研究。選取不同色溫的LED路燈道路和高壓鈉燈道路進(jìn)行眩光等級(jí)測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，對(duì)于不同色溫的電光源測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差相差小，測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性達(dá)到測(cè)試要求。

2.5 外界其他干擾因素對(duì)眩光測(cè)試的影響

戶外道路眩光測(cè)試比室內(nèi)眩光測(cè)試干擾因素多，比如車流、綠化帶樹木、路面平整度、景觀照明等等。GB/T 24827—2015《道路與街路照明燈具性能要求》要求道路眩光測(cè)量“觀察者以與亮度計(jì)算時(shí)相同的縱向間距和點(diǎn)數(shù)移動(dòng)，重復(fù)計(jì)算，得到一系列TI值，其中最大的即為所求的值”。因此我們選取鹽城市青年路某路段，汽車在第1車道對(duì)前方道路60～160 m區(qū)域，在兩個(gè)燈桿間距范圍(60 m)內(nèi)以3 m間隔對(duì)閾值增量TI進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)試?？疾炱渌缆犯蓴_因素對(duì)TI測(cè)量結(jié)果的影響，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 不同色溫的路燈對(duì)眩光測(cè)試的影響

表6 有外界干擾的眩光測(cè)試數(shù)據(jù)

表6中，剔除有明顯干擾的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其總閾值增量的平均值為1.190。1～3號(hào)測(cè)試點(diǎn)是道路中間綠化帶有樹木，導(dǎo)致近處的路燈未被軟件識(shí)別為眩光源，因此閾值增量偏低，最大的相對(duì)誤差達(dá)到46.6%。且路對(duì)面的電光源被道路中間綠化帶樹木遮擋或汽車一側(cè)路燈被路牙外側(cè)樹木遮擋，都會(huì)使得閾值增量降低；8～9、12、19～20號(hào)測(cè)試點(diǎn)是有車流干擾，同向行駛汽車的尾燈以及對(duì)面車道反方向行駛車流的近光燈都會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響，使得閾值增量變高，最大相對(duì)誤差達(dá)到139%；15號(hào)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試時(shí)存在路面高低不平，使得閾值增量數(shù)值變化。顯然，道路中有異物或測(cè)試時(shí)車內(nèi)人員大幅度晃動(dòng)，會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響。

因此，在眩光實(shí)測(cè)過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①選取標(biāo)準(zhǔn)路面進(jìn)行測(cè)試；②實(shí)測(cè)過(guò)程盡量避免較大車流，如不封路測(cè)試可利用綠燈間隙無(wú)車流情況下測(cè)試；③選取干凈路面進(jìn)行測(cè)試，如有異物盡量避免，可通過(guò)拍攝圖片是否有抖動(dòng)重影來(lái)判斷。

3 結(jié)論

我們針對(duì)濾光片、汽車傾斜度、振動(dòng)、不同色溫電光源、車流、樹木等影響車載式道路照明眩光的因素進(jìn)行了定量研究。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，戶外眩光檢測(cè)受到外界干擾因素較多，其中不同色溫的光源對(duì)眩光重復(fù)性影響較小，但是汽車的傾斜度和振動(dòng)對(duì)眩光測(cè)試影響較大。另外濾光片對(duì)眩光的閾值增量數(shù)值大小也有影響，因此汽車的前擋玻璃上若貼了防止紫外線膜時(shí)，必須進(jìn)行修正系數(shù)。因此，在研發(fā)車載式眩光測(cè)試系統(tǒng)時(shí)我們應(yīng)該綜合考慮上述因素才能準(zhǔn)確測(cè)試和評(píng)價(jià)戶外路燈照明的眩光。