馬 曄，姜曉梅，高 偉，聶卉婧，呂 亮

(1.北京清城品盛照明研究院有限公司，北京 100089；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100020)

引言

景觀照明作為塑造宜居夜間環(huán)境、提升居民自豪感、促進(jìn)夜間活動、帶動夜間旅游的重要手段，同時可有效提升城市形象、增強城市魅力，各級城市都在發(fā)展建設(shè)中。隨著景觀照明建設(shè)量的增加，很多不合理現(xiàn)象如光污染、過度照明等產(chǎn)生了，同時效果無法落實、與設(shè)計師提交的效果圖差異大、無法驗收等情況也出現(xiàn)了。設(shè)計方、使用方及監(jiān)管部門內(nèi)對景觀照明的效果質(zhì)量評價的需求日益增加。

景觀照明檢測需要測得局部亮度或建筑整體亮度，才能正確評估是否達(dá)到設(shè)計原定效果。如通過不同構(gòu)件間的亮度對比來表現(xiàn)層次，需要分別知道某個構(gòu)件上的亮度，此時不需要把其他非相關(guān)構(gòu)件納入測量區(qū)域;而測量整體建筑的表面亮度時，需將天空、地面以及其他相鄰建筑區(qū)分開。圖1～圖3是三種常見的景觀照明方式。圖1采用頂中底三段式的照明方式，需要測試屋頂平均亮度、立柱平均亮度等。圖2采用局部泛光照明方式，需要測試一個單元的局部亮度。圖3采用整體泛光照明方式，需要測試立面整體平均亮度。景觀照明的特點決定了，能精確選定測試區(qū)域的亮度測試方法則更具有實際使用意義。

圖1 頂、中、底三段式的照明方式Fig.1 Top，middle and bottom three-section lighting mode

圖2 局部泛光的照明方式Fig.2 Local flooding lighting mode

1 瞄點式亮度計與二維影像亮度計的特性比較

用于亮度測量的設(shè)備有瞄點式亮度計、二維影像亮度計和遮光筒式亮度計。其中遮光筒式亮度計因為沒有光學(xué)成像系統(tǒng)，不適用于景觀照明的測量。瞄點式亮度計即點式亮度計，通過光學(xué)成像系統(tǒng)將被測對象成像在探測器上，可通過視場角的改變選擇測量范圍，所使用的探測器為單個硅光電二極管或光電倍增管，因此只能測定測量區(qū)域的平均亮度。因其視場角為圓形，只適用于測量圓形區(qū)域的平均亮度，無法測量非圓區(qū)域的平均亮度，而且所測的圓形區(qū)域得出的是覆蓋范圍內(nèi)的整體亮度，無法區(qū)分視場內(nèi)不同點的差異。用于建筑立面的測量時會造成未完全覆蓋目標(biāo)構(gòu)件或覆蓋構(gòu)件之外的非測量區(qū)域，如圖4所示。即使使用多個測點拼接的方法(在外場測量時由于操作困難，準(zhǔn)確拼接測量區(qū)域不易實現(xiàn))也不能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，測試數(shù)據(jù)難以得到實際應(yīng)用。

圖4 瞄點式亮度計測量范圍Fig.4 Measurement range of imaging luminance meter

圖5 影像亮度計測量范圍Fig.5 Measurement range of image luminance meter

二維影像亮度計又稱面亮度計，其基于圖像解析技術(shù)，以面陣探測器代替單個探測器，能快速測量被測對象的亮度分布，導(dǎo)入計算機通過軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理?？筛鶕?jù)需要選擇相應(yīng)區(qū)域計算平均亮度，如圖5所示，有效解決了成像亮度計在景觀照明檢測方面受距離和視場角所限，無法完全覆蓋被測建筑或無法單獨測量局部細(xì)節(jié)的問題。但缺點是亮度數(shù)據(jù)不能實時得出，需要配備電腦從軟件中得出，不夠便捷；同時在不同的場景測量時，光圈、焦距、曝光時間等的設(shè)定、設(shè)置上由于自由度的增加，也引出了如何設(shè)置更能體現(xiàn)建筑物的真實亮度的問題研究。

總體來說，二維影像亮度計相對瞄點式亮度計已經(jīng)突破了選區(qū)限制，已經(jīng)開始在景觀照明檢測中發(fā)揮越來越重要的作用。

2 二維影像亮度計和瞄點式亮度計比對實驗

為了考察兩種亮度計用于景觀照明檢測的一致性，應(yīng)首先對亮度計進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)后我們增加了現(xiàn)場環(huán)境下的比對實驗。我們分別用二維影像亮度計和瞄點式亮度計于同一測量位置，測量同一建筑物的外立面。測量位置距被測建筑水平距離為30 m，亮度計距地面高度為1.5 m，二維影像亮度計分析區(qū)域與瞄點式亮度計視場角覆蓋范圍一致，亮度范圍為0.7～1 700 cd/m2，基本覆蓋常規(guī)景觀照明亮度范圍。

表1 二維影像亮度計與瞄點式亮度計測量結(jié)果比對Table 1 Comparison of measurement results of 2D image luminance meter and spot luminance meter cd/m2

對上述測量結(jié)果進(jìn)行偏差分析，結(jié)果表明二維影像亮度計與瞄點式亮度計測量同一區(qū)域亮度的偏差為0.1%～3.7%，說明兩種亮度計在景觀照明通常的檢測范圍內(nèi)偏差較小。

3 用于景觀照明的二維影像亮度計的計量特性

二維影像亮度計是一種新型的測量儀器，其計量特性評價和要求參照J(rèn)JG 211《亮度計檢定規(guī)程》，應(yīng)滿足亮度示值誤差、線性誤差、測量距離特性誤差等要求。針對其自身特點，應(yīng)增加不均勻性響應(yīng)誤差，同時基于景觀照明的視看范圍視場角大，還應(yīng)考察角度誤差。

a)亮度示值誤差：校準(zhǔn)時應(yīng)注意計量校準(zhǔn)范圍覆蓋暗視覺、中間視覺、亮視覺三個亮度范圍，建議亮度示值誤差≤±5%。

b)線性誤差：保持實驗條件不變，用標(biāo)準(zhǔn)亮度值在儀器相應(yīng)接近滿度示值和三分之一滿度示值的情況下，按照以下公式進(jìn)行計算：

(1)

c)不均勻性響應(yīng)誤差：影像亮度計使用面陣探測器作為測量器件，在測量均勻場時各點的差異是儀器品質(zhì)的重要考核指標(biāo)，也是保證儀器在測量范圍內(nèi)亮度、響應(yīng)度一致的重要指標(biāo)。選取評估區(qū)域內(nèi)的13個點進(jìn)行亮度均勻性評價，如圖6所示，均勻性評價參數(shù)計算方法為

(2)

圖6 評估區(qū)域內(nèi)的布點分布Fig.6 Evaluates the distribution of points in the area

式中Ymax為測量區(qū)域內(nèi)儀器示值最大值，Ymin為測量區(qū)域內(nèi)儀器示值最小值，Yave為測量區(qū)域內(nèi)儀器示值平均值。

d)測量距離特性：評價儀器在不同距離測量同一目標(biāo)亮度的偏差。保持實驗條件不變，在儀器對標(biāo)準(zhǔn)亮度值進(jìn)行測量時，變化測量距離進(jìn)行校準(zhǔn)。在室外遠(yuǎn)距離測量前，可通過經(jīng)校準(zhǔn)合格的成像亮度計現(xiàn)場定標(biāo)。建議距離特性誤差≤±1.0%。

e)角度特性：結(jié)合實際景觀照明亮度測試對于角度特性的需求，常規(guī)觀看角度為-45°～45°。可根據(jù)實際使用時的測量范圍進(jìn)行校準(zhǔn)，橫向比對不同角度測試結(jié)果，規(guī)范中對此值沒有硬性要求，建議角度特性誤差控制在≤±5%。

4 二維影像亮度計的現(xiàn)場校準(zhǔn)

夜景照明檢測現(xiàn)場往往需要根據(jù)實際情況進(jìn)行焦距調(diào)整，而在實驗室校準(zhǔn)時只能在幾種常用模式下進(jìn)行校準(zhǔn)，不能涵蓋現(xiàn)場使用的所有條件。現(xiàn)場可通過在測試對象上選取具有代表性的若干點，用瞄點式亮度計和二維影像亮度計分別測量，并對二維影像亮度計的測量結(jié)果進(jìn)行修正來確保測試數(shù)據(jù)的可靠。

在對二維影像亮度計進(jìn)行校準(zhǔn)時，應(yīng)盡量覆蓋常用的焦距、曝光時間的組合模式。在現(xiàn)場測量時，也應(yīng)盡量使用校準(zhǔn)過的模式進(jìn)行測量。若必須要采取非校準(zhǔn)狀態(tài)的模式進(jìn)行測量且數(shù)據(jù)僅作參考時，可采用以下方法：利用瞄點式亮度計測量建筑立面的多個點，亮度值盡量覆蓋測量對象的亮度范圍，在所測對象的平均亮度值附近應(yīng)有選點，選點還應(yīng)注意選擇亮度均勻沒有突變的區(qū)域，然后使用二維影像亮度計分別進(jìn)行測量，計算亮度修正值(二維影像亮度計示值=瞄點式亮度計示值+修正值)，得出非校準(zhǔn)狀態(tài)下二維影像亮度計的亮度測量結(jié)果。對于亮度跨度較小的情況，此方法修正結(jié)果的準(zhǔn)確度更高。

5 結(jié)論

我們分析了景觀照明亮度測試的特點，介紹了瞄點式亮度計、二維影像亮度計的原理和特點。通過現(xiàn)場試驗比較了兩種亮度計的測量結(jié)果，其偏差在景觀照明的常規(guī)亮度范圍內(nèi)較小。依據(jù)景觀照明檢測的特點，為保證測量結(jié)果的一致性，避免由于采用不同測量儀器造成偏差，用于檢測的儀器都應(yīng)提前校準(zhǔn)并符合相關(guān)要求。應(yīng)對二維影像亮度計的相對示值誤差、非線性誤差、均勻性誤差、測量距離特性等進(jìn)行考察，有側(cè)向測量需求時應(yīng)對角度特性進(jìn)行考察。由于景觀照明現(xiàn)場測試條件的多樣性，我們提出了一種在測試現(xiàn)場用瞄點式亮度計校準(zhǔn)二維影像亮度計來提高亮度測量準(zhǔn)確度的方法，該方法具有快速、準(zhǔn)確的特點。

在景觀照明檢測領(lǐng)域，二維影像亮度計由于其測量范圍容易選擇的特點，具備了更廣泛的適用性，但同時也對使用者提出了更高的要求。由于夜景照明檢測現(xiàn)場往往需要根據(jù)實際情況選擇合理的焦距、光圈、曝光時間等條件，且對測試選區(qū)提出了更高的要求，因此這方面就需要更多的經(jīng)驗積累。