王嘉明, 喬衛(wèi)東, 張 恒, 李 奕

(1.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048；2.陜西省計量科學研究院 光學計量測試中心,陜西 西安 710065)

1 引 言

眩光是影響道路交通安全的因素之一。眩光按照影響程度分為不舒適眩光和失能眩光[1～8]。失能眩光會使人眼在一瞬間產(chǎn)生視覺障礙,導致駕駛者在某一瞬間看不清前方的人員和車輛,增加了駕駛者對復雜交通情況的判斷時間,從而增大交通事故發(fā)生的概率。而在實際道路交通中,道路光環(huán)境對駕駛員造成的失能眩光大多數(shù)為動態(tài)眩光。如交通監(jiān)控補光燈,其照明方式一般為爆閃、頻閃和常亮,隨著駕駛員與光源的相對位置的變化,光源造成的失能眩光也在實時變化。

目前國內(nèi)外對動態(tài)眩光測量的報道較少,現(xiàn)有文獻主要集中于靜態(tài)眩光測量方法以及動態(tài)圖像獲取方法。

在靜態(tài)眩光測量方面,陳仲林等[9]利用數(shù)碼相機測量道路照明亮度分布方法進行研究；錢偉等[10]在分析傳統(tǒng)道路布點方法缺點的基礎上,提出一種新型的道路照明亮度測量方法；沈天行等[11]研發(fā)的SM數(shù)字圖像光環(huán)境測試系統(tǒng),獲取圖像光環(huán)境參數(shù)。動態(tài)圖像獲取方法方面,如多靶面光合成[12～14]、單像素集成多個感光單元[15]、自適應像素曝光[16,17]、SVE(spatially varying pixel exposures)[17]、Digtial micro mirror陣列技術[18]、光學衰減器法、CMOS對數(shù)變換法[19]。不管基于哪種原理,其設備的制作都處于研究階段,尚未有產(chǎn)品化的專用設備。

因此針對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及目前其檢測方法中存在的問題,本文提出一種基于閾值增量的動態(tài)眩光測量方法,將視覺測量及數(shù)字圖像處理的方法應用于動態(tài)眩光測量系統(tǒng),通過降低圖像的獲取、存儲、處理及結果計算時間,提高整個系統(tǒng)的處理效率,實現(xiàn)對道路交通動態(tài)眩光的測量。

2 動態(tài)眩光測量原理

2.1 閾值增量TI

閾值增量(TI)是國際照明委員會(CIE)推薦使用的戶外道路照明眩光評價指標。TI是指當出現(xiàn)眩光源時,為了達到相同良好的視看條件,物體與背景之間對比度需要提高的百分比,根據(jù)《CIE 88: 2014 Guide for the lighting of road tunnels and underpasses》,定義公式[8]:

(1)

式中:

其中,Lav是路面的背景亮度,cd/m2；Lv是初始等效光幕亮度,cd/m2；Lv,k是第k個眩光源產(chǎn)生的初始等效光幕亮度,cd/m2；n是考慮的眩光源數(shù)量；Lk為第k個眩光源的亮度值,cd/m2；Sk為第k個眩光源的發(fā)光面積,m2；Rk、Tk、Hk為觀察者與眩光源之間的相對位置坐標,m；Ek是第k個眩光源在觀察者眼睛的中心照度,lx；θk是視線與眩光源至觀察者眼睛連線的角度,(°)；A是觀察者的年齡。

在實際的道路照明中,駕駛員所處的光環(huán)境多為動態(tài)場景。如隨著駕駛速度的不同,周圍的路燈會以不同的頻率在駕駛員的視野中呈現(xiàn)閃爍的狀態(tài)；交通監(jiān)控的補光燈會出現(xiàn)爆閃的狀態(tài)；夜晚行車會車時,對面汽車的探照燈也會呈現(xiàn)閃爍狀態(tài)。在基礎理論上,靜態(tài)和動態(tài)眩光測量系統(tǒng)的基礎計算原理都依據(jù)于閾值增量,但靜態(tài)眩光測量系統(tǒng)只能針對單一的、靜止不動的靜態(tài)場景,不能處理多變的、實時性的動態(tài)場景。而動態(tài)眩光測量系統(tǒng)通過縮短整個測量過程的測量時間,提高了測量效率,進而能夠實現(xiàn)多變化的動態(tài)場景的眩光測量。

2.2 動態(tài)眩光測量系統(tǒng)

根據(jù)上述閾值增量的計算原理,同時分析現(xiàn)階段已有的靜態(tài)成像式眩光測量系統(tǒng),本文建立的動態(tài)眩光測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)眩光測量系統(tǒng)框圖

整個系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像傳輸模塊、圖像處理及計算模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。圖像采集器實時采集現(xiàn)場圖像信息,同時對每幀圖像進行AD轉換和編碼處理；處理之后的數(shù)據(jù)進行傳輸放入內(nèi)存中；微型計算機將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行亮度和位置信息提取處理,同時進行閾值增量的公式運算,實時輸出數(shù)據(jù)至終端顯示；最后再將計算結果寫入硬盤進行存儲。

3 圖像處理與眩光計算

分析公式(1)閾值增量的計算過程,可以得出影響TI值變化的基礎分量,可以分為兩類:與亮度信息相關的眩光源亮度值Lk和背景亮度值Lav；與位置信息相關的Rk、Tk、Hk相對坐標及眩光源尺寸面積Sk。因此通過圖像處理,獲取圖像中相關的亮度和位置信息即可計算出TI值。

3.1 圖像亮度信息獲取

根據(jù)光學成像理論可知,相機獲取圖像的曝光量H與相機的像面照度E0存在關系式[20]:

H=E0·Tb

(2)

式中:

其中,Tb為相機獲取圖像時的曝光時間ms；τ為相機物鏡的透射率；F為相機光圈大?。籐為所拍攝目標物的亮度,cd/m2。

假設相機線性區(qū)域的線性關系式[21]為

D=f(lgH)

(3)

式中:D為灰度值；H為曝光量。

(4)

綜上可知,只需對相機進行亮度標定獲得相機的感光特性曲線,就可利用該曲線中的線性區(qū)域求得D所對應的H,進而由H求得實際環(huán)境亮度L。

本文采用Labsphere積分球均勻光源,規(guī)格型號為USLR-D08L-NMNN、恒流電源以及CS-2000A光譜輻射亮度計組成亮度標定系統(tǒng)對相機進行標定,標定光路圖如圖2所示。

圖2 亮度實驗標定光路圖

在標定實驗時,整個實驗室環(huán)境要求盡可能密閉,應當最大可能的減少任何雜散光,使得相機所獲取的光信息全部是由均勻光源發(fā)出的。搭建好實驗平臺后,固定相機光圈參數(shù)不變,只改變相機的曝光時間,使積分球亮度源的亮度值保持不變,對其進行多次拍攝,提取每幅圖像的灰度值D,然后利用公式(4)和標定時亮度源的亮度值計算每幅圖像所對應的曝光量H,再對D和 lgH進行數(shù)據(jù)擬合就可獲取當前亮度下曝光量與圖像灰度的關系。圖3為本文標定系統(tǒng)下所獲得的圖像灰度值與曝光量關系的變化曲線。

從圖3中可看出:在圖像灰度值分布的低段(0

圖3 圖像灰度與曝光量的關系

亮度回歸曲線如圖4所示,通過數(shù)據(jù)擬合處理圖像灰度值分布的中段(80

圖4 亮度回歸曲線

通過該公式就可利用標定好的相機進行亮度測試。

3.2 圖像位置信息獲取

要獲取圖像三維位置信息,則需對攝像機進行位置標定,其標定的過程就是為了求解像素坐標系、圖像坐標系、攝像機坐標系及世界坐標系之間的轉換關系[22],即通過上述四坐標系之間的轉換關系,就可以得到一個世界坐標點與其投影像素點之間的關系[23,24]:

(5)

式中:Xw、Yw、Zw為世界坐標系下相機的空間位置；Zc是相機的光軸,其垂直于圖像平面坐標系；參數(shù)fx、fy、u0、v0分別是焦距的放大系數(shù)及主點坐標,一般已標定好的相機上述參數(shù)已經(jīng)確定不變,它們僅與相機的內(nèi)部結構有關；R為3×3的旋轉矩陣；T為3×1的平移矩陣,它們僅與相機相對世界坐標系的位置有關；M1為相機的內(nèi)參矩陣；M2為相機的外參矩陣。獲取相機的內(nèi)外參數(shù)矩陣,即可確定世界坐標系中的圖像坐標[25]。

選用雙目攝像頭拍攝,分辨率為640 pixels×240 pixels。標定板采用格子大小為20 mm×20 mm的黑白棋盤格。左、右相機拍攝20組多角度多方向的圖像,通過圖像處理得到像素角點坐標,見圖5。

圖5 左右視圖角點檢測結果

圖6為雙目相機內(nèi)外參數(shù)標定過程中,雙目相機所處的空間位置。最右邊為相機1和相機2的位置關系,能夠看出雙目標定中兩個相機處于同一水平線上,使獲取到的左右圖像能夠處于同一水平面上。相機正前方不同姿態(tài)的正方形區(qū)域為標定板的位置,從圖中能夠看出,標定板呈現(xiàn)出20種不同的位置姿態(tài)。

圖6 左右相機的空間位置

標定得到左鏡頭、右鏡頭的內(nèi)參數(shù):

Focal Length: fc=(246.0,245.8); fc_right=(244.9,244.7)；

Principal Point: vc=(259.2,138.8); vc_right=(243.1,156.6)；

雙目相機的外參數(shù)旋轉矩陣R和平移矩陣T為

(6)

(7)

將左右相機的內(nèi)外參數(shù)代入式(5)進行運算,計算得到空間坐標值。計算三維坐標與實測三維坐標對比如表1所示。

計算三維坐標值和實測三維坐標值之間的絕對誤差,通過計算x、y、z方向上的絕對誤差分別為2.182 mm、2.114 mm、1.165 mm,絕對誤差均在10 mm允許范圍內(nèi)。

3.3 動態(tài)頻率

通過上述亮度與位置信息的提取及計算,再根據(jù)閾值增量的評價公式即可算出圖像場景中的TI值。整個動態(tài)眩光測量系統(tǒng)中單幀圖像處理時間與每個模塊的硬件和軟件信息有關,其總時間由圖像采集時間、圖像傳輸時間、圖像處理計算時間以及圖像存儲時間4部分組成。依據(jù)本文所開發(fā)的系統(tǒng)及其設備初步估算系統(tǒng)的動態(tài)頻率約為8 Hz。

4 測量驗證

4.1 閾值增量TI值準確性檢測實驗

本系統(tǒng)在實驗室暗室中搭建,使用計量機構標準動態(tài)眩光源校準系統(tǒng)完成系統(tǒng)的準確性檢測實驗。該校準系統(tǒng)通過固定測量點位置,并調(diào)整自身光源亮度變化,能呈現(xiàn)不同的閾值增量值的變化。

為了驗證本系統(tǒng)計算的閾值增量值測量的準確性,將動態(tài)眩光測量系統(tǒng)放置在規(guī)定的測量位置,調(diào)節(jié)校準器使其出現(xiàn)5種不同的閾值增量值,讀取動態(tài)眩光測量系統(tǒng)的實測閾值增量值。實測值與標準值數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出,動態(tài)眩光測量系統(tǒng)的閾值增量實測值與標準值的最大相對誤差為3.5%,最小值為0.95%,相對誤差符合標準動態(tài)眩光源校準系統(tǒng)小于5%的要求。

表2 閾值增量實測值與標準值數(shù)據(jù)表

4.2 動態(tài)眩光測量系統(tǒng)頻率檢測實驗

所搭建的系統(tǒng)能實時輸出動態(tài)的閾值增量值,將動態(tài)眩光測量系統(tǒng)放置于規(guī)定的測量位置開始檢測,同時讀取動態(tài)眩光測量系統(tǒng)的實時TI值(在背景亮度為4 cd/m2的條件下)。

表3為時間與閾值增量實時數(shù)據(jù)。表3中時間讀取格式為秒,實時處理圖像100張。

表3 時間與閾值增量實時值

為保證頻率計算的同步性和準確性,可信時間數(shù)據(jù)應為完整時間段,因此截取表中編號6～97的數(shù)據(jù)進行計算。該區(qū)間所用時間為12 s,處理92張圖像,可計算出系統(tǒng)頻率為7.67 Hz。

4.3 不確定度評定

動態(tài)眩光測量系統(tǒng)在眩光測量過程中,圖像采集器實時采集現(xiàn)場圖像信息,同時對圖像進行AD轉換和編碼處理,然后微型計算機將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行亮度和位置信息提取處理,最后再對數(shù)據(jù)進行公式運算并實時顯示閾值增量值。

在測量過程中產(chǎn)生誤差的主要因素有以下2種:

(1)獲取圖像中的眩光源亮度值La、圖像中的背景亮度值Lav所引起的不確定度分量u1、u2。

(2)獲取眩光源的面積S、動態(tài)眩光測量系統(tǒng)與校準器的相對位置R、T、H所引起的不確定度分量u3、u4、u5、u6。

根據(jù)上述公式(1)給出的閾值增量的計算方法,建立不確定度評定的數(shù)學模型如下:

(8)

通過上述實驗數(shù)據(jù)結合數(shù)學模型,確定各個不確定度分量如表4所示。

表4 不確定度分量表

合成標準不確定度:

取k=2,則擴展不確定度:

Urel=0.5%

5 結 論

(1)系統(tǒng)在基于閾值增量的基礎上,實現(xiàn)對多變場景閾值增量的動態(tài)測量。

(2)基于相機與微型計算機結合測量的特點,提出了一套動態(tài)眩光測量系統(tǒng)與方法,通過以圖像為分析對象實現(xiàn)實時性的測量閾值增量值,解決了傳統(tǒng)檢測方法繁瑣、機械化等問題,實現(xiàn)了智能化檢測。

(3)實驗測量以及不確定度分析表明:動態(tài)眩光測量頻率為7.67 Hz；動態(tài)眩光測量的不確定度U=0.5%(k=2),滿足實際檢測要求。