基于成像型亮度計(jì)的車(chē)燈配光性能檢測(cè)系統(tǒng)研究

謝祖通， 翁曉偉， 陳愛(ài)華

(1.臺(tái)州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000)

基于成像型亮度計(jì)的車(chē)燈配光性能檢測(cè)系統(tǒng)研究

謝祖通1， 翁曉偉1， 陳愛(ài)華2

(1.臺(tái)州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000)

針對(duì)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)式車(chē)燈配光檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測(cè)成本高、耗時(shí)等問(wèn)題，本文提出了一種基于成像式亮度計(jì)的車(chē)燈配光性能檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CCD傳感器，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)獲取車(chē)燈光照的強(qiáng)度，并以數(shù)字圖像的形式顯現(xiàn)出來(lái)；通過(guò)檢測(cè)近光圖像的明暗截止線將配光圖像劃分為強(qiáng)光區(qū)和弱光區(qū)，以兩臺(tái)通光孔徑不同的CCD相機(jī)分別進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，擴(kuò)大傳感器感光的動(dòng)態(tài)范圍；分析確定光源亮度和數(shù)字圖像像素灰度之間的關(guān)系，最后根據(jù)像素的灰度值判定待測(cè)點(diǎn)的亮度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在誤差允許的范圍內(nèi)，成像型亮度計(jì)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)式配光檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測(cè)操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，穩(wěn)定性好。

配光檢測(cè)；CCD傳感器；明暗截止線；曝光時(shí)間

引言

車(chē)燈對(duì)車(chē)輛在夜間或者光線昏暗條件下的行駛安全至關(guān)重要，因此世界各國(guó)根據(jù)本國(guó)國(guó)情都強(qiáng)制性的對(duì)車(chē)燈的配光性能做了嚴(yán)格規(guī)定，以保證行車(chē)安全[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)均采用轉(zhuǎn)臺(tái)式車(chē)燈配光性能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的前后移動(dòng)，平移以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改變待測(cè)燈的位置，按照國(guó)標(biāo)要求逐個(gè)檢測(cè)測(cè)試點(diǎn)的照度是否滿足國(guó)標(biāo)的要求[2-3]。傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①檢測(cè)系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行多維運(yùn)動(dòng)，誤差及控制難度大；②耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于一個(gè)熟練的檢測(cè)人員，檢測(cè)完成一個(gè)車(chē)燈至少需要30 min，因此只能實(shí)現(xiàn)抽樣檢測(cè)；③檢測(cè)成本高，主要包括檢測(cè)系統(tǒng)成本及勞動(dòng)力成本。

近年來(lái)，隨著CCD技術(shù)的快速發(fā)展，利用CCD技術(shù)檢測(cè)光源的亮度成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)[4-6]?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于成像式亮度計(jì)的車(chē)燈配光性能檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CCD傳感器，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)獲取車(chē)燈光照的強(qiáng)度，并以數(shù)字圖像的形式顯現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)檢測(cè)近光的明暗截止線，將圖像劃分為強(qiáng)光區(qū)和弱光區(qū)，分別用兩臺(tái)通光孔徑不同的相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)；分析確定光源亮度和數(shù)字圖像像素灰度之間的關(guān)系，最后根據(jù)像素的灰度值判定國(guó)標(biāo)規(guī)定的車(chē)燈測(cè)試點(diǎn)的亮度。

1 成像型亮度計(jì)的工作原理

根據(jù)光度學(xué)和幾何光學(xué)可以得到：圖像成像面上的照度與發(fā)光面上的照度關(guān)系可以由式(1)表示[7]。

(1)

其中E為成像面上的照度，L為發(fā)光面上的照度，τ為發(fā)光系統(tǒng)的透過(guò)率，f為透鏡的焦距，l為透鏡到發(fā)光面的距離，fm=f/D為系統(tǒng)的F數(shù)，D為孔徑的直徑，由于f/l非常小，故(1-f/l)2≈1，式(1)可以簡(jiǎn)化為

E=KL

(2)

圖像成像面上的照度是由像素的灰度體現(xiàn)出來(lái)的[8-10]，由式(2)可知，在成像系統(tǒng)固定的情況下，圖像成像面上的照度與發(fā)光面上的照度成正比，因此，可以通過(guò)圖像的灰度值反映發(fā)光面的照度大小。

2 基于成像型亮度計(jì)的車(chē)燈配光性能檢測(cè)原理

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)的整體框架

基于成像型亮度計(jì)的車(chē)燈配光檢測(cè)原理如圖1所示，為了降低雜散光的干擾，CCD攝像頭和配光屏幕處于一個(gè)暗室中，待測(cè)車(chē)燈的光線打在配光屏幕上，以CCD攝像頭為光學(xué)核心元件，車(chē)燈在配光屏幕上的亮度分布在CCD的光敏面上成像，經(jīng)過(guò)量化編碼后，將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB3.0傳送到計(jì)算機(jī)中。由于車(chē)燈的亮度動(dòng)態(tài)范圍非常寬，因此采用兩臺(tái)通光孔尺寸不同的攝像頭分別檢測(cè)車(chē)燈的高亮度區(qū)和低亮度區(qū)，每臺(tái)攝像頭通過(guò)自動(dòng)調(diào)整曝光時(shí)間來(lái)擴(kuò)展感光的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)屏幕上亮度點(diǎn)的位置標(biāo)定好后，就可以根據(jù)事先標(biāo)定的像素灰度值，曝光時(shí)間以及亮度的關(guān)系，確定配光屏幕上各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的亮度值，實(shí)現(xiàn)配光檢測(cè)的目的。

圖1 配光檢測(cè)原理的示意圖Fig.1 Light distribution test principle

2.2 明暗截止線的檢測(cè)

從以上的原理可以看出：明暗截止線的檢測(cè)是采用成像型亮度計(jì)實(shí)現(xiàn)車(chē)燈配光檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)。近光的明暗截止線圖像如圖2所示，圖像以明暗截止線為界，劃分為亮區(qū)和暗區(qū)兩部分。本文采用canny算子檢測(cè)明暗截止線[11]。

在常見(jiàn)的邊緣檢測(cè)算法中，canny算子是一種綜合性能較好的檢測(cè)算法。該算法既考慮了前期的預(yù)處理，降低了噪聲的影響，有對(duì)檢測(cè)的邊緣進(jìn)行了進(jìn)一步分析，去除了偽邊緣，具體步驟如下：

第1步:采用高斯濾波器平滑圖像，降低圖像噪聲的影響；

第2步:用一階偏導(dǎo)檢測(cè)每個(gè)的梯度幅值和梯度方向；

第3步:對(duì)梯度進(jìn)行非極大值抑制和雙閾值法，去除偽邊緣點(diǎn)；

第4步:連接邊緣點(diǎn)或者邊緣線段使其盡量成為一個(gè)閉合曲線。

最后得到的近光明暗截止線如圖3所示。

圖2 明暗截止線圖像Fig.2 Shading line image

圖3 明暗截止線檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Shading tine test result

2.3 CCD成像型亮度計(jì)的標(biāo)定

在曝光時(shí)間一定的條件下，CCD成像型亮度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍非常的小，因此無(wú)法直接用于檢測(cè)，為了提高亮度計(jì)的檢測(cè)范圍，需要根據(jù)需要調(diào)整傳感器的曝光時(shí)間，根據(jù)CCD傳感器的原理可以知道，數(shù)字圖像中像素的灰度值與被測(cè)光源的亮度和曝光時(shí)間兩個(gè)因素密切相關(guān)。本文采用文獻(xiàn)[7]中的方法標(biāo)定數(shù)字圖像中像素的灰度值、傳感器的曝光量及光源的亮度三者之間的關(guān)系，采用二次擬合的方法將灰度、曝光時(shí)間和亮度之間的關(guān)系一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，用于車(chē)燈光源的檢測(cè)。

2.4 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

目前國(guó)際上車(chē)燈測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有兩大體系：一個(gè)是美國(guó)的SAE體系，另一個(gè)是歐洲的ECE體系。我國(guó)參照了ECE體系標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。它的最大特點(diǎn)是前照燈的近光有明顯的明暗截止線，目的是在保證遠(yuǎn)、近都有良好的照明時(shí)，不會(huì)使對(duì)面會(huì)車(chē)的駕駛員感到光線太亮，產(chǎn)生眩目感，影響機(jī)動(dòng)車(chē)輛的駕駛[1]。按照國(guó)標(biāo)要求,近光在配光屏幕上應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生明顯的明暗截止線，水平部分在左半邊，右半邊為與水平線方向成15°的斜線，或者45°的斜線。因此明暗截止線車(chē)燈的配光圖像明顯的分為了明暗兩部分，由于車(chē)燈光照動(dòng)態(tài)范圍寬，而相機(jī)的感光動(dòng)態(tài)范圍太窄，一臺(tái)相機(jī)很難覆蓋整個(gè)車(chē)燈亮度范圍，且會(huì)給檢測(cè)帶來(lái)較大的誤差，因此本文采用兩臺(tái)通光孔徑不同的相機(jī)分別檢測(cè)強(qiáng)光區(qū)和弱光區(qū)。系統(tǒng)的軟件控制流程圖4所示。

圖4 軟件控制流程圖Fig.4 Software control flow chart

首先采集近光圖像，確定明暗截止線的位置，確定每臺(tái)相機(jī)的檢測(cè)區(qū)域；然后開(kāi)始采集圖像進(jìn)行檢測(cè)，為了降低噪聲對(duì)檢測(cè)的影響，本文采用多次測(cè)量累加求平均值的方法提高信噪比；由于車(chē)燈的亮度范圍寬，而單幀圖像的感光動(dòng)態(tài)范圍窄，因此待測(cè)點(diǎn)的灰度很容易溢出，需要自動(dòng)調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，直至像素灰度值在一個(gè)閾值范圍內(nèi)，再提取像素的灰度值，根據(jù)事先標(biāo)定的像素灰度值、曝光時(shí)間以及亮度的關(guān)系，確定配光屏幕上各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的亮度值，實(shí)現(xiàn)配光檢測(cè)的目的。

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及分析

下面通過(guò)兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本文方案的有效性：①采用單個(gè)攝像頭進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)車(chē)燈的配光性能，驗(yàn)證雙攝像機(jī)同時(shí)檢測(cè)的必要性；②將以成像型亮度計(jì)檢測(cè)的照度結(jié)果與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)式配光檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證當(dāng)前提出的成像型亮度計(jì)的有效性。

首先是單個(gè)攝像頭來(lái)檢測(cè)車(chē)燈配光性能的仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整曝光時(shí)間來(lái)檢測(cè)屏幕上不同測(cè)試點(diǎn)的亮度值。圖5是兩臺(tái)孔經(jīng)不同的CCD相機(jī)的檢測(cè)結(jié)果，其中橫軸為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)式配光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)果，縱軸為CCD相機(jī)構(gòu)成的亮度計(jì)檢測(cè)的結(jié)果，從圖中可以看出，相機(jī)只能檢測(cè)一定亮度范圍的測(cè)試點(diǎn)，孔徑大的相機(jī)檢測(cè)暗區(qū)的點(diǎn)較為準(zhǔn)確，而高亮度點(diǎn)檢測(cè)誤差較大，甚至無(wú)法檢測(cè)；而孔徑小的相機(jī)檢測(cè)高亮度點(diǎn)精度較高，在低亮度區(qū)檢測(cè)誤差較大，因此，由于車(chē)燈的亮度分布區(qū)間較大，采用單個(gè)相機(jī)檢測(cè)車(chē)燈的配光性能誤差較大，甚至無(wú)法完成檢測(cè)。

圖5 不同孔徑CCD相機(jī)檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Test results of CCDcametas with different aperture

其次是將成像型亮度計(jì)檢測(cè)的照度結(jié)果與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)式配光檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。具體過(guò)程如下：將車(chē)燈燈光打到白色的配光屏幕上，以車(chē)燈的中心基準(zhǔn)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立一個(gè)檢測(cè)坐標(biāo)系，用成像型CCD亮度計(jì)在水平方向和垂直方向上分別每隔兩度進(jìn)行采樣，共計(jì)檢測(cè)135個(gè)測(cè)試點(diǎn)的照度，然后再用轉(zhuǎn)臺(tái)式配光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)這些點(diǎn)的照度值，兩者之間的絕對(duì)誤差如圖6所示，最大誤差0.201 lx，誤差的平均值為0.035 lx，從中可以看出：成像型亮度計(jì)的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)式亮度計(jì)的檢測(cè)結(jié)果數(shù)值是一致的，兩者之間的誤差較小，在一定誤差允許的范圍內(nèi)，可以用成像型亮度計(jì)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)式配光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)車(chē)燈的性能。

圖6 檢測(cè)誤差Fig.6 Test error

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于CCD傳感器的成像型亮度計(jì)車(chē)燈配光檢測(cè)系統(tǒng)，采用CCD攝像機(jī)將車(chē)燈的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的灰度分布，為了解決燈光光強(qiáng)分布范圍寬的問(wèn)題，以明暗截止線為界將數(shù)字圖像劃分為強(qiáng)光區(qū)和弱光區(qū)，并采用兩臺(tái)通光孔徑不同的相機(jī)分別進(jìn)行檢測(cè)，最后根據(jù)標(biāo)定的像素灰度、曝光時(shí)間和光源亮度的關(guān)系，檢測(cè)車(chē)燈的配光分布是否合格。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)燈配光性能的在線檢測(cè)，對(duì)于車(chē)燈的生產(chǎn)。

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Study on Light Distribution Test Based on Imaging Luminance Meter

XIE Zutong1, WONG Xiaowei1, CHEN Aihua2

(1.TaizhouQualityandtechnologysupervisionTestInstitute,Taizhou318000,China; 2.TaizhouUniversity,Taizhou318000,China)

Aimed at the disadvantage of traditional light distribution test system which includes structural complexity, cost expensive and time consuming, this paper proposes a new method to test light distribution based on imaging luminance meter. The system adopts CCD sensor to get light intensity which is shown by digital images. And detects cut-off line of lower beam light which is used to devide light distribution area into intense light region and low light region.The system uses two cameras with difference apertures to detect these areas respectively. In order to enlarge dynamic range of sensor sensitivity, the system adjusts exposure time automatically. The system identifies relationship between the luminance of the measurement pionts and the gray-level of the image pixels. According to the gray-level of the image pixels, the illumination of detection points are detected. Experiments show that the proposed system can instead of traditional test system range of allowable error.The proposed system is simple,rapid detection, low cost and stable operation.

light distribution test; CCD sensor; cut-off line; exposure time

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.013