車載式道路照明眩光測試的影響因素分析

劉 艷，尤 源，羅愛順，秦大為，阮亞飛

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

引言

眩光是由多盞路燈在人眼視網(wǎng)膜上共同作用的結果，與駕駛員的真實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、無極燈、高壓鈉燈等，但隨著城市亮化工程的實施，很多電光源亮度過高，光通量設置不合理，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]。因此對道路照明眩光源的檢測對道路安全具有重要的社會意義[4]。

道路照明室內(nèi)眩光檢測一般在室內(nèi)暗房中利用旋轉(zhuǎn)式或臥式分布光度計對電光源及其燈具進行定量測試，其測試精度高、穩(wěn)定性好。而道路照明眩光戶外測試環(huán)境復雜，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]。如何在復雜的環(huán)境中準確測試路燈的眩光閾值增量已成為眾多專家和電光源企業(yè)關注的熱點問題[8-13]。戶外檢測通常采用點式亮度計和成像亮度計，但測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)碼相機的車載式快速眩光測試系統(tǒng)，對復雜的測試環(huán)境中的相機傾斜角度、曝光時間、濾光片，以及汽車的振動和車流、綠化帶樹木、路面平整度等各種影響因素進行定量研究。

1 車載式道路照明眩光測試系統(tǒng)

1.1 車載式道路照明眩光測試原理與測試系統(tǒng)

我們設計的車載式道路照明眩光測試系統(tǒng)是一種在汽車靜止時對路燈眩光閾值增量測試系統(tǒng)。先將車載專用的相機吸盤將相機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，如圖1所示。再將筆記本電腦與相機可靠連接后，放置在汽車的合適位置。

圖1 車載式眩光測試裝置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)碼相機采用CR2原始數(shù)據(jù)格式的圖片，其動態(tài)范圍只有3 200∶1。為了滿足道路照明眩光評價的要求，我們采用高動態(tài)的測量方法分別對光源采用短曝光1/800 s(亮度測量范圍在500～50 000 cd/m2)，對路邊廣告牌采用中等曝光1/25 s(亮度測量范圍在1～1 000 cd/m2)，對路面亮度采用長曝光5 s(亮度測量范圍在0.01～5 cd/m2)，通過眩光分析軟件進行高動態(tài)轉(zhuǎn)換得到整個照明現(xiàn)場環(huán)境的亮度信息。

利用佳能70D相機17 mm的標準鏡頭、光圈F4、ISO100的數(shù)碼相機實時采集汽車前方60～160 m范圍內(nèi)的目標區(qū)域圖片。圖2(a)～(c)分別在長曝光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，其中長曝光主要確定背景信息，中等曝光目的是眩光源定位確認，短曝光目的是提取眩光源信息。

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

按照EN 13201—2015和CJJ 45—2015標準，確定視場方向和路面區(qū)域。通過軟件實現(xiàn)路面的梯形區(qū)域轉(zhuǎn)換成矩形。根據(jù)單反相機成像系統(tǒng)的物象關系，空間物體F(θ,φ)的坐標信息與傳感器芯片上的位置f(x,y)一一對應，如圖3所示。通過對單反相機進行空間位置的標定獲取每個像素所對應的空間角度信息(θ,φ)。根據(jù)式(1)得到每個像素對應的空間立體角Ω。

dΩ(x,y)=dθdφsinθ

(1)

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

根據(jù)目標區(qū)域中的每一盞眩光源所對應的角度和空間立體角，計算垂直面照度和光幕亮度[15，16]。若某個光源光幕亮度大于前面光源光幕亮度之和的2%時計入總光源光幕亮度。

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，可通過長曝光照片分析得到。通過自編軟件提取駕駛員前方眩光源信息，如圖4所示，分析和計算各個路燈眩光源眩光閾值增量，并自動計算總的閾值增量。

1.2 車載式道路照明眩光測試系統(tǒng)精度測試

由于戶外檢測干擾因素眾多，為了確定本系統(tǒng)的測試精度，采用文獻[14]的室內(nèi)UGR眩光評價方法對本系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與光學軟件模擬和點式亮度計測試結果進行比對。測試條件如下: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。點式亮度計采用柯尼卡美能達的CS-200點式亮度計，而本系統(tǒng)采用佳能70D單反相機并配置焦距f=4.5 mm的魚眼鏡頭，光圈調(diào)整為f4，ISO為100。將眩光亮度計放置到三腳架上調(diào)整高度至1.2 m，并使相機水平放置，相機中心正對前端墻壁中間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中采用光學模擬方法，由于模擬軟件只能模擬標準空間、燈具標準布置且墻壁反射率為經(jīng)典的材料，因此模擬結果與點式亮度計和本系統(tǒng)測試結果存在一定的偏差。而本系統(tǒng)測試與瞄點式測量方法的數(shù)據(jù)結果相差很小。

表1 精度測試對比數(shù)據(jù)表

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

表2 亮度與眩光的關系

2 影響系統(tǒng)測試精度和重復性的因素

2.1 濾光片對車載式道路照明眩光測試的影響

采用車載式道路照明眩光系統(tǒng)對路燈光源和道路直接測試時，由于不同電光源其光強存在差異，特別亮的光源會導致拍攝圖片過曝光。為了定量研究這種影響因素，選取江蘇鹽城市世紀大道某標準路段，并在數(shù)碼相機鏡頭前加1 000倍衰減的濾光片進行眩光測試，從而分析有濾光片和無濾光片測試之間的差異。選取好標準道路的目標區(qū)域后，我們測得其濾光片對眩光測試的影響數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 濾光片對眩光測試的影響測試數(shù)據(jù)

顯然加濾光片后路面平均亮度重復性顯著變好，無濾光片時總的閾值增量標準差為0.237，而加上濾光片的閾值增量的標準差為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。由上述測試結果可知，無濾光片的平均閾值增量比有濾光片的大。因此，數(shù)碼相機放置在汽車前擋玻璃內(nèi)部和外部兩種不同情況下，閾值增量會受到汽車貼膜的影響。如果要精確測試路燈眩光，對于內(nèi)置式的眩光測試儀應在測試前對針對不同的膜片進行標定，在軟件中系統(tǒng)參數(shù)里面增加修正系數(shù)，以減少汽車膜片對眩光測試的影響。

2.2 汽車傾斜度對眩光測試的影響

實測中，通常隨著車子上的人員數(shù)量變動，汽車傾斜度會發(fā)生變化。汽車滿員時或?qū)ΨQ坐滿時調(diào)平相機，使得相機光學中心對著前方60～160 m的待測區(qū)域，測試數(shù)據(jù)如表4所示。當前后排人數(shù)多于前排人數(shù)時，汽車會整體向上傾斜。當前排人數(shù)多于后排人數(shù)時，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)下的測試結果

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

2.3 汽車振動對眩光測試的影響

為了考察汽車在未熄火狀態(tài)時，汽車發(fā)動機的振動對數(shù)碼相機數(shù)據(jù)采集的影響，實測中在其他測試條件不變的情況下，連續(xù)測試了汽車振動與熄火兩種狀態(tài)下路燈的眩光閾值增量，如圖5所示。顯然，汽車的振動導致閾值增量離散度變大，最大的相對偏差達到12.5%。因此，在不加減震裝置之前，測試時保持汽車在熄火狀態(tài)進行測試。

圖5 汽車在振動與熄火兩種狀態(tài)下眩光閾值增量的變化關系曲線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眩光測試重復性的影響

由于不同色溫光源在強度及配光分布方面具有差異，我們僅對車載式道路照明眩光測試系統(tǒng)對不同色溫電光源的測試穩(wěn)定性和重復性影響進行定量研究。選取不同色溫的LED路燈道路和高壓鈉燈道路進行眩光等級測試，其測試數(shù)據(jù)如表5所示。數(shù)據(jù)結果表明，對于不同色溫的電光源測試標準偏差相差小，測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復性達到測試要求。

2.5 外界其他干擾因素對眩光測試的影響

戶外道路眩光測試比室內(nèi)眩光測試干擾因素多，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》要求道路眩光測量“觀察者以與亮度計算時相同的縱向間距和點數(shù)移動，重復計算，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車道對前方道路60～160 m區(qū)域，在兩個燈桿間距范圍(60 m)內(nèi)以3 m間隔對閾值增量TI進行逐點測試。考察其他道路干擾因素對TI測量結果的影響，其測試數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 不同色溫的路燈對眩光測試的影響

表6 有外界干擾的眩光測試數(shù)據(jù)

表6中，剔除有明顯干擾的數(shù)據(jù)點，其總閾值增量的平均值為1.190。1～3號測試點是道路中間綠化帶有樹木，導致近處的路燈未被軟件識別為眩光源，因此閾值增量偏低，最大的相對誤差達到46.6%。且路對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，都會使得閾值增量降低；8～9、12、19～20號測試點是有車流干擾，同向行駛汽車的尾燈以及對面車道反方向行駛車流的近光燈都會對測試產(chǎn)生影響，使得閾值增量變高，最大相對誤差達到139%；15號測試點測試時存在路面高低不平，使得閾值增量數(shù)值變化。顯然，道路中有異物或測試時車內(nèi)人員大幅度晃動，會對測試產(chǎn)生影響。

因此，在眩光實測過程中應注意以下幾點：①選取標準路面進行測試；②實測過程盡量避免較大車流，如不封路測試可利用綠燈間隙無車流情況下測試；③選取干凈路面進行測試，如有異物盡量避免，可通過拍攝圖片是否有抖動重影來判斷。

3 結論

我們針對濾光片、汽車傾斜度、振動、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行了定量研究。數(shù)據(jù)結果表明，戶外眩光檢測受到外界干擾因素較多，其中不同色溫的光源對眩光重復性影響較小，但是汽車的傾斜度和振動對眩光測試影響較大。另外濾光片對眩光的閾值增量數(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，必須進行修正系數(shù)。因此，在研發(fā)車載式眩光測試系統(tǒng)時我們應該綜合考慮上述因素才能準確測試和評價戶外路燈照明的眩光。