基于交通技術監(jiān)控成像補光裝置的眩光控制方法

黃 磊，馬靜潔，曹 明，鄭嘉麒

(公安部交通管理科學研究所，江蘇 無錫 214000)

引言

道路監(jiān)控作為加強交通管理、改善交通狀況的重要手段，隨著科技不斷進步，對其質量要求也越來越高。為獲得更加清晰、真實的拍攝效果，需要在光線不足或黑夜環(huán)境時，采取適當補光的形式對光環(huán)境進行改善，在城市路口，交通技術監(jiān)控成像補光裝置隨處可見。為更好地規(guī)范補光技術要求，2014年公安部制定了行業(yè)標準GA/T 1202—2014《交通技術監(jiān)控成像補光裝置通用技術要求》，較好地促進了補光裝置行業(yè)發(fā)展。

而隨著補光方式、光源技術等新興技術的不斷發(fā)展，GA/T 1202—2014標準中對交通技術監(jiān)控成像補光裝置的性能要求并不能對監(jiān)控補光裝置進行全面地評價。隨著監(jiān)控設備對圖像質量要求變高，在實際路面應用補光裝置時，其設置安裝的位置、基準軸照度值無法與監(jiān)控設備、駕駛人之間達到較好的平衡。設置安裝的不合理，過高的光源照度值對人眼會產(chǎn)生較強的眩光效應，造成人眼視力短暫失能。近年來，因監(jiān)控補光閃爍眩光導致的交通事故案例引起了社會和行業(yè)的爭議和關注。如何對監(jiān)控補光裝置的眩光影響進行評價及控制，成為了交管部門和監(jiān)控補光裝置行業(yè)的重點關注問題。

目前，國內各行業(yè)中對不同類型環(huán)境下的眩光、補光燈的眩光測評都開展過一定的研究。CJJ 45—2015《城市道路照明設計標準》中對與城市道路照明相關的眩光參數(shù)進行了定義，并對各類型道路(機動車道、交會區(qū)、人行道和非機動車道)的路面眩光限制值進行了規(guī)定；GB 50034—2013《建筑照明設計標準》標準中對室內、體育場館等多場景的眩光參數(shù)進行了定義，同樣對其閾值進行了規(guī)定。這兩個標準主要針對路燈照明、室內、體育場館照明，考慮到補光燈與其光源、設置情況的差異性，其眩光參數(shù)及閾值的設定并不能直接引用。

GB/T 37958—2019《視頻監(jiān)控系統(tǒng)主動照明部件光輻射安全要求》中對機動車用補光燈失能眩光評價參數(shù)及測試原理進行了介紹，文中選取閾值增量(TI)作為補光燈眩光評價的主要指標，選取路面平均亮度作為人眼適應亮度，對不同平均亮度的路面進行分級評價。

當待測路面的平均亮度0.05 cd/m2

(1)

當待測路面的平均亮度Lav≥5 cd/m2時，采用式(2)計算：

(2)

(3)

式中：Lv為視場內的光幕亮度，單位為cd/m2；Lav為待測道路的平均亮度，單位為坎德拉每平方米cd/m2；Eeye，i為在垂直于視線的平面上，觀察者眼睛位置處(1.5 m高度)的照度初始值；θi為視線與燈具中心線之間的角度；n為視場內燈具的數(shù)量；k為根據(jù)觀察者年齡變化的常數(shù)，觀察者年齡為23歲時，k一般取10。

該標準對補光裝置的眩光測評參數(shù)進行了確定，且詳細地說明了不同路面亮度條件下的閾值增量計算公式，同時也提供了補光裝置的測試原理示意圖。但文中并未對補光裝置眩光的評價閾值進行規(guī)定，也未提及如何較好地控制補光裝置眩光。

目前，除標準層面外，關于補光裝置眩光控制及閾值規(guī)定方面的文獻相對較少，主要聚焦于測試方法的確定及眩光對駕駛人的影響層面。福建省產(chǎn)品質量檢驗研究院的許巧云[1]基于補光裝置的特性提出了基于成像式亮度計的眩光測試方法，分別對閾值增量(TI)和GR指數(shù)進行了測量，實現(xiàn)了對補光裝置眩光的初步評價；重慶大學建筑城規(guī)學院的何滎[2]對重慶大學內部道路進行了補光裝置的眩光調查，得到了距離監(jiān)控不同距離下的閾值增量值。李媛、劉錫成、楊春宇等人[3-11]在眩光評價方法上進行了一定的研究。

上述研究中在一定程度上得到了補光裝置的眩光測試方法，但都未系統(tǒng)地提及眩光控制方法及眩光閾值的確定。因此，為有利于減少夜間道路交通安全隱患，降低夜間道路交通事故的發(fā)生率，保障夜間機動車道路交通安全運行，有必要對補光燈眩光控制及眩光閾值的確定進行研究。

1 構建補光裝置測試環(huán)境

基于上述原理，考慮補光裝置性能、使用環(huán)境的特殊性，以及實驗室、實際路面的測試條件局限性等多方面因素，本研究針對實驗室環(huán)境和實際路面兩個測試環(huán)境，對不同維度下的補光裝置眩光情況進行測試分析。

1.1 實驗室測試環(huán)境

針對實際路面補光燈用龍門架的設置高度及具體使用要求，設計小型實驗室用龍門架作為補光裝置的基座，通過手搖絞盤控制補光燈升降，并在燈架側面設計角度調節(jié)滑軌。

設計參數(shù)為：(1)角度調節(jié)范圍：0°～30°；(2)升降高度量程：1.2～3 m。支架示意圖如圖1所示。

根據(jù)補光裝置眩光測試要求，選取符合測試精度的Kernel-70D型眩光亮度計，如圖2所示。

眩光亮度計性能參數(shù)為：(1)亮度范圍：0.1～480 kcd/m2；(2)亮度準確度：±3%(標準A光源)；(3)亮度重復性：1%(A光源)。

根據(jù)實際路面補光裝置、駕駛人的位置關系，在實驗室搭建模擬環(huán)境?；趯嶋H路面駕駛人高度為1.5 m，補光裝置設置高度依據(jù)GA/T 1202—2014《交通技術監(jiān)控成像補光裝置通用技術要求》中要求不低于6 m(實際路面一般為6 m)，補光區(qū)域一般為距離龍門架前15～35 m處。因此，實驗室模擬環(huán)境中對此距離環(huán)境進行等比例縮放，構建測試環(huán)境。

圖1 補光裝置支架示意圖Fig.1 Schematic diagram of fill light bracket

圖2 眩光亮度計示意圖Fig.2 Schematic diagram of glare brightness meter

基于標準要求，夜間不允許使用脈沖型監(jiān)控補光裝置，而眩光問題主要聚焦于夜間，因此，本研究中設計測試樣品選用頻閃類型監(jiān)控補光裝置。

模擬龍門架與眩光亮度計設置環(huán)境如圖3所示。

1.2 實路測試環(huán)境

為更好地模擬實際路面的補光燈眩光測試，并較好地實現(xiàn)實路測試，課題組設計了車載補光裝置眩光測試方案。選用眩光亮度計車用支架將其固定于機動車前車蓋，測試高度模擬實際駕駛人眼高度(1.5 m)。選取內部道路作為測試場地，補光燈設置高度為6 m，機動車距離補光裝置所在龍門架距離為100 m，為保證測試環(huán)境的穩(wěn)定，本次測試中實路測試環(huán)境中的路面亮度設定為2 cd/m2。測試場景如圖4所示。

圖3 實驗室眩光測試模擬環(huán)境Fig.3 Laboratory glare test simulation environment

圖4 實路測試場景Fig.4 Real road test scenario

2 補光裝置眩光控制方法研究

考慮到補光裝置在實際使用條件下眩光受安裝設置、自身光源類型、不同監(jiān)控類型條件下的不同補光距離等因素影響，從以下幾個維度對補光裝置眩光進行測試分析，以得到相應的眩光控制方法。

2.1 安裝設置

GA/T 1202—2014中規(guī)定補光車道的側上方、基準軸與補光車道的車道分界線所成的空間角度應大于等于20°、安裝高度應大于等于6 m。生物學研究表明，人眼能分辨清楚物體的視域約為15°，能立刻看清物體的存在的有效視域約為30°，在此之外統(tǒng)稱眼睛的余光。正常駕駛時，司機視線基本是向前的，能夠清晰觀察的就是視野中心的狹小范圍，補光裝置應避免從這個角度進入駕駛人視線，保證車輛在補光區(qū)域時補光裝置在駕駛人有效視域以外[12-16]。安裝要求的俯視圖和水平視圖如圖5所示。

圖5 補光裝置設置要求示意圖Fig.5 The requivements for setting up light supplement

圖6 不同垂直角度下的補光裝置眩光測試圖比對(序號1、2、3號)Fig.6 Comparison of the glare test diagrams of the supplementary light device under different vertical angles (No. 1, 2, 3)

考慮實際駕駛人行車情況下與補光裝置的相對位置，選取不同的角度進行眩光測試，測試在實驗室模擬環(huán)境下進行，測試結果見表1。

表1 不同安裝設置條件的補光裝置眩光測試Table 1 Glare test of supplementary light device under different installation conditions

比對表1中測試結果1、2和3號數(shù)據(jù)可得，隨著補光裝置垂直方向角度越來越大，相對于駕駛人眼的視場角越來越小，人眼接收到的照度值也隨之變大，閾值增量(TI)也越來越大。圖7中的眩光測試圖也顯示，隨著補光裝置測試角度的增大，光源亮度也隨之增大。而考慮到補光裝置的設置是為攝像頭提供足夠照度進行抓拍，因此應在兩者中尋求平衡，在滿足攝像機抓拍照度的條件下，控制補光裝置俯仰角度從而減少對駕駛人的眩光。

比對表1中測試結果4、5號數(shù)據(jù)可得，相同的補光裝置設置情況下，駕駛人與補光裝置的相對水平位置不同也會影響閾值增量的大小。測試條件模擬在實際路面上補光裝置對應的為本車道駕駛人或是相鄰車道駕駛人。相對于4號正斜對的相對位置條件，5號中斜正對的相對位置條件既保證了駕駛人處接收的照度值，而且閾值增量相比也有所下降。因此補光燈設置時，應安排錯車道補光，保證了抓拍效果，也能有效地控制眩光影響。

圖7 正斜對、斜正對條件下的補光裝置眩光測試圖比對(序號4、5號)Fig.7 Comparison of the glare test diagrams of the supplementary light device under the conditions of oblique and oblique alignment (No.4 and No.5)

2.2 光源類型

GA/T 1202—2014中對規(guī)定補光裝置的色溫應不低于4 000 K，而目前監(jiān)控補光裝置在實際應用中已開始嘗試使用不同色溫條件下的光源。為驗證不同色溫條件是否會對補光裝置的眩光產(chǎn)生影響，在實驗室測試環(huán)境選取同一型號，不同色溫條件下的補光裝置，進行比對測試[17]。測試效果圖如圖8。

圖8 不同色溫條件下的補光裝置Fig.8 Fill light device under different color temperature conditions

控制比對測試的兩個補光裝置樣品在相同安裝測試條件，測試位置的照度值、顯色指數(shù)、視場角都相同，選取不同色溫參數(shù)的補光裝置進行測試，測試結果見表2。由數(shù)據(jù)可得，在數(shù)據(jù)上，色溫參數(shù)并不會影響補光裝置的閾值增量大小。而在測試過程中，相對于冷光源，暖光源的優(yōu)勢主要是對于人眼的刺激較弱。因此，選用暖光源也可以一定程度上控制補光裝置對駕駛人的眩光。

表2 不同色溫條件下的補光裝置眩光測試Table 2 Glare test of supplementary light device under different color temperature conditions

2.3 補光距離

基于補光裝置的不同使用環(huán)境，目前典型的道路監(jiān)控裝置主要有卡口、電子警察類型，如圖9。針對不同用途的監(jiān)控裝置抓拍特點，補光裝置的工作距離也不盡相同。經(jīng)實地調研，對于電子警察監(jiān)控設備，補光距離一般設置在25～28 m；對于卡口監(jiān)控設備，補光距離一般設置在16～25 m。因此，為驗證不同使用環(huán)境下的補光裝置眩光情況，本研究選取不同補光距離，對補光裝置眩光影響進行測試分析。

圖9 卡口和電子警察Fig.9 Bayonet and electronic police

為覆蓋不同使用環(huán)境，測試距離選取15～35 m。為驗證補光距離、抓拍照度和眩光參數(shù)三者之間關系，控制補光裝置的亮度保持不變，分別測試不同補光距離情況下的照度值、閾值增量值。從表3中數(shù)據(jù)可知，隨著補光距離設置的越來越遠，視場角隨之變小，且駕駛人處接收到的照度值也隨之變小，閾值增量也隨之變小。

表3 不同補光距離條件下補光燈眩光測試Table 3 Glare test of fill light under different fill light distance conditions

由圖10可以得到，在15～25 m的補光距離范圍內，照度值變化較快，而閾值增量值變化相對較慢。在保證閾值增量平穩(wěn)的前提下，實現(xiàn)攝像機補光照度的大范圍可調，補光距離宜設置在15～25 m范圍。針對不同類型、不同使用要求的攝像機，可在15～25 m的補光距離對應選擇合適的距離進行補光裝置設置。

圖10 不同補光距離條件下照度、閾值增量變化趨勢圖Fig.10 The change trend of illuminance and threshold increment under different supplementary light distance conditions

3 補光裝置眩光閾值研究

在GA/T 1202—2014標準中對不同類型的補光裝置的照度提出了上限值要求，該照度不僅需要滿足攝像機的抓拍要求，同時要保證對駕駛人眼產(chǎn)生的眩光不影響安全駕駛。研究得到，攝像機不同抓拍要求下的照度值不盡相同，號牌清晰抓拍照度要求不低于10 lx，車身信息清晰抓拍照度要求不低于50 lx，人臉抓拍照度要求不低于100 lx。而由于標準中并未對補光裝置的眩光參數(shù)提出具體要求，因此有必要對不同抓拍照度情況下的眩光值進行比對，從而得到符合使用要求的補光裝置的眩光值參數(shù)閾值。

選取不同補光距離(15～25 m)，設置補光裝置6個不同的亮度級別，測試不同照度條件下的閾值增量值，試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同照度條件下的閾值增量Table 4 Threshold increment under different illumination conditions

基于不同的補光距離、不同的抓拍照度要求，整理數(shù)據(jù)，得到(10 lx、50 lx、100 lx)照度條件對應的閾值增量下限值。在進行補光裝置的路面驗收工作時，可參考表5中的閾值增量值，該數(shù)值也可以為標準GA/T 1202—2014的修訂提供眩光參數(shù)的數(shù)據(jù)支撐。

表5 不同設置條件下的閾值增量參考值Table 5 The threshold increment reference value under different setting conditions

4 結語

本文主要著眼于實現(xiàn)交通技術監(jiān)控補光裝置的定性、定量眩光控制方法研究。主要工作內容有：

1)分析補光裝置的使用場景、設置要求，確定補光裝置的眩光控制因素應聚焦于安裝設置、光源類型、補光距離三個維度。

2)從安裝設置層面控制眩光，基于標準GA/T 1202—2014中的錯車道補光要求，開展補光裝置不同垂直、水平角度、補光裝置、駕駛人不同相對位置下的眩光測試，得出結論：調整補光裝置俯仰角度、選擇斜正對的補光裝置與駕駛人相對位置可以在保證抓拍照度的前提下控制眩光。

3)從光源類型層面控制眩光，對不同色溫條件(6 227 K、3 007 K)下的補光裝置進行眩光測試，控制安裝設置、光源亮度等因素完全一致，得出結論：色溫不會影響眩光，從減少對人眼刺激角度來看，可選用暖光光源的補光裝置。

4)基于補光裝置在實際使用中應用于卡口、電子警察的不同用途，要求設置距離也不盡相同，選取15～35 m的補光距離區(qū)間進行篩選，比對照度變化趨勢圖、閾值增量變化趨勢圖，得出結論：補光距離宜選取15～25 m范圍，在此范圍內，補光裝置抓拍照度可調，且閾值增量變化較為平穩(wěn)，在一定程度上控制了眩光影響。

5)在定性實現(xiàn)補光裝置眩光控制的前提下，提出不同抓拍要求下的補光裝置眩光閾值：在僅滿足機動車號牌抓拍要求的前提下，設置補光距離分別為15 m/20 m/25 m時，補光裝置眩光閾值增量應不高于16.57/21.03/30.15；在滿足機動車車身信息抓拍要求的前提下，設置補光距離分別為15 m/20 m/25 m時，補光裝置眩光閾值增量應不高于61.38/90.08/117.74;在滿足機動車駕駛人面部信息抓拍要求的前提下，設置補光距離分別為15 m/20 m/25 m時，補光裝置眩光閾值增量應不高于85.04/129.08/163.26。

本研究主要聚焦監(jiān)控補光裝置的眩光控制方法，可以實現(xiàn)監(jiān)控設備的畫質高要求和監(jiān)控補光裝置眩光對人眼影響的矛盾點的平衡，對監(jiān)控補光裝置的眩光危害進行控制；為監(jiān)控補光裝置的技術發(fā)展提供方向，為行業(yè)標準的修訂提供參考。目前關于監(jiān)控補光裝置的眩光參數(shù)要求并未在標準中涉及，本課題的研究有利于推動標準的修訂。

本研究中針對的安裝設置條件、光源類型、補光距離維度主要為典型的補光裝置應用情況，針對的補光裝置也主要聚焦為傳統(tǒng)類型補光裝置。目前，隨著攝像機技術的不斷更新及交通管理要求的不斷提高，類似遠光燈抓拍、違法鳴笛抓拍等補光裝置應用新場景，紅外、微光等新的補光裝置新技術，本研究中尚未涉及，后續(xù)會關注這些方面的研究。