基于閾值增量的動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量方法

王嘉明, 喬衛(wèi)東, 張 恒, 李 奕

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,陜西 西安 710048；2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 光學(xué)計(jì)量測(cè)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(huì)使人眼在一瞬間產(chǎn)生視覺障礙,導(dǎo)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(duì)復(fù)雜交通情況的判斷時(shí)間,從而增大交通事故發(fā)生的概率。而在實(shí)際道路交通中,道路光環(huán)境對(duì)駕駛員造成的失能眩光大多數(shù)為動(dòng)態(tài)眩光。如交通監(jiān)控補(bǔ)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(duì)位置的變化,光源造成的失能眩光也在實(shí)時(shí)變化。

目前國內(nèi)外對(duì)動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量的報(bào)道較少,現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中于靜態(tài)眩光測(cè)量方法以及動(dòng)態(tài)圖像獲取方法。

在靜態(tài)眩光測(cè)量方面,陳仲林等[9]利用數(shù)碼相機(jī)測(cè)量道路照明亮度分布方法進(jìn)行研究；錢偉等[10]在分析傳統(tǒng)道路布點(diǎn)方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出一種新型的道路照明亮度測(cè)量方法；沈天行等[11]研發(fā)的SM數(shù)字圖像光環(huán)境測(cè)試系統(tǒng),獲取圖像光環(huán)境參數(shù)。動(dòng)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(gè)感光單元[15]、自適應(yīng)像素曝光[16,17]、SVE(spatially varying pixel exposures)[17]、Digtial micro mirror陣列技術(shù)[18]、光學(xué)衰減器法、CMOS對(duì)數(shù)變換法[19]。不管基于哪種原理,其設(shè)備的制作都處于研究階段,尚未有產(chǎn)品化的專用設(shè)備。

因此針對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及目前其檢測(cè)方法中存在的問題,本文提出一種基于閾值增量的動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量方法,將視覺測(cè)量及數(shù)字圖像處理的方法應(yīng)用于動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng),通過降低圖像的獲取、存儲(chǔ)、處理及結(jié)果計(jì)算時(shí)間,提高整個(gè)系統(tǒng)的處理效率,實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通動(dòng)態(tài)眩光的測(cè)量。

2 動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量原理

2.1 閾值增量TI

閾值增量(TI)是國際照明委員會(huì)(CIE)推薦使用的戶外道路照明眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)。TI是指當(dāng)出現(xiàn)眩光源時(shí),為了達(dá)到相同良好的視看條件,物體與背景之間對(duì)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(gè)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(gè)眩光源的亮度值,cd/m2；Sk為第k個(gè)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(duì)位置坐標(biāo),m；Ek是第k個(gè)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(shí)際的道路照明中,駕駛員所處的光環(huán)境多為動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。如隨著駕駛速度的不同,周圍的路燈會(huì)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(bǔ)光燈會(huì)出現(xiàn)爆閃的狀態(tài)；夜晚行車會(huì)車時(shí),對(duì)面汽車的探照燈也會(huì)呈現(xiàn)閃爍狀態(tài)。在基礎(chǔ)理論上,靜態(tài)和動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)計(jì)算原理都依據(jù)于閾值增量,但靜態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)只能針對(duì)單一的、靜止不動(dòng)的靜態(tài)場(chǎng)景,不能處理多變的、實(shí)時(shí)性的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。而動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)通過縮短整個(gè)測(cè)量過程的測(cè)量時(shí)間,提高了測(cè)量效率,進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)多變化的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的眩光測(cè)量。

2.2 動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)

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

圖1 動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像傳輸模塊、圖像處理及計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。圖像采集器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像信息,同時(shí)對(duì)每幀圖像進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和編碼處理；處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸放入內(nèi)存中；微型計(jì)算機(jī)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行亮度和位置信息提取處理,同時(shí)進(jìn)行閾值增量的公式運(yùn)算,實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)至終端顯示；最后再將計(jì)算結(jié)果寫入硬盤進(jìn)行存儲(chǔ)。

3 圖像處理與眩光計(jì)算

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

3.1 圖像亮度信息獲取

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

H=E0·Tb

(2)

式中:

其中,Tb為相機(jī)獲取圖像時(shí)的曝光時(shí)間ms；τ為相機(jī)物鏡的透射率；F為相機(jī)光圈大?。籐為所拍攝目標(biāo)物的亮度,cd/m2。

假設(shè)相機(jī)線性區(qū)域的線性關(guān)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(duì)相機(jī)進(jìn)行亮度標(biāo)定獲得相機(jī)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(duì)應(yīng)的H,進(jìn)而由H求得實(shí)際環(huán)境亮度L。

本文采用Labsphere積分球均勻光源,規(guī)格型號(hào)為USLR-D08L-NMNN、恒流電源以及CS-2000A光譜輻射亮度計(jì)組成亮度標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定光路圖如圖2所示。

圖2 亮度實(shí)驗(yàn)標(biāo)定光路圖

在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí),整個(gè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求盡可能密閉,應(yīng)當(dāng)最大可能的減少任何雜散光,使得相機(jī)所獲取的光信息全部是由均勻光源發(fā)出的。搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,固定相機(jī)光圈參數(shù)不變,只改變相機(jī)的曝光時(shí)間,使積分球亮度源的亮度值保持不變,對(duì)其進(jìn)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(biāo)定時(shí)亮度源的亮度值計(jì)算每幅圖像所對(duì)應(yīng)的曝光量H,再對(duì)D和 lgH進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合就可獲取當(dāng)前亮度下曝光量與圖像灰度的關(guān)系。圖3為本文標(biāo)定系統(tǒng)下所獲得的圖像灰度值與曝光量關(guān)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(guān)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(biāo)定好的相機(jī)進(jìn)行亮度測(cè)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(duì)攝像機(jī)進(jìn)行位置標(biāo)定,其標(biāo)定的過程就是為了求解像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[22],即通過上述四坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,就可以得到一個(gè)世界坐標(biāo)點(diǎn)與其投影像素點(diǎn)之間的關(guān)系[23,24]:

(5)

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

選用雙目攝像頭拍攝,分辨率為640 pixels×240 pixels。標(biāo)定板采用格子大小為20 mm×20 mm的黑白棋盤格。左、右相機(jī)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(diǎn)坐標(biāo),見圖5。

圖5 左右視圖角點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

圖6為雙目相機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定過程中,雙目相機(jī)所處的空間位置。最右邊為相機(jī)1和相機(jī)2的位置關(guān)系,能夠看出雙目標(biāo)定中兩個(gè)相機(jī)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(jī)正前方不同姿態(tài)的正方形區(qū)域?yàn)闃?biāo)定板的位置,從圖中能夠看出,標(biāo)定板呈現(xiàn)出20種不同的位置姿態(tài)。

圖6 左右相機(jī)的空間位置

標(biāo)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(jī)的外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T為

(6)

(7)

將左右相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)代入式(5)進(jìn)行運(yùn)算,計(jì)算得到空間坐標(biāo)值。計(jì)算三維坐標(biāo)與實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)對(duì)比如表1所示。

計(jì)算三維坐標(biāo)值和實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)值之間的絕對(duì)誤差,通過計(jì)算x、y、z方向上的絕對(duì)誤差分別為2.182 mm、2.114 mm、1.165 mm,絕對(duì)誤差均在10 mm允許范圍內(nèi)。

3.3 動(dòng)態(tài)頻率

通過上述亮度與位置信息的提取及計(jì)算,再根據(jù)閾值增量的評(píng)價(jià)公式即可算出圖像場(chǎng)景中的TI值。整個(gè)動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)中單幀圖像處理時(shí)間與每個(gè)模塊的硬件和軟件信息有關(guān),其總時(shí)間由圖像采集時(shí)間、圖像傳輸時(shí)間、圖像處理計(jì)算時(shí)間以及圖像存儲(chǔ)時(shí)間4部分組成。依據(jù)本文所開發(fā)的系統(tǒng)及其設(shè)備初步估算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率約為8 Hz。

4 測(cè)量驗(yàn)證

4.1 閾值增量TI值準(zhǔn)確性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室暗室中搭建,使用計(jì)量機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源校準(zhǔn)系統(tǒng)完成系統(tǒng)的準(zhǔn)確性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)通過固定測(cè)量點(diǎn)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(yàn)證本系統(tǒng)計(jì)算的閾值增量值測(cè)量的準(zhǔn)確性,將動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)放置在規(guī)定的測(cè)量位置,調(diào)節(jié)校準(zhǔn)器使其出現(xiàn)5種不同的閾值增量值,讀取動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)測(cè)閾值增量值。實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出,動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)的閾值增量實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的最大相對(duì)誤差為3.5%,最小值為0.95%,相對(duì)誤差符合標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源校準(zhǔn)系統(tǒng)小于5%的要求。

表2 閾值增量實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)表

4.2 動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)頻率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

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

表3為時(shí)間與閾值增量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。表3中時(shí)間讀取格式為秒,實(shí)時(shí)處理圖像100張。

表3 時(shí)間與閾值增量實(shí)時(shí)值

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

4.3 不確定度評(píng)定

動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)在眩光測(cè)量過程中,圖像采集器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像信息,同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和編碼處理,然后微型計(jì)算機(jī)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行亮度和位置信息提取處理,最后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行公式運(yùn)算并實(shí)時(shí)顯示閾值增量值。

在測(cè)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(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)與校準(zhǔn)器的相對(duì)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(jì)算方法,建立不確定度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型如下:

(8)

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)模型,確定各個(gè)不確定度分量如表4所示。

表4 不確定度分量表

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

取k=2,則擴(kuò)展不確定度:

Urel=0.5%

5 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)在基于閾值增量的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)多變場(chǎng)景閾值增量的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

(2)基于相機(jī)與微型計(jì)算機(jī)結(jié)合測(cè)量的特點(diǎn),提出了一套動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量系統(tǒng)與方法,通過以圖像為分析對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的測(cè)量閾值增量值,解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法繁瑣、機(jī)械化等問題,實(shí)現(xiàn)了智能化檢測(cè)。

(3)實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及不確定度分析表明:動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量頻率為7.67 Hz；動(dòng)態(tài)眩光測(cè)量的不確定度U=0.5%(k=2),滿足實(shí)際檢測(cè)要求。