利用高動(dòng)態(tài)圖像技術(shù)測(cè)量道路照明光度參數(shù)的原理及方法

宋佳音，王立雄，陳燕男

(天津大學(xué)，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

?

利用高動(dòng)態(tài)圖像技術(shù)測(cè)量道路照明光度參數(shù)的原理及方法

宋佳音，王立雄，陳燕男

(天津大學(xué)，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著城市道路交通系統(tǒng)的復(fù)雜化，立交橋、快速路增多，傳統(tǒng)的道路照明測(cè)試方法難以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的需求。基于高動(dòng)態(tài)范圍圖像(High-Dynamic Range image，縮寫為 HDRI)技術(shù)的光環(huán)境參數(shù)提取方法，可以解決以上問題。闡述了高動(dòng)態(tài)范圍圖像的特點(diǎn)和獲取方法，以及從高動(dòng)態(tài)范圍圖像中提取亮度值的原理，并論證了采用高動(dòng)態(tài)范圍圖像進(jìn)行道路光環(huán)境測(cè)量的方法的可行性。

高動(dòng)態(tài)圖像技術(shù)；道路照明；光度參數(shù)

引言

高動(dòng)態(tài)范圍圖像，顧名思義是具有很高動(dòng)態(tài)范圍的圖像，具體來說，該圖像從“最亮”到“最暗”間的亮度等級(jí)多，能表現(xiàn)出不同的亮度層次。高動(dòng)態(tài)范圍圖像的原理是通過增加存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寬度來提高像素?cái)?shù)據(jù)的精度，或者采用浮點(diǎn)值來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提高圖像所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)的精確度，從而實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的目的。因此，高動(dòng)態(tài)范圍圖像具有比傳統(tǒng)圖像更大的亮度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，能夠真實(shí)而全面地記錄光度信息。目前，高動(dòng)態(tài)范圍圖像的獲取方法主要有兩種：多次曝光法和圖像傳感器獲取法[1-3]。在本研究中，研究對(duì)象為道路光環(huán)境，其光環(huán)境狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，但道路交通條件情況復(fù)雜，考慮測(cè)試方法的便利性與安全性，采用分時(shí)曝光的方法獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像更為適宜。

1 采用高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)獲取亮度值和照度值

1.1 數(shù)碼相機(jī)感光特性及成像過程

人眼的對(duì)光的感知反應(yīng)呈非線性變化，但是數(shù)碼相機(jī)的成像原理則是以線性方式感知光線。數(shù)碼相機(jī)的成像過程一般包括光線反射、曝光、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換重構(gòu)等步驟。在這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中非線性的場(chǎng)景照度E與圖像灰度級(jí)Z之間的關(guān)系稱為相機(jī)的感應(yīng)曲線(Camera Response Function， 簡(jiǎn)稱CRF)[4-8]。

高動(dòng)態(tài)范圍圖像可以通過軟件進(jìn)行合成，其基本原理為通過求解數(shù)碼相機(jī)感應(yīng)曲線函數(shù)的逆函數(shù)，將圖像由不斷改變的灰度級(jí)(Z)空間轉(zhuǎn)變回比較穩(wěn)定的場(chǎng)景照度(E)空間[9]。

1.2 原理與參數(shù)標(biāo)定

從高動(dòng)態(tài)范圍圖像提取亮度值的原理可以分為以下幾個(gè)方面(見圖1)。

圖1 從高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取亮度信息的步驟(圖片來源：作者自制)Fig.1 The steps of getting information by the high dynamic range image

(1)Radiance作為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的存儲(chǔ)格式，可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)值的Ir′,Ig′,Ib′與相對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)值Ir,Ig,Ib的轉(zhuǎn)換，見式(1)。

(1)

(2)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的灰度值(Ir、Ig、Ib)與1931CIE-RGB 系統(tǒng)中的R、G、B三刺激值的轉(zhuǎn)換。其中，圖像灰度值(Ir、Ig、Ib)與1931CIE-RGB 系統(tǒng)中的R、G、B三刺激值的關(guān)系可以用函數(shù)fr、fg、fb表示，見式(2)。

(2)

(3)將所得的RGB三刺激值轉(zhuǎn)換至XYZ色彩空間，見式(3)。

(3)

XYZ色彩空間中，Y刺激值與亮度成正比，即

(4)

其中，Kc是常數(shù)，表示Y值與實(shí)際亮度值的比例系數(shù)。

根據(jù)以上原理，可通過實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行SPSS回歸分析，研究R、G、B三刺激值與高動(dòng)態(tài)范圍圖像灰度值間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此來標(biāo)定函數(shù)fr、fg、fb，并求得Kc值，達(dá)到從高動(dòng)態(tài)范圍圖像中提取亮度值的目的。

1.3 編制相關(guān)軟件獲取路面亮度和照度

為了便于操作，減少計(jì)算流程與在計(jì)算過程中可能產(chǎn)生的誤差、提高精度，根據(jù)從高動(dòng)態(tài)范圍圖像提取亮度值的原理，可將該亮度值的提取方法編制成軟件。圖2為軟件的計(jì)算流程。

圖2 亮度信息提取軟件流程(圖片來源：作者自制)Fig.2 The software of getting luminance information

經(jīng)過軟件開發(fā)，得到HDRviewer v1.4版本，可以通過在窗口中顯示的“.hdr”格式的高動(dòng)態(tài)范圍圖像上選取測(cè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)道路亮度值的讀取，軟件讀取亮度值的界面見圖3。同時(shí)根據(jù)道路的路面反射比(按均勻擴(kuò)散材料計(jì)算)，或路面亮度系數(shù)，可將采用高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)獲取的亮度值轉(zhuǎn)換為路面照度值。另外，根據(jù)立體角投影定律，可將采用高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)獲取的光源亮度值轉(zhuǎn)換為光源形成的照度值。

圖3 HDRviewer v1.1 版本軟件界面示意(圖片來源：作者自制)Fig.3 Desktop of HDRviewer v1.1

1.4 軟件的精度驗(yàn)證

選擇一條道路進(jìn)行亮度測(cè)試，分別采用高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)和BM-5A色度亮度計(jì)兩種方法進(jìn)行，比較分析得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而討論高動(dòng)態(tài)范圍圖像方法提取亮度值的精度。實(shí)驗(yàn)道路寬度7.5米，燈桿間距32米，燈桿單側(cè)布置。測(cè)試時(shí)將燈桿間平均分布27個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別用“1,2,3，…”和“A，B，C”標(biāo)識(shí)具體見圖4。測(cè)試所得數(shù)據(jù)對(duì)比圖，見圖5所示。

圖4 道路測(cè)點(diǎn)布置示意(圖片來源：作者自制)Fig.4 Distribution of testing points of road

圖5 采用BM-5A與高動(dòng)態(tài)圖像測(cè)得的亮度值(圖片來源：作者自制)Fig.5 Luminance abtained by BM-5A and HDRI

從圖4、圖5中可以看出，除了個(gè)別的測(cè)點(diǎn)，以上兩種方法測(cè)得的亮度值比較接近。

用SPSS軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得到兩種方法測(cè)得亮度值的相關(guān)系數(shù)為0.991，說明兩者間有顯著的相關(guān)性。因此，利用高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)獲取亮度值可信度很高。

2 小結(jié)

本文闡述了高動(dòng)態(tài)范圍圖像的特點(diǎn)和獲取方法，以及從高動(dòng)態(tài)范圍圖像中提取亮度值的原理，即

(1)以Radiance作為高動(dòng)態(tài)范圍圖像的存儲(chǔ)格式，可以從高動(dòng)態(tài)范圍圖像中提取灰度值Ir、Ig、Ib；

(2)根據(jù)高動(dòng)態(tài)范圍圖像灰度值(Ir、Ig、Ib)與1931CIE-RGB系統(tǒng)中的R、G、B三刺激值之間的函數(shù)關(guān)系，將圖像灰度值轉(zhuǎn)換到RGB色彩空間；

(3)根據(jù)色度學(xué)原理，將所得的RGB三刺激值轉(zhuǎn)換至XYZ色彩空間，進(jìn)而獲得到亮度值。

將從高動(dòng)態(tài)范圍圖像中獲取亮度值、照度值的轉(zhuǎn)換過程編制成軟件，并進(jìn)行軟件的精度實(shí)驗(yàn)，得到HDRviewer v1.4版本軟件，從而簡(jiǎn)化操作，減少計(jì)算，提升效率，提高精度。精度實(shí)驗(yàn)表明，利用該軟件從高動(dòng)態(tài)范圍圖像中提取亮度、照度值的精度足以滿足道路光環(huán)境測(cè)量的需求。

總體來說，采用高動(dòng)態(tài)范圍圖像進(jìn)行道路光環(huán)境測(cè)量的方法可行。而且，對(duì)比傳統(tǒng)的亮度、照度測(cè)試方法，高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)具有多方面的優(yōu)勢(shì)[10-13]。

[1] 陳仲林，翁季，胡英奎，等.道路照明測(cè)量方法研究[J].燈與照明，2005，30(2).

[2] 王金華.高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景可視化技研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3] 葛成.高動(dòng)態(tài)范圍圖像合成與配準(zhǔn)技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[4] 向遙.基于視覺感知的圖像處理方法研究[D].長沙：中南大學(xué)，2011.

[5] Moeck M， Anaokar S. Illuminance analysis from high dynamic range images[J].Leukos,2006,3(2)：211-228.

[6] Inanici M N. Evaluation of high dynamic range photography as a luminance data acquisition system[J].Lighting Research & Technology,2006,38(2)：123-134.

[7] Martin Moeck.Accuracy of luminance maps obtained from high dynamic range images[J].Leukos,2006,4(2)：99-112.

[8] Mardaljevic J， Painter B， Andersen M. Transmission illuminance proxy HDR imaging: A new technique to quantify luminous flux[J]. Lighting Research & Technology，2009,41(1):27-46.

[9] 沈天行,陳財(cái)生,王愛英. HDRI 圖像在照明輔助計(jì)算中的應(yīng)用[J].燈與照明，2004,28(4):28-29.

[10] 王嘉亮.高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)在建筑天然光設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑學(xué)報(bào),2010:37-39.

[11] Cai H， Chung T M，Improving the quality of high dynamic range images[J].Lighting Research Technology，2011,43:87-102.

[12] 王嘉亮.相機(jī)結(jié)合HDR圖像技術(shù)在博物館光環(huán)境分析中的應(yīng)用與驗(yàn)證[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011,22(5):68-73.

[13] 牛盛楠，王立雄，楊現(xiàn)國.立交橋高桿照明干擾光與TI 值研究[J].照明工程學(xué)報(bào),2007，18(2):25-27.

The Principles and Methods to Measuring Road Lighting by High Dynamic Image Technology

Song Jiayin, Wang Lixiong, Chen Yannan

(TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnologyTianjin300072,China)

As the urban road traffic system getting more complex, just like the increasing overpasses, traditional testing methods can not fit the need of field measurement. This research is based on the method of parameter extraction by light environment of high dynamic range imaging technology (High-Dynamic Range image, HDRI). The method can be used to solve the above problems. It elaborates the characteristics of high dynamic range image, the access methods and the principle of exacting brightness values from high dynamic range image. The feasibility of using the method to measure the road light environment was also demonstrated.

high dynamic image technology; road lighting; photometric parameters

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——“基于高動(dòng)態(tài)圖像技術(shù)的城市立交橋照明安全研究”(課題號(hào)：51178299)，天津市科委基金項(xiàng)目——“近明視覺中間視覺的LED道路照明功效及節(jié)能研究”(課題號(hào)：10JCYBJC03800)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.005