基于成像型亮度計的車燈配光性能檢測系統研究

謝祖通， 翁曉偉， 陳愛華

(1.臺州市質量技術監督檢測研究院，浙江 臺州 318000；2.臺州學院，浙江臺州 318000)

基于成像型亮度計的車燈配光性能檢測系統研究

謝祖通1， 翁曉偉1， 陳愛華2

(1.臺州市質量技術監督檢測研究院，浙江 臺州 318000；2.臺州學院，浙江臺州 318000)

針對傳統的轉臺式車燈配光檢測系統結構復雜、檢測成本高、耗時等問題，本文提出了一種基于成像式亮度計的車燈配光性能檢測系統。該系統采用CCD傳感器，通過光學系統獲取車燈光照的強度，并以數字圖像的形式顯現出來；通過檢測近光圖像的明暗截止線將配光圖像劃分為強光區和弱光區，以兩臺通光孔徑不同的CCD相機分別進行檢測，同時調整相機的曝光時間，擴大傳感器感光的動態范圍；分析確定光源亮度和數字圖像像素灰度之間的關系，最后根據像素的灰度值判定待測點的亮度。實驗結果表明：在誤差允許的范圍內，成像型亮度計可以代替傳統的轉臺式配光檢測系統。該系統檢測操作簡單，檢測速度快，穩定性好。

配光檢測；CCD傳感器；明暗截止線；曝光時間

引言

車燈對車輛在夜間或者光線昏暗條件下的行駛安全至關重要，因此世界各國根據本國國情都強制性的對車燈的配光性能做了嚴格規定，以保證行車安全[1]。當前，國內均采用轉臺式車燈配光性能檢測系統，該系統通過控制轉臺的前后移動，平移以及旋轉運動，改變待測燈的位置，按照國標要求逐個檢測測試點的照度是否滿足國標的要求[2-3]。傳統測試系統的主要缺點主要體現在：①檢測系統需要轉臺進行多維運動，誤差及控制難度大；②耗時長，對于一個熟練的檢測人員，檢測完成一個車燈至少需要30 min，因此只能實現抽樣檢測；③檢測成本高，主要包括檢測系統成本及勞動力成本。

近年來，隨著CCD技術的快速發展，利用CCD技術檢測光源的亮度成為了一個研究的熱點[4-6]。基于此，本文提出了一種基于成像式亮度計的車燈配光性能檢測系統。該系統采用CCD傳感器，通過光學系統獲取車燈光照的強度，并以數字圖像的形式顯現出來，通過檢測近光的明暗截止線，將圖像劃分為強光區和弱光區，分別用兩臺通光孔徑不同的相機進行檢測；分析確定光源亮度和數字圖像像素灰度之間的關系，最后根據像素的灰度值判定國標規定的車燈測試點的亮度。

1 成像型亮度計的工作原理

根據光度學和幾何光學可以得到：圖像成像面上的照度與發光面上的照度關系可以由式(1)表示[7]。

(1)

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

E=KL

(2)

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

2 基于成像型亮度計的車燈配光性能檢測原理

2.1 檢測系統的整體框架

基于成像型亮度計的車燈配光檢測原理如圖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暗室中，待測車燈的光線打在配光屏幕上，以CCD攝像頭為光學核心元件，車燈在配光屏幕上的亮度分布在CCD的光敏面上成像，經過量化編碼后，將圖像數據通過USB3.0傳送到計算機中。由于車燈的亮度動態范圍非常寬，因此采用兩臺通光孔尺寸不同的攝像頭分別檢測車燈的高亮度區和低亮度區，每臺攝像頭通過自動調整曝光時間來擴展感光的動態范圍。當屏幕上亮度點的位置標定好后，就可以根據事先標定的像素灰度值，曝光時間以及亮度的關系，確定配光屏幕上各個待測點的亮度值，實現配光檢測的目的。

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

2.2 明暗截止線的檢測

從以上的原理可以看出：明暗截止線的檢測是采用成像型亮度計實現車燈配光檢測的重要環節。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，劃分為亮區和暗區兩部分。本文采用canny算子檢測明暗截止線[11]。

在常見的邊緣檢測算法中，canny算子是一種綜合性能較好的檢測算法。該算法既考慮了前期的預處理，降低了噪聲的影響，有對檢測的邊緣進行了進一步分析，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:用一階偏導檢測每個的梯度幅值和梯度方向；

第3步:對梯度進行非極大值抑制和雙閾值法，去除偽邊緣點；

第4步:連接邊緣點或者邊緣線段使其盡量成為一個閉合曲線。

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 明暗截止線檢測結果Fig.3 Shading tine test result

2.3 CCD成像型亮度計的標定

在曝光時間一定的條件下，CCD成像型亮度計的動態范圍非常的小，因此無法直接用于檢測，為了提高亮度計的檢測范圍，需要根據需要調整傳感器的曝光時間，根據CCD傳感器的原理可以知道，數字圖像中像素的灰度值與被測光源的亮度和曝光時間兩個因素密切相關。本文采用文獻[7]中的方法標定數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系，采用二次擬合的方法將灰度、曝光時間和亮度之間的關系一一對應起來，用于車燈光源的檢測。

2.4 檢測系統的軟件實現

目前國際上車燈測試標準主要有兩大體系：一個是美國的SAE體系，另一個是歐洲的ECE體系。我國參照了ECE體系標準，制定了相應的國家標準。它的最大特點是前照燈的近光有明顯的明暗截止線，目的是在保證遠、近都有良好的照明時，不會使對面會車的駕駛員感到光線太亮，產生眩目感，影響機動車輛的駕駛[1]。按照國標要求,近光在配光屏幕上應當產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。因此明暗截止線車燈的配光圖像明顯的分為了明暗兩部分，由于車燈光照動態范圍寬，而相機的感光動態范圍太窄，一臺相機很難覆蓋整個車燈亮度范圍，且會給檢測帶來較大的誤差，因此本文采用兩臺通光孔徑不同的相機分別檢測強光區和弱光區。系統的軟件控制流程圖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，確定每臺相機的檢測區域；然后開始采集圖像進行檢測，為了降低噪聲對檢測的影響，本文采用多次測量累加求平均值的方法提高信噪比；由于車燈的亮度范圍寬，而單幀圖像的感光動態范圍窄，因此待測點的灰度很容易溢出，需要自動調整相機的曝光時間，直至像素灰度值在一個閾值范圍內，再提取像素的灰度值，根據事先標定的像素灰度值、曝光時間以及亮度的關系，確定配光屏幕上各個待測點的亮度值，實現配光檢測的目的。

3 實驗仿真結果及分析

下面通過兩個仿真實驗來驗證本文方案的有效性：①采用單個攝像頭進行仿真實驗，檢測車燈的配光性能，驗證雙攝像機同時檢測的必要性；②將以成像型亮度計檢測的照度結果與傳統轉臺式配光檢測系統的檢測結果進行比較，驗證當前提出的成像型亮度計的有效性。

首先是單個攝像頭來檢測車燈配光性能的仿真實驗，通過調整曝光時間來檢測屏幕上不同測試點的亮度值。圖5是兩臺孔經不同的CCD相機的檢測結果，其中橫軸為傳統轉臺式配光檢測系統檢測的結果，縱軸為CCD相機構成的亮度計檢測的結果，從圖中可以看出，相機只能檢測一定亮度范圍的測試點，孔徑大的相機檢測暗區的點較為準確，而高亮度點檢測誤差較大，甚至無法檢測；而孔徑小的相機檢測高亮度點精度較高，在低亮度區檢測誤差較大，因此，由于車燈的亮度分布區間較大，采用單個相機檢測車燈的配光性能誤差較大，甚至無法完成檢測。

圖5 不同孔徑CCD相機檢測結果Fig.5 Test results of CCDcametas with different aperture

其次是將成像型亮度計檢測的照度結果與傳統轉臺式配光檢測系統的檢測結果進行比較。具體過程如下：將車燈燈光打到白色的配光屏幕上，以車燈的中心基準點為坐標原點，建立一個檢測坐標系，用成像型CCD亮度計在水平方向和垂直方向上分別每隔兩度進行采樣，共計檢測135個測試點的照度，然后再用轉臺式配光檢測系統檢測這些點的照度值，兩者之間的絕對誤差如圖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：成像型亮度計的檢測結果與傳統轉臺式亮度計的檢測結果數值是一致的，兩者之間的誤差較小，在一定誤差允許的范圍內，可以用成像型亮度計來代替傳統轉臺式配光檢測系統檢測車燈的性能。

圖6 檢測誤差Fig.6 Test error

4 結論

本文介紹了一種基于CCD傳感器的成像型亮度計車燈配光檢測系統，采用CCD攝像機將車燈的光強分布轉化為數字圖像的灰度分布，為了解決燈光光強分布范圍寬的問題，以明暗截止線為界將數字圖像劃分為強光區和弱光區，并采用兩臺通光孔徑不同的相機分別進行檢測，最后根據標定的像素灰度、曝光時間和光源亮度的關系，檢測車燈的配光分布是否合格。該系統操作簡單，檢測速度快，系統穩定性好，成本低，可以實現車燈配光性能的在線檢測，對于車燈的生產。

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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