基于交通技術(shù)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(xué)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(jìn)步，對其質(zhì)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(dāng)補光的形式對光環(huán)境進(jìn)行改善，在城市路口，交通技術(shù)監(jiān)控成像補光裝置隨處可見。為更好地規(guī)范補光技術(shù)要求，2014年公安部制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T 1202—2014《交通技術(shù)監(jiān)控成像補光裝置通用技術(shù)要求》，較好地促進(jìn)了補光裝置行業(yè)發(fā)展。

而隨著補光方式、光源技術(shù)等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，GA/T 1202—2014標(biāo)準(zhǔn)中對交通技術(shù)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(jìn)行全面地評價。隨著監(jiān)控設(shè)備對圖像質(zhì)量要求變高，在實際路面應(yīng)用補光裝置時，其設(shè)置安裝的位置、基準(zhǔn)軸照度值無法與監(jiān)控設(shè)備、駕駛?cè)酥g達(dá)到較好的平衡。設(shè)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(yīng)，造成人眼視力短暫失能。近年來，因監(jiān)控補光閃爍眩光導(dǎo)致的交通事故案例引起了社會和行業(yè)的爭議和關(guān)注。如何對監(jiān)控補光裝置的眩光影響進(jìn)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(guān)注問題。

目前，國內(nèi)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中對與城市道路照明相關(guān)的眩光參數(shù)進(jìn)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(jìn)行了規(guī)定；GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)中對室內(nèi)、體育場館等多場景的眩光參數(shù)進(jìn)行了定義，同樣對其閾值進(jìn)行了規(guī)定。這兩個標(biāo)準(zhǔn)主要針對路燈照明、室內(nèi)、體育場館照明，考慮到補光燈與其光源、設(shè)置情況的差異性，其眩光參數(shù)及閾值的設(shè)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(jìn)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(biāo)，選取路面平均亮度作為人眼適應(yīng)亮度，對不同平均亮度的路面進(jìn)行分級評價。

當(dāng)待測路面的平均亮度0.05 cd/m2

(1)

當(dāng)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(nèi)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)對補光裝置的眩光測評參數(shù)進(jìn)行了確定，且詳細(xì)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)層面外，關(guān)于補光裝置眩光控制及閾值規(guī)定方面的文獻(xiàn)相對較少，主要聚焦于測試方法的確定及眩光對駕駛?cè)说挠绊憣用妗８＝ㄊ‘a(chǎn)品質(zhì)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(jìn)行了測量，實現(xiàn)了對補光裝置眩光的初步評價；重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院的何滎[2]對重慶大學(xué)內(nèi)部道路進(jìn)行了補光裝置的眩光調(diào)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(jìn)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(jìn)行研究。

1 構(gòu)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(jìn)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(shè)置高度及具體使用要求，設(shè)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(cè)面設(shè)計角度調(diào)節(jié)滑軌。

設(shè)計參數(shù)為：(1)角度調(diào)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(zhǔn)確度：±3%(標(biāo)準(zhǔn)A光源)；(3)亮度重復(fù)性：1%(A光源)。

根據(jù)實際路面補光裝置、駕駛?cè)说奈恢藐P(guān)系，在實驗室搭建模擬環(huán)境。基于實際路面駕駛?cè)烁叨葹?.5 m，補光裝置設(shè)置高度依據(jù)GA/T 1202—2014《交通技術(shù)監(jiān)控成像補光裝置通用技術(shù)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(jìn)行等比例縮放，構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(shè)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?cè)搜鄹叨?1.5 m)。選取內(nèi)部道路作為測試場地，補光燈設(shè)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(shè)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(shè)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(jìn)行測試分析，以得到相應(yīng)的眩光控制方法。

2.1 安裝設(shè)置

GA/T 1202—2014中規(guī)定補光車道的側(cè)上方、基準(zhǔn)軸與補光車道的車道分界線所成的空間角度應(yīng)大于等于20°、安裝高度應(yīng)大于等于6 m。生物學(xué)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(yīng)避免從這個角度進(jìn)入駕駛?cè)艘暰€，保證車輛在補光區(qū)域時補光裝置在駕駛?cè)擞行б曈蛞酝鈁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(shè)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?cè)诵熊嚽闆r下與補光裝置的相對位置，選取不同的角度進(jìn)行眩光測試，測試在實驗室模擬環(huán)境下進(jìn)行，測試結(jié)果見表1。

表1 不同安裝設(shè)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(jié)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?cè)搜鄣囊晥鼋窃絹碓叫。搜劢邮盏降恼斩戎狄搽S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(shè)置是為攝像頭提供足夠照度進(jìn)行抓拍，因此應(yīng)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?cè)说难９狻?/p>

比對表1中測試結(jié)果4、5號數(shù)據(jù)可得，相同的補光裝置設(shè)置情況下，駕駛?cè)伺c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(yīng)的為本車道駕駛?cè)嘶蚴窍噜徿嚨礼{駛?cè)恕Ｏ鄬τ?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?cè)颂幗邮盏恼斩戎担议撝翟隽肯啾纫灿兴陆怠Ｒ虼搜a光燈設(shè)置時，應(yīng)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(yīng)不低于4 000 K，而目前監(jiān)控補光裝置在實際應(yīng)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(jìn)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(jìn)行測試，測試結(jié)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?cè)说难９狻?/p>

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(diào)研，對于電子警察監(jiān)控設(shè)備，補光距離一般設(shè)置在25～28 m；對于卡口監(jiān)控設(shè)備，補光距離一般設(shè)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(jìn)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(guān)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(shè)置的越來越遠(yuǎn)，視場角隨之變小，且駕駛?cè)颂幗邮盏降恼斩戎狄搽S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(nèi)，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(diào)，補光距離宜設(shè)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(yīng)選擇合適的距離進(jìn)行補光裝置設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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?cè)搜郛a(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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shè)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(yīng)的閾值增量下限值。在進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jié)語

本文主要著眼于實現(xiàn)交通技術(shù)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(nèi)容有：

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

2)從安裝設(shè)置層面控制眩光，基于標(biāo)準(zhǔn)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?cè)瞬煌鄬ξ恢孟碌难９鉁y試，得出結(jié)論：調(diào)整補光裝置俯仰角度、選擇斜正對的補光裝置與駕駛?cè)讼鄬ξ恢每梢栽诒ＷC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(jìn)行眩光測試，控制安裝設(shè)置、光源亮度等因素完全一致，得出結(jié)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(yīng)用于卡口、電子警察的不同用途，要求設(shè)置距離也不盡相同，選取15～35 m的補光距離區(qū)間進(jìn)行篩選，比對照度變化趨勢圖、閾值增量變化趨勢圖，得出結(jié)論：補光距離宜選取15～25 m范圍，在此范圍內(nèi)，補光裝置抓拍照度可調(diào)，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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)不高于61.38/90.08/117.74;在滿足機動車駕駛?cè)嗣娌啃畔⒆ヅ囊蟮那疤嵯拢O(shè)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(yīng)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(shè)備的畫質(zhì)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(jìn)行控制；為監(jiān)控補光裝置的技術(shù)發(fā)展提供方向，為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考。目前關(guān)于監(jiān)控補光裝置的眩光參數(shù)要求并未在標(biāo)準(zhǔn)中涉及，本課題的研究有利于推動標(biāo)準(zhǔn)的修訂。

本研究中針對的安裝設(shè)置條件、光源類型、補光距離維度主要為典型的補光裝置應(yīng)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(shù)的不斷更新及交通管理要求的不斷提高，類似遠(yuǎn)光燈抓拍、違法鳴笛抓拍等補光裝置應(yīng)用新場景，紅外、微光等新的補光裝置新技術(shù)，本研究中尚未涉及，后續(xù)會關(guān)注這些方面的研究。