图像式街道亮度计在道路照明测试中的开发和应用

王书晓 张 滨 罗 涛 赵建平

(中国建筑科学研究院，北京 100044)

1 前言

道路照明的目的就是为各种车辆驾驶员以及行人创造良好的视觉环境，保障交通安全，提高交通运输效率;方便人民生活，降低犯罪率和美化环境。长期以来，道路照明设计一直是基于路面“照度标准”进行的。伴随着关于人生理研究的进步，发现引入路面亮度和因道路照明灯具在眼睛处的杂散光所引起的光幕亮度，能够更好的评估、预测道路及道路两侧的物体的可见度。特别1977年《机动车交通道路照明的建议》CIE No.12.2出版以来，路面亮度的概念在道路照明设计标准中逐步得到人们的认可和接受，并于20世纪80年代开始逐步作为道路道明的设计标准。我国的《城市道路照明设计标准》CJJ45—2006也根据道路使用功能及车流量对道路照明的路面平均亮度、路面亮度总均匀度和纵向均匀度、眩光限制等进行了规定。

2 传统道路路面亮度测量仪器要求及检测方法

《照明测量方法》GB/T5700—2008的对道路路面亮度测量方法及技术做出了相应的规定。

2.1 亮度计

在道路照明测量中，当需要测量亮度总均匀度和亮度纵向均匀度时，宜采用带望远镜头的光亮度计，其在垂直方向的视角应小于或等于2'，在水平方向的视角应为2'～20'。

2.2 亮度测量方法

亮度计的观测点的高度，应距路面1.5 m。亮度计的观测点的纵向位置:应距第一排测量点为60m，纵向测量长度为100m(图1)，或至少应包括同一侧两灯杆之间的区域。

图1 路面亮度观测示意图

在道路纵向，当同一侧两灯杆间距小于或等于50m时，通常应在两灯杆间按等间距布置10个测点;当两灯杆间距大于50 m时，应按两测点间距小于或等于5 m的原则确定测点数。在道路横向，在每条车道横向应布置5个测点，其中间一点应位于车道的中心线上，两侧最外面的两个点应分别位于距每条车道两侧边界线的1/10车道宽处;当亮度均匀度较好或对测量的准确度要求较低时，在每条车道横向可布置3个点，其中间一点应位于每条车道中心线上，两侧的两个点应分别位于距每条车道两侧边界线的1/6车道宽处。

2.3 存在的问题

利用传统亮度计进行测量需要测量路面上近三百多个测点亮度值，从而造成亮度测量变得十分复杂和困难，并耗费大量的时间。特别是测量过程中还需要道路上没有车辆的干扰，而随着社会生产的发展，道路上的机动车辆越来越多，这一点实现起来更加困难，同时还存在很大的安全隐患。

3 图像亮度测量系统在道路亮度测量中的开发及应用

3.1 图像式街道亮度计优势

CCD相机以其所具有的良好线性和精确性，而在需要同时获得一个阵列的数字辐射值的研究领域得到广泛应用。通过使用CCD的相机能够迅速的捕捉图像，并将其转化为数字化电子图像。图像测量特别适用于待测点密集的目标，适用于目标环境不甚稳定乃至剧烈变化的目标。因此相较于传统的点亮度计测量而言，利用图像式街道亮度计可以一次获取全部路面测点亮度值，在满足测试精度要求的前提下，该方法可以大大提高了测试的效率，在当前城市交通流量不断加大的情况下，该优势更加突出。

同时传统的测量方法，专业性非常强，因此不利于广泛推广;而图像式亮度计操作简单，便于掌握，从而创造一个安全、舒适的出行环境提供了有力保障。

3.2 图像式街道亮度计重点解决问题

图像亮度测试技术的出现为光环境评价提供了新的技术手段，但是评价方法的发展相对较为滞后，仍然是基于传统测量手段开展的。因此，当前图像亮度测量技术的应用研究首先要根据现有测量方法标准的要求，通过图像亮度计提高测试效率和精度，以更好的指导照明实践，具体包括以下三方面内容:

(1)图像式街道亮度计亮度校正;

(2)图像式街道亮度计几何校正;

(3)图像式街道亮度计操作、分析软件编制。

3.2.1 图像式街道亮度计亮度校正

如果利用合理的控制方式，通过确定相机CCD阵列任一像素数值，就可以确定其映射的环境中的该点的亮度值，从而经过相关计算分析获得场景均匀性、对比度等指标。

中国建筑科学研究院早在2009年就完成了课题“基于数码相机的图像亮度测量技术研究”，就系统的对影响相机测量亮度和色度参数的三大因素 (光学系统、电子系统和图像处理算法)进行了认真的研究。通过实验研究及计算机模拟分析，对光学系统误差模拟试验分析，CCD特性实验，得到了相机的亮度测量的测量范围。其中特别是通过对佳能相机RAW文件的解码技术的研究，避免了利用jpeg压缩文件作为测量结果载体带来的精度、数据线性度等方面的损失，进一步提高了测试精度和单幅图片可测试亮度范围。这些工作对最终开发出价格更为低廉、具有良好的市场推广价值的图像式亮度计具有重要的指导意义。通过本技术的研究，对传统图像亮度测量技术有了重大改进，见表1。

表1 测试技术基本技术指标对比表

通过比较可见，本课题的研究成果的主要性能指标优于同期国内外主要的研究成果，在研究成果鉴定会上鉴定评审专家们一致认为本研究成果达到了国际先进水平。在项目中，将基于该研究的成果，对项目中使用的相机系统进行亮度校正，从而确保该亮度计满足测试精度要求。

3.2.2 图像式街道亮度计几何校正

图像亮度计要记录视野内的亮度分布，就需要准确反映发光物体的大小及方位，而在图像亮度测量中使用的广角镜头，特别是鱼眼镜头多存在较为明显的畸变，而目前仍然缺少这个方面的研究，从而制约了图像亮度测试装置的发展。特别是在道路照明中按照现有测量标准规定，获取对应测点亮度值，就迫切需要通过对图像式街道亮度计进行几何校正。

中国建筑科学研究院在2011年所完成的课题“图像亮度测量的几何校正技术研究”依据摄影测量学等相关理论，针对相机镜头畸变，提出了图像亮度测量的几何校正方法。在相机镜头线性数学模型的基础上，将偏心畸变和薄棱镜畸变与径向畸变相结合，首次建立了具有较高精度的数码相机几何映射模型，使其几何角度测试精度提高了一倍。

3.2.3 图像式街道亮度计操作、分析软件编制

建立道路照明展示中心，能快速测量不同照明测量场景下的照明指标数值，并能及时显示，从而有利于帮助参观者对照明效果有更加明确、直观的了解。这就需要编制完成图像式街道亮度计操作、分析软件。该软件应包含以下几个方面的功能:

(1)亮度计控制功能模块，可以与相机实时通讯，设置测试参数，下载测试数据;

(2)亮度分析模块，能够对下载的RAW文件进行解码，分析测试噪声从而分析计算出被测量路面的亮度测试结果;

(3)按照展示中心的需要，以图、表等形式实时展示测试结果，以便于参观者能够有较为直观的认识。

3.3 图像式街道亮度计的应用

中国建筑科学研究院对图像亮度测量系统在道路照明测试中的应用情况进行了相应的验证工作，先后在四川省、贵州省及国家发改委组织的半导体照明示范项目的道路照明项目测试中，利用传统亮度计与图像式街道亮度计按照现有标准要求进行比对测量。

实践结果证明，图像测量技术测试结果与传统测量方法基本吻合 (最大测试误差为7%)。然而利用传统亮度计进行亮度测量，一条路的正常测试时间大约需要3个小时左右，而测量过程中时常由于马路附近的车辆经过而造成测试结果出现较大偏差，需要反复测量，从而进一步降低了测试的效率;利用图像式街道亮度计则仅仅需要10分钟左右就能完成该路面的亮度测量，从而大大提高了测试效率，进一步证实本技术在道路照明测试实践中的应用价值。

4 小结

本文对利用数码相机研发的图像亮度测量系统在道路照明测试中的应用进行了介绍，通过在相关项目中与传统亮度测试方法的结果比对，进一步验证了本技术在道路照明测试实践中的应用潜力。相信随着相关技术研究的深入开展，图像式街道亮度计必将大大推动我国道路照明检测工作的发展和技术提升，从而为我国道路照明的发展提供技术支撑。

［1］GB/T5700．照明测量方法．2008．

［2］CJJ45．城市道路照明设计标准．2006．

［3］CIE No．12.2．机动车交通道路照明的建议．1977．