CN102151120B - 眩光动态评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种眩光动态评估系统，该系统是在3D投影成像系统的基础上增加了滑轨动态控制系统、道路照明眩光动态评估模块和道路照明灯具。3D投影成像系统由投影系统、投影显示屏幕和显示眼镜组成。3D投影成像系统提供用于模拟道路照明的背景光环境，道路照明灯具形成亮度超过10万cd/m2道路照明的眩光源；通过眩光动态评估模块给动态控制滑轨与输入控制信号，实现动态控制道路照明灯具，产生动态的眩光，并且通过眩光动态评估模块切换不同的道路照明场景，用以评估不同的道路环境与驾驶速度下道路照明的眩光，眩光动态评估模块记录被试的测试数据。本发明成本低廉，可以动态评估不同的道路照明场景上驾驶员驾驶的视觉反应。
Description
技术领域
本发明属于照明测量与控制技术领域，具体涉及一种眩光动态评估系统。
背景技术
随着技术照明技术的发展，新兴的光源HID和LED以及OLED的应用也越来越广泛，在道路照明和汽车照明等诸多领域取得了广泛的应用。在道路照明中，设计时不仅要考虑满足视觉功能的要求，还应该考虑光环境，为驾驶员提供舒适的驾驶环境。既要注重光的物理特性和照明参数，还要重视驾驶员对照明的感受，综合分析评估驾驶员对道路光环境的接受程度及其相互作用。现在科学技术解决了照明设计和光参数测定等技术问题，但是对驾驶员对道路光环境的感知涉及的参数比较复杂，暂时还无法做到量化。
影响照明质量最重要的一项就是眩光，根据眩光的效应，分为不舒适眩光和失能眩光。在道路照明中，驾驶员会不可避免的看到灯具并感到刺眼，或者被对面行驶的车辆所眩目，也就是说驾驶员遇到了眩光。但是由于车辆处于行驶的过程中，眩光的持续时间与车辆的速度、车流量密度和路灯间隔等参数有关。眩光对驾驶员的影响和时间有关，静态眩光指数并不能完全描述眩光的刺激程度，所以要动态的测量评估眩光对驾驶员刺激程度。然而，由于道路的硬件设计和光环境比较复杂，在实验室里无法搭建实体模型来动态评估眩光。
本发明采用3D投影成像系统和滑轨动态控制系统的方法，虚拟再现了道路光环境，利用该眩光动态评估系统，可以动态评估眩光对驾驶员的影响，并可以进一步分析道路光环境下驾驶员的各种视觉工作机理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能完整模拟道路光环境，实时动态评估道路照明眩光的眩光动态评估系统。
本发明提供的眩光动态评估系统，是在3D投影成像系统的基础上增加了滑轨动态控制系统、道路照明眩光动态评估模块和道路照明光源。3D投影成像系统提供用于模拟道路照明的背景光环境，主要包括道路周围建筑、行驶车辆的照明以及道路周围的背景光；3D投影成像系统投影在屏幕上，被试通过配套的3D眼镜可以观察到逼真的3D道路照明场景；一组道路照明灯具形成亮度超过10万cd/m2道路照明的眩光源；通过眩光动态评估模块给动态控制滑轨与输入控制信号，实现动态控制道路照明灯具，产生动态的眩光，并且通过眩光动态评估模块切换不同的道路照明场景，用以评估不同的道路环境与驾驶速度下道路照明的眩光，眩光动态评估模块记录被试的测试数据。
本发明提出的眩光动态评估系统，由3D投影系统1、眩光动态评估模块2、滑轨动态控制系统3、道路照明灯具4、电脑5、3D显示眼镜7、3D投影显示屏幕9、椭圆形滑轨10和矩形暗室11组成，其中：3D投影系统1置于3D投影显示屏幕9的前端，将道路照明的图像投影到3D投影显示屏幕9上，用于提供道路照明背景光环境；电脑5通过第一数据线8与3D投影系统1连接，通过第二数据线12和滑轨动态控制系统3的信号输入端连接，电脑5内安装有眩光动态评估模块2，通过该模块切换道路照明光环境和输出滑轨的动态控制信号； 3D显示眼镜7与3D投影系统1配套使用，用于被试6观察到逼真的3D光环境；椭圆形滑轨10和矩形暗室11分别为2个，矩形暗室11一侧的两端开口，椭圆形滑轨10两端分别位于这两个开口部位，滑轨动态控制系统3的信号输出端与椭圆形滑轨10连接；两组椭圆形滑轨10和矩形暗室11位于电脑5两侧，椭圆形滑轨10靠近电脑5一侧设有道路照明灯具4。
本发明中，所述道路照明灯具4安装于路灯安装支架14上方，路灯安装支架14固定于椭圆形滑轨10上。
本发明中，所述3D投影系统1由光线空间调制器、照明光源分光器18、投影透镜19和菲涅尔透镜20组成，照明光源的出光口对准光线空间调制器的进光口，光线空间调制器的出光口对准照明光源分光器18的进光口，照明光源分光器18的出光口对准投影透镜19的进光口，投影透镜19的出光口对准菲涅尔透镜20的进光口，菲涅尔透镜20的出光口对准投影成像屏幕22。
本发明中，所述滑轨动态控制系统3由滑轨速度传感器23、PI调节器24、数字信号处理器25、调整电机转速控制器26和调速电机27依次连接组成，滑轨速度传感器23检测椭圆形滑轨的速度，将该速度和设定值比较，产生的误差经过PI调节器24处理后送入数字信号处理器25，数字信号处理器25根据该误差信号输出相应的控制信号，该控制信号再被送入调整电机转速控制器26，由调整电机转速控制器26来控制调速电机27的转速，从而使得椭圆形滑轨10的速度稳定在设定值。
本发明中，所述椭圆形滑轨10连接调速电机27。
本发明中，所述椭圆形滑轨10为2个，相应的调速电机27、滑轨速度传感器23、PI调节器24均为2个。
本发明中，所述道路照明灯具4为大功率LED路灯、HID路灯或无极灯中任一种，通过更换道路照明光源实现不同的驾驶状态与照明灯具下的眩光的动态评估。
本发明中，所述眩光动态评估模块2包括两个界面，一个是道路照明背景界面，可以实现不同的3D道路环境的切换，一个是滑轨动态控制界面，通过眩光动态评估模块更改滑轨控制参数，实现滑轨的动态控制。
本发明中，3D投影成像系统由数字光处理（Digital Light Procession）芯片和3D图像投影光学器件构成。所述数字光处理芯片包括DLP电路板、处理器、缓存和数字微镜装置（Digital Micromirror Device）。所述电脑安装道路照明眩光动态评估模块，通过数据线连接到3D投影成像系统，软件将道路背景数字信号传输到3D投影仪的DLP数字光处理器上。数字光处理器将光学信号处理后传输到3D图像投影光学器件上，3D图像投影光学器件使用空间光调制器将图像信号处理为各个方向都看到的2D图片信号，再将一系列的2D图片信号传输到投影透镜上，再投向投影屏幕，被试者通过3D眼镜就可以观察到三维道路照明场景。
本发明的眩光动态评估系统，具有以下明显优点：
（1）由于使用3D投影系统提供道路照明光环境，采用虚拟现实的方法实现了在实验室评估眩光，大量节省了搭建实验室的成本。
（2）由于使用了道路照明眩光动态评估模块，可以切换到不同的道路照明场景上；该模块与控制滑轨动态控制系统配合使用，可以方便动态记录驾驶员驾驶的视觉反应。
（3）由于3D投影系统使用了DLP数字光处理芯片，成像清晰度很好，可以使得道路光环境自然逼真，也进一步缩小了3D投影系统的尺寸，与3D投影透镜组配套使用，能呈现出清晰的三维动态道路照明光环境。
（4）本系统应用广泛，可以应用于道路照明眩光评估，进一步可以扩展应用至体育场馆照明和等室内外照明领域中。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明的系统俯视图。
图3是本发明的系统正视图。
图4是实施例中的3D投影系统1的光学原理图。
图5是实施例中的滑轨动态控制系统原理图。
图中标号：1为3D投影系统，2眩光动态评估模块，3滑轨动态控制系统，4为道路照明灯具，5为电脑，6为被试，7为3D显示眼镜，8为第一数据线，9为3D投影显示屏幕，10为椭圆形滑轨，11为矩形暗室，12为第二数据线，13为3投影系统支架，14为路灯安装支架，15为第一光线空间调制器，16是第一照明光源，17为第二照明光源，18为分光器，19为投影透镜，20为菲涅尔透镜，21为第二光线空间调制器，22为投影成像屏幕，23为滑轨速度传感器，24为PI调节器，25为数字信号处理器（DSP），26为调速电机转速控制器，27为调速电机。
具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明作进一步的详细描述。
参见图1～6，本发明包括下述部件：
(1)3D投影系统1置于3D投影显示屏幕9的前端，用于提供道路照明背景光环境；
(2)一组道路照明灯具4，主要包括大功率LED路灯、HID路灯和无极灯；用于形成亮度超过10万cd/m2的眩光，含有可见光谱范围的冷白、白光和暖白光三种色温的光源；
(3)眩光动态评估模块2，主要功能包括切换道路照明背景场景和控制滑轨的运动状态，如运动方向、速率和加速度等；
(4)一个电脑5，通过第一数据线8与3D投影系统1连接，通过第二数据线与滑轨动态控制系统3连接，用于安装道路照明眩光动态评估模块2，通过该模块切换道路照明光环境和输出滑轨的动态控制信号；
(5)一副3D显示眼镜7，与3D投影系统1配套使用，用于被试观察到逼真的3D光环境；
(6)一个3D投影显示屏幕9，3D投影系统1将道路照明的图像投影到3D投影显示屏幕9上；
(7)一个滑轨动态控制系统3，与路灯安装支架14连接，通过动态控制椭圆形滑轨10，控制道路照明灯具4的运动状态，被试6可以在3D投影显示屏幕9上呈现出三维动态的道路照明光环境。
3D投影系统11由第一光线空间调制器15、第一照明光源16、第二照明光源17、分光器18、投影透镜19、菲涅尔透镜20和第二光线空间调制器21组成，如图4所示。第一照明光源16和第二照明光源17的出光口分别对准第一光线空间调制器15和第二光线空间调制器21的进光口，第一光线空间调制器15和第二光线空间调制器21的出光口分别对准照明光源分光器18的进光口，照明光源分光器18的出光口对准投影透镜19的进光口，投影透镜19的出光口对准菲涅尔透镜20的进光口，菲涅尔透镜20的出光口对准投影成像屏幕22。
所述滑轨动态控制系统3由滑轨速度传感器23、PI调节器24、数字信号处理器25、调整电机转速控制器26和调速电机27组成，滑轨速度传感器23为2个，相应的PD调节器24为2个，调速电机27为2个，如图5所示。所述DSP为TI公司的TMS320F2812；所述调速电机为永磁无刷直流电机、永磁同步电机等可调速的电机。第一个滑轨速度传感器23检测到其中一个椭圆形滑轨10的速度，将该速度和设定值比较，产生的误差经过第一个PI调节器24处理后送入DSP，DSP根据该误差信号输出相应的控制信号，该控制信号再被送入调整电机转速控制器26，由调整电机转速控制器26来控制第一个调速电机27的转速，从而使得第一个椭圆形滑轨10的速度稳定在设定值。第二个滑轨速度传感器23检测第二个椭圆形滑轨10的速度，将该速度和第一个椭圆形滑轨10的当前速度比较，产生的误差经过第二个PI调节器24处理后送入DSP，DSP根据该误差信号输出相应的控制信号，该控制信号再被送入调整电机转速控制器26，由调整电机转速控制器26来控制第二个调速电机2的转速，从而使得第二个椭圆形滑轨的速度和第一个椭圆形滑轨相同。
3D投影成像系统提供用于模拟道路照明的背景光环境，主要包括道路周围建筑、行驶车辆的照明以及道路周围的背景光；3D投影成像系统投影在屏幕上，被试通过配套的3D眼镜可以观察到逼真的3D道路照明场景；一组道路照明灯具形成亮度超过10万cd/m2道路照明的眩光源；通过眩光动态评估模块给动态控制滑轨与输入控制信号，实现动态控制道路照明灯具，产生动态的眩光，并且通过眩光动态评估模块切换不同的道路照明场景，用以评估不同的道路环境与驾驶速度下道路照明的眩光，眩光动态评估模块记录被试的测试数据。
本发明的工作原理是：
在静态的道路照明场景中眩光由 
给出，其中其中
为背景亮度（cd·m-2），
为灯具发光部分在观察者眼镜方向上的亮度；
为灯具发光部分对观察者眼镜所张的立体角（sr），是灯具的位置指数。在道路照明动态场景中由3D投影系统产生三维的背景，采用眩光动态评估模块改变道路背景亮度，以评估不同背景亮度下动态眩光指数。在道路照明部分，采用高亮度不同色温的光源作为眩光光源，用于评估不同的不同色温下道路照明对驾驶员眩光的影响。
在动态控制部分，采用模块输出信号的方式，由模块控制滑轨控制系统，进一步控制道路照明光源的运动状态。第一个滑轨速度传感器检测到第一个椭圆形滑轨的速度，将该速度和软件设定值比较，产生的误差经过第一个PI调节器处理后送入DSP，DSP根据该误差信号输出相应的控制信号，该控制信号再被送入转速控制器，由调整电机转速控制器来控制第一个调速电机的转速，从而使得第一个椭圆形滑轨的速度稳定在设定值。第二个滑轨速度传感器检测第二个椭圆形滑轨的速度，将该速度和第一个椭圆形滑轨的当前速度比较，产生的误差经过第二个PI调节器处理后送入DSP，DSP根据该误差信号输出相应的控制信号，该控制信号再被送入调整电机转速控制器，由调整电机转速控制器来控制第二个调速电机的转速，从而使得第二个椭圆形滑轨的速度和第一个椭圆形滑轨相同。由此可以评估不同的运动状态下道路照明灯具眩光对驾驶员的影响。
通过改变道路照明光源在滑轨上的间隔和运动速度，改变道路照度均匀度和亮度均匀度，以评估照度均匀度和亮度均匀度对于车辆运动速度的关系。
Claims (8)
1.一种眩光动态评估系统，由3D投影系统(1)、眩光动态评估模块(2)、滑轨动态控制系统(3)、道路照明灯具(4)、电脑(5)、3D显示眼镜(7)、3D投影显示屏幕(9)、椭圆形滑轨(10)和矩形暗室(11)组成，其特征在于：3D投影系统(1)置于3D投影显示屏幕(9)的前端，将道路照明的图像投影到3D投影显示屏幕(9)上，用于提供道路照明背景光环境；电脑(5)通过第一数据线(8)与3D投影系统(1)连接，通过第二数据线(12)和滑轨动态控制系统(3)的信号输入端连接，电脑(5)内安装有眩光动态评估模块(2)，通过该模块切换道路照明背景光环境和输出滑轨的动态控制信号；3D显示眼镜(7)与3D投影系统(1)配套使用，用于被试者(6)观察到逼真的3D光环境；椭圆形滑轨(10)和矩形暗室(11)分别为2个，矩形暗室(11)一侧的两端开口，椭圆形滑轨(10)两端分别位于这两个开口部位，滑轨动态控制系统(3)的信号输出端与椭圆形滑轨(10)连接；两组椭圆形滑轨(10)和矩形暗室(11)位于电脑(5)两侧，椭圆形滑轨(10)靠近电脑(5)一侧设有道路照明灯具(4)。
2.根据权利要求1所述的眩光动态评估系统，其特征在于所述道路照明灯具(4)安装于路灯安装支架(14)上方，路灯安装支架(14)固定于椭圆形滑轨(10)上。
3.根据权利要求1所述的眩光动态评估系统，其特征在于所述3D投影系统(1)由光线空间调制器、照明光源分光器(18)、照明光源、投影透镜(19)和菲涅尔透镜(20)组成，照明光源的出光口对准光线空间调制器的进光口，光线空间调制器的出光口对准照明光源分光器(18)的进光口，照明光源分光器(18)的出光口对准投影透镜(19)的进光口，投影透镜(19)的出光口对准菲涅尔透镜(20)的进光口，菲涅尔透镜(20)的出光口对准3D投影显示屏幕(9)。
4.根据权利要求1所述的眩光动态评估系统，其特征在于所述滑轨动态控制系统(3)由滑轨速度传感器(23)、PI调节器(24)、数字信号处理器(25)、调整电机转速控制器(26)和调速电机(27)依次连接组成，滑轨速度传感器(23)检测椭圆形滑轨的速度，将该速度和设定值比较，产生的误差经过PI调节器(24)处理后送入数字信号处理器(25)，数字信号处理器(25)根据该误差信号输出相应的控制信号，该控制信号再被送入调整电机转速控制器(26)，由调整电机转速控制器(26)来控制调速电机(27)的转速，从而使得椭圆形滑轨(10)的速度稳定在设定值。
5.根据权利要求4所述的眩光动态评估系统，其特征在于所述椭圆形滑轨(10)连接调速电机(27)。
6.根据权利要求4所述的眩光动态评估系统，其特征在于所述椭圆形滑轨(10)为2个，相应的调速电机(27)、滑轨速度传感器(23)、PI调节器(24)均为2个。
7.根据权利要求1所述的眩光动态评估系统，其特征在于所述道路照明灯具(4)为大功率LED路灯、HID路灯或无极灯中任一种，通过更换道路照明灯具实现不同的驾驶状态与道路照明灯具下的眩光的动态评估。
8.根据权利要求1所述的眩光动态评估系统，其特征在于所述眩光动态评估模块(2)包括两个界面，一个是道路照明背景界面，实现不同的3D道路环境的切换，一个是滑轨动态控制界面，通过眩光动态评估模块更改滑轨控制参数，实现滑轨的动态控制。
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