CN109238461A - 基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，包括以下步骤，1)利用数码相机分别于照明环境下和无光源环境下对待测试区域或方向进行拍照；2)分析拍照得到的照片，得到背景亮度、各个光源亮度，及各个光源的位置指数和立体角；3)进行室内照明统一眩光评价指数(UGR)的计算，采用图像分析法进行眩光测量，系统整体的实用性强。所开发的测试软件与硬件控制系统操作简单。而且本发明的方法可集成为软件，将使用数码相机拍摄的室内照明图像导入眩光测试软件中进行处理，软件将所提取的参数值进行运算处理并输出，可实现室内照明统一眩光评价指数的快捷测量。
Description
技术领域
本发明属于光照环境测量技术领域，具体涉及一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法。
背景技术
眩光评价是照明设计中照明质量评价的一个重要研究内容。CIE指出在背景较暗或者光源出光角度较小的照明环境中，眩光引起的不舒适感更加强烈。根据眩光对视觉影响的程度，可分为失能眩光和不舒适眩光。失能眩光会引起视觉工效的下降，而不舒适眩光影响人们的视觉舒适。从视觉效果上来看，不舒适眩光效应会使人们对目标物的观察由视觉感受到影响，在一定程度上会影响视觉绩效和工作效率，在重要的视觉作业场合，如交通、航空航天、重工业中甚至会造成安全隐患，长期作用则会造成视觉疲劳和心理不适，进而引发注意力不集中、烦躁、眼部疾病等生理不适现象。Petherbridge等通过研究提出了GI眩光评价系统，该系统是被试者在一定的背景亮度下对光源的视觉舒适程度进行主观评价得出。Einhorn对GI公式进行了修正，考虑了被试者对光源的适应作用，提出了改进的眩光指数系统，即CGI系统该系统适用于灯具的光轴与铅垂线一致的室内照明。Sorensen在Einhorn提出的CGI公式的基础上进行了改进，提出统一眩光评价指数UGR，该模型适用于室内中小光源(指立体角在3×10-4～0.1sr的光源)，以及发光顶棚和均匀间接照明的眩光评价，与主观评价一致性较高。Tashiro等提出了一种室内眩光测试的方法，采用三种不同类型的光源进行测试，并进行了UGR、TI、GR眩光评价，该方法对单灯具光源适用性较好。传统的眩光测试方法存在操作复杂、响应速度慢、成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，能便捷计算室内照明统一眩光评价指数。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，包括以下步骤，
1)利用数码相机分别于照明环境下和无光源环境下对待测试区域或方向进行拍照；
2)分析拍照得到的照片，得到背景亮度、各个光源亮度，及各个光源的位置指数和立体角；
3)进行室内照明统一眩光评价指数(UGR)的计算，统一眩光评价指数UGR公式如下：
其中，La,i表示眩光源亮度(cd/m2)，Lb表示背景亮度(cd/m2)，ωi表示第i个眩光源对观察者所成立体角(sr)，Pi表示眩光源位置指数；n为眩光源个数。
在上述技术方案中，所述的眩光源位置指数P的计算方法为，
公式(2)和公式(3)分别为视野上方和视野下方眩光源位置指数计算公式，R和D表示眩光源处于视野上方或视野下方时光源发光部分中心投影与视线的水平距离；T和Y表示眩光源处于视野上方或视野下方时光源发光部分中心投影与视线的垂直距离；H和H'为眩光源处于视野上方或视野下方时光源发光部分中心到视线所在水平面的距离，即高度。
在上述技术方案中，所述的眩光源的中心点坐标为Sk(tk,rk,hk)，其对应的成像点的空间位置坐标为S'k(t'k,rk',h'k)，相机中每个像素大小为a·b，则rk为眩光源发光部分的中心点投影与视线的水平距离，其等于焦距f；tk为眩光源发光部分的中心点投影与视线的垂直距离；hk为眩光源发光部分的中心点到视线所在水平面的距离，即高度，r′k为眩光源发光部分的中心点的成像点投影与视线的水平距离等于焦距f；t'k为眩光源发光部分的中心点的成像点投影与视线的垂直距离；h'k为眩光源发光部分的中心点的成像点到视线所在水平面的距离；则，
其中，ik、jk分别为T'方向和H'方向上的坐标值，即为对应方向上的像素点个数，公式(4)、(5)中坐标值的单位为mm。
在上述技术方案中，光源立体角ω的计算公式为，
其中，N为眩光源对应成像的像素点数目，每个像素大小为a·b；f′为相机相距，tt'k为第k个像素点的投影与镜头的垂直距离；hh'k为第k个像素点到镜头所在水平面的距离，即高度。
在上述技术方案中，所述的背景亮度计算方法为：获取各像素点的灰度值并取平均值，由平均灰度值计算曝光量，从而得出实际的背景亮度。
在上述技术方案中，所述的眩光源亮度计算方法为：首先通过亮度差获取眩光源成像的边界和数量，然后针对获取每个眩光源边界内的各像素点的灰度值并取平均值，由平均灰度值计算曝光量，从而得出每个眩光源的亮度。
在上述技术方案中，所述的亮度计算公式为L＝HF2/T；L为所拍摄目标物的亮度；H为拍摄图像的曝光量；F为相机的光圈大小，T为相机获取图像时的曝光时间。
在上述技术方案中，1)利用选定相机选取同组眩光源进行多组曝光时间的图形采集；
2)计算采集的多个图像的平均灰度值D；
3)分析图像的总体曝光量对数值lgH与图像灰度值D的趋势图，得到灰度值分布的中间区域，获取该相机的灰度值D与曝光量对数lgH之间存在线性关系的区间段；
4)对该区间段的数据进行拟合，得到亮度回归方程并计算可得拍摄图像的曝光量H。
在上述技术方案中，当计算出的室内照明统一眩光评价指数超出预设范围时，还包括控制补光灯进行补光的步骤。
在上述技术方案中，当计算出的室内照明统一眩光评价指数超出预设范围时，还包括控制光源改变光源亮度步骤。
在上述技术方案中，本发明的优点和有益效果为：
采用图像分析法机选眩光测量，系统整体的实用性强。所开发的测试软件与硬件控制系统要操作简单。而且本发明的方法可集成为软件，将使用数码相机拍摄的室内照明图像导入眩光测试软件中进行处理，软件将所提取的参数值进行运算处理并输出，可实现室内照明统一眩光评价指数的快捷测量。其中，数字图像提取部分，采用了OpenCV来实现图像提取眩光参数的功能，室内照明图像光源亮度、位置指数、立体角参数提取，光源轮廓显示，背景亮度提取等功能。
附图说明
图1为图像提取程序流程图。
图2为系统硬件总体框图。
图3为像素点提取空间坐标系。
图4为图像灰度与曝光量对数值关系图。
图5为亮度回归曲线线性区域拟合图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
本发明的基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，包括以下步骤，
1)利用数码相机分别于照明环境下和无光源环境下对待测试区域或方向进行拍照；
2)分析拍照得到的照片，得到背景亮度、各个光源亮度，及各个光源的位置指数和立体角；
3)进行室内照明统一眩光评价指数(UGR)的计算，统一眩光评价指数UGR公式如下：
其中，La,i表示眩光源亮度(cd/m2)，Lb表示背景亮度(cd/m2)，ωi表示第i个眩光源对观察者所成立体角(sr)，Pi表示眩光源位置指数；n为眩光源个数。本发明的方法可集成为软件，将使用数码相机拍摄的室内照明图像导入眩光测试软件中进行处理，软件将所提取的参数值进行运算处理并输出，可实现室内照明统一眩光评价指数的快捷测量。其中，数字图像提取部分，采用了OpenCV来实现图像提取眩光参数的功能。室内照明图像光源亮度、位置指数、立体角参数提取，光源轮廓显示，背景亮度提取等功能。
其中，图像提取的主要过程包括进均值滤波操作，转为灰度图像，转换为二值图，获取形态化函数，进行开运算并获取图像轮廓，即可得到光源对应的图像轮廓和数量，便于后续进行光源亮度计算。
实施例二
作为具体实施方式，所述的Pi表示眩光源位置指数P的计算方法为，
公式(2)和公式(3)分别为视野上方和视野下方眩光源位置指数计算公式，R和D表示视野上方和视野下方眩光源时光源发光部分中心投影与视线的水平距离；T和Y表示视野上方和视野下方眩光源时光源发光部分中心投影与视线的垂直距离；H和H'为视野上方和视野下方眩光源时光源发光部分中心到视线所在水平面的距离，即高度。
其中，所述的眩光源的中心点坐标为Sk(tk,rk,hk)，其对应的成像点的空间位置坐标为Sk(t'k,rk',h'k)，相机中每个像素大小为a·b，则rk为眩光源发光部分的中心点投影与视线的水平距离，其等于焦距f；tk为眩光源发光部分的中心点投影与视线的垂直距离；hk为眩光源发光部分的中心点到视线所在水平面的距离，即高度，r′k为眩光源发光部分的中心点的成像点投影与视线的水平距离；t'k为眩光源发光部分的中心点的成像点投影与视线的垂直距离；h'k为眩光源发光部分的中心点的成像点到视线所在水平面的距离。
其中，ik、jk分别为T'方向和H'方向上的坐标值，即为对应方向上的像素点个数，公式(4)、(5)中坐标值的单位为mm。即，根据图像分析即可得到位置指数。
光源立体角ω的计算公式为，
其中，N为眩光源对应成像的像素点数目，每个像素大小为a·b；f′为相机相距，tt'k为第k个像素点的投影与镜头的垂直距离；hh'k为第k个像素点到镜头所在水平面的距离，即高度上述参数的单位均为mm。
其中，所述的背景亮度计算方法为：获取各像素点的灰度值，由灰度值计算曝光量，从而得出实际的背景亮度。
所述的光源亮度计算方法为：首先通过亮度差获取光源的边界和数量，然后针对获取每个光源边界内的各像素点的灰度值，采用亮度标定实验，获取相机曝光量对数值lgH与灰度值D之间的线性范围，并对该线段进行线性拟合，得到亮度回归方程，进而计算每个光源的亮度。
计算光源亮度的方法为：
1)利用选定相机选取同组眩光源进行多组曝光时间的图形采集；
2)根据该公式D＝0.3R+0.59G+0.11B计算任意像素点的灰度值D；
3)采用亮度标定实验，获取该款相机的曝光量对数值lgH与灰度值D之间的线性范围，并对该线段进行线性拟合，得到亮度回归曲线，进而获得亮度回归方程。
实施例三
当计算出的室内照明统一眩光评价指数超出预设范围时，还包括控制补光灯进行补光的步骤。或者，当计算出的室内照明统一眩光评价指数超出预设范围时，还包括控制光源改变光源亮度步骤。
统一眩光评价指数UGR在眩光的测试与评价主要取决于观察者对当前照明环境的直观的视觉感受，最初研究者对于眩光的测试研究采用设定眩光源、背景亮度以及观察者的位置，从弱到强逐次调节眩光源亮度，根据被试者主观评价感受得出当前照明环境下眩光阈值，获得适宜视觉舒适度的UGR值的范围。
实施例四
为验证所述的测试方法，采用亮度可调的LED面光源(作为均匀亮度源进行亮度标定)、CX-2B成像亮度计以及恒流电源组成亮度标定系统对该EOS700D数码相机进行标定。为减少杂散光影响，提高测试的精度，标定试验在暗室中进行。如图2所示，EOS700D数码相机和成像亮度计CX-2B放置在标定光源正前方1.2米处，高度设置为1.0米，与光源中心在同一水平线上。
在亮度标定过程中，首先使用CX-2B成像亮度计对面光源亮度测试，记录相应的亮度信息，在同一位置用EOS700D数码相机进行图像拍摄，拍摄时需关闭相机的闪光功能，并将相机的各种参数设为默认值。在不同曝光时间下进行面光源图像的拍摄，并记录拍摄光圈值。本文根据数码相机感光特性曲线选择曝光时间范围为0.0025s-0.0333s，实验标定亮度为62/m2、188.1/m2、322.1cd/m2、845cd/m2。
采用天津工业大学科研中心D213作为室内照明数字图像采集及UGR指数测试的实验环境。科研中心D213房间规格为14m×7m×3m，室内照明光源为长方形LED格栅灯，尺寸为1200mm×300mm，色温为6000K，本文对6个LED格栅灯进行了实验测试与分析将6个格栅灯进行了1-6号的位置标定。
分别使用远方CX-2B与数码相机EOS700D进行实验图像采集。为测试与分析方便，开发了UGR眩光测试软件系统，该系统可以实现室内数字图像的读取、处理、参数提取计算、UGR计算等功能，并且增加了与外部控制系统的通信功能。
经上述的分析计算后，由总体曝光量对数值lgH与图像灰度值D的趋势图可以看出，灰度值的分布在中间区域(60<D<210)时，即A～B段区域灰度值与曝光量对数值存在较好的线性关系，该区域即为数码相机EOS700D的测试的线性范围。将线性区域A～B段内的数据选取出来通过Origin软件进行线性拟合，如图5所示，得到线性回归方程：D＝208.6603*lgH+178.7318，其相关系数R2为0.991，结合亮度计算公式L＝HF2/T，可得亮度回归方程为：
结果分析：
采用相对误差分析方法对UGR各参数进行计算及误差分析，相对误差计算公式为：
其中，x表示被测量的真值，x0表示测量值。
表1位置指数计算与测试结果比较
位置指数计算结果比较如表1所示，除5号光源的位置指数误差偏差比较大为1.909％，其它光源的位置指数与实际测量值一致性较好，准确度较高，平均相对误差为1.319％。
在立体角参数提取中，为避免光源亮度与背景亮度对比度低影响光源像的轮廓的准确提取，本文采用自适应阈值方法进行了光源轮廓提取，其计算结果如表2所示。
表2立体角计算与测试结果比较(单位：10-3sr)
由表2可以看出，光源立体角提取结果整体高于测量计算值，其中最大误差为7.238％，平均误差为4.296％。
本发明基于数字图像提取光源UGR参数方法，系统推导了光源视野上方和下方的位置指数、立体角、以及光源亮度的解析表达式，为提高参数计算精度，采用自适应阈值方法提取光源轮廓信息，同时在亮度参数提取中，为保证最终输出的画面效果与拍摄的图像信息保持一致，本发明对相机采集的图像进行了伽马校正。在此基础上，进行实际办公室照明现场的图像采集和参数计算。结果表明：位置指数的相对误差范围可控制在1.909％以内，提取的眩光源立体角的相对误差范围在1.198％～7.238％，提取的眩光源亮度的相对误差最大为5.455％，当背景亮度计算结果12.910cd/m2时，统一眩光指数UGR的相对误差为4.326％。该测试方法可应用于室内照明的眩光测试与分析，其操作简便、精度高、成本低、测试范围广、定位准确、易于硬件实现，为开发方便、快捷的眩光测试系统提供了理论支撑。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)利用数码相机分别于照明环境下和无光源环境下对待测试区域或方向进行拍照；
2)分析拍照得到的照片，得到背景亮度、各个光源亮度，及各个光源的位置指数和立体角；
3)进行室内照明统一眩光评价指数的计算，统一眩光评价指数UGR公式如下：
其中，La,i表示眩光源亮度(cd/m2)，Lb表示背景亮度(cd/m2)，ωi表示第i个眩光源对观察者所成立体角(sr)，Pi表示眩光源位置指数；n为眩光源个数。
2.根据权利要求1所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：所述的眩光源位置指数P的计算方法为，
公式(2)和公式(3)分别为视野上方和视野下方眩光源位置指数计算公式，R和D表示眩光源处于视野上方或视野下方时光源发光部分中心投影与视线的水平距离；T和Y表示眩光源处于视野上方或视野下方时光源发光部分中心投影与视线的垂直距离；H和H'为眩光源处于视野上方或视野下方时光源发光部分中心到视线所在水平面的距离，即高度。
3.根据权利要求2所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：所述的眩光源的中心点坐标为Sk(tk,rk,hk)，其对应的成像点的空间位置坐标为S'k(t'k,rk',h'k)，相机中每个像素大小为a·b，则rk为眩光源发光部分的中心点投影与视线的水平距离，其等于焦距f；tk为眩光源发光部分的中心点投影与视线的垂直距离；hk为眩光源发光部分的中心点到视线所在水平面的距离，即高度，r'k为眩光源发光部分的中心点的成像点投影与视线的水平距离等于焦距f；t'k为眩光源发光部分的中心点的成像点投影与视线的垂直距离；h'k为眩光源发光部分的中心点的成像点到视线所在水平面的距离；则，
其中，ik、jk分别为T'方向和H'方向上的坐标值，即为对应方向上的像素点个数，公式(4)、(5)中坐标值的单位为mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：光源立体角ω的计算公式为，
其中，N为眩光源对应成像的像素点数目，每个像素大小为a·b；f′为相机相距，tt'k为第k个像素点的投影与镜头的垂直距离；hh'k为第k个像素点到镜头所在水平面的距离，即高度。
5.根据权利要求1所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：所述的背景亮度计算方法为：获取各像素点的灰度值并取平均值，由平均灰度值计算曝光量，从而得出实际的背景亮度。
6.根据权利要求5所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：所述的眩光源亮度计算方法为：首先通过亮度差获取眩光源成像的边界和数量，然后针对获取每个眩光源边界内的各像素点的灰度值并取平均值，由平均灰度值计算曝光量，从而得出每个眩光源的亮度。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于，所述的亮度计算公式为L＝HF2/T；L为所拍摄目标物的亮度；H为拍摄图像的曝光量；F为相机的光圈大小，T为相机获取图像时的曝光时间。
8.根据权利要求7所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于，
1)利用选定相机选取同组眩光源进行多组曝光时间的图形采集；
2)计算采集的多个图像的平均灰度值D；
3)分析图像的总体曝光量对数值lgH与图像灰度值D的趋势图，得到灰度值分布的中间区域，获取该相机的灰度值D与曝光量对数lgH之间存在线性关系的区间段；
4)对该区间段的数据进行拟合，得到亮度回归方程并计算可得拍摄图像的曝光量H。
9.根据权利要求1所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：当计算出的室内照明统一眩光评价指数超出预设范围时，还包括控制补光灯进行补光的步骤。
10.根据权利要求1所述的一种基于数码相机图像的室内照明眩光测量方法，其特征在于：当计算出的室内照明统一眩光评价指数超出预设范围时，还包括控制光源改变光源亮度步骤。
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