CN109752089B

CN109752089B - 一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法

Info

Publication number: CN109752089B
Application number: CN201910081047.8A
Authority: CN
Inventors: 董丽丽; 秦莉; 赵恩重; 冯森; 马德鑫; 许文海
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: CN109752089A

Abstract

本发明提供一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，包括：选择适用于照明环境的中间视觉光度计算模型；根据明视觉亮度计算中间视觉等效亮度；测量并记录可见光范围内，不同波长的单色光在不同大气透过率下的亮度衰减数据；以上述衰减数据为基础建立光谱衰减模型；结合两个模型，推导出基于中间视觉和透雾性的等效亮度计算方法；根据照明环境的亮度范围和能见度范围，利用上述的计算结果，选择等效亮度最优的照明光源。本发明方法适用于中间视觉照明场景，比较不同照明光源在综合考虑中间视觉亮度和透雾性后最终表现的等效亮度，为中间视觉照明领域选择合适的照明光源提供理论依据，基于选择的照明光源为照明节能和安全提供了重要保障。

Description

一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法

技术领域

本发明涉及中间视觉、道路照明技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法。

背景技术

本发明所述的计算方法适用于存在雾情况的中间视觉照明领域，如夜间道路照明，照明亮度在0.3～2cd/m²之间；隧道中间段照明，照明亮度在1～10cd/m²之间。研究表明中间视觉照明条件下，LED光源的视觉光效比传统的高压钠灯提高10％～30％，所以在中间视觉条件下，LED光源比高压钠灯的节能效果好，然而上述结果都没有考虑大气透过率的影响。研究表明，雾气对不同波长光的吸收不同，对于常用的照明灯具来说，金卤灯和高压钠灯的透雾性比LED光源的透雾性好，所以在能见度不好的情况下，使用透雾性好的光源能够提高行驶安全。夜间道路照明在雾天或雨天能见度受天气影响较大的情况下，提供照明的光源应考虑中间视觉特性和透雾性两方面。在隧道内部，行驶车辆排放的极细颗粒以及由于轮胎摩擦地面而扬起的灰尘等空气污染物，对光线具有散射和吸收的作用，同时由于气体扩散不佳等原因，进一步加剧了隧道交通环境中的低能见度现象，进而影响行车安全，所以隧道中间段提供照明的光源应考虑中间视觉特性和透雾性两方面。

LED光源具有发光效率高、启动时间短、寿命长和亮度可无级调节等优点，因此夜晚道路照明和隧道照明装置大部分已经由高压钠灯替换为LED光源。但是LED光源的可选色温范围较广，不同色温的LED灯具提供的照明效果也不同。目前为止，在中间视觉照明应用场景存在雾气的情况下，选择哪种LED照明灯具能提供最佳的照明效果没有明确的结果。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法。本发明方法主要利用中间视觉亮度计算模型和光谱衰减模型，推导出基于中间视觉和透雾性的等效亮度计算方法；根据照明环境的亮度范围和能见度范围，利用上述的等效亮度计算方法的计算结果，选择等效亮度最优的照明光源。本发明提供的方法适用于中间视觉照明场景，能够比较不同照明光源在综合考虑中间视觉亮度和透雾性后最终表现的等效亮度，为中间视觉照明领域选择合适的照明光源提供理论依据，基于本发明选择的照明光源为照明节能和安全提供了重要保障。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：选择适用于照明环境的中间视觉光度计算模型，根据明视觉亮度计算中间视觉等效亮度；

步骤S2：测量并记录可见光范围内，不同波长的单色光在不同大气透过率下的亮度衰减数据；

步骤S3：以步骤S2测量的多组不同大气透过率下的亮度衰减数据为基础，建立不同波长的单色光的光谱衰减模型；

步骤S4：根据所述中间视觉光度计算模型和光谱衰减模型，推导出基于中间视觉和透雾性的等效亮度计算方法，得到计算结果；

步骤S5：根据照明环境的亮度范围和能见度范围，利用步骤S4中的等效亮度计算方法的计算结果，选择等效亮度最优的照明光源。

进一步地，所述中间视觉光度计算模型的选择，需要考虑所述中间视觉光度计算模型的适用亮度范围、照明场景所需提供的亮度、中间视觉光度计算模型在亮度边界处的计算结果。

进一步地，所述根据明视觉亮度计算中间视觉等效亮度的过程包括如下步骤：

步骤S11：采用亮度测量仪器测量明视觉亮度，单位为cd/m²；

步骤S12：采用光谱测量仪器测量光源在可见光范围内的光谱辐射分布，单位为W·m^-2·sr^-1·nm^-1；

步骤S13：根据步骤所述S12中测量的光源的光谱辐射分布计算光源的S/P值，所述S/P值为暗视觉光通量与明视觉光通量的比值；

步骤S14：根据步骤S11中测量的明视觉亮度以及步骤S13中的S/P值计算中间视觉光谱光视效率函数；

步骤S15：根据步骤S12中测量的光源的光谱辐射分布以及步骤S14中的中间视觉光谱光视效率函数计算中间视觉等效亮度。

进一步地，所述步骤S2中的不同波长的单色光至少包括紫色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色7个颜色区间内的单色光。

进一步地，所述7个单色光颜色区间的波长范围分别为：380～435nm、435～500nm、500～520nm、520～565nm、565～590nm、590～625nm、620～780nm。

进一步地，所述步骤S3中的不同大气透过率至少包括空气清洁、空气有轻雾、空气成雾状、空气有大雾、空气有浓雾的不同能见度情况。

进一步地，所述方法还包括根据步骤S3测得的数据建立不同波长的单色光的亮度衰减模型时，对于实验以外的单色光的亮度衰减数据采用曲线拟合的方式获得的步骤。

进一步地，所述步骤S4中的中间视觉和透雾性的等效亮度是光源的光谱辐亮度与亮度衰减率的乘积在整个可见光谱范围内积分的结果。

进一步地，所述步骤S5中的照明环境的亮度范围在中间视觉照明亮度范围内。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明根据对中间视觉的照明特点和光源透雾性的分析，提出了一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，为照明光源的选择提供了理论依据。

2、道路照明、隧道照明等中间视觉照明场景的能见度情况不是一直处于良好状态，在照明场景能见度不好的情况下，根据本发明的计算方法计算的等效亮度是兼顾中间视觉和透雾性之后的亮度，根据计算结果选择的照明光源，能够保证亮度满足需求的前提下，实现节能和保证行驶安全。

基于上述理由本发明可在中间视觉、道路照明等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明方法中中间视觉亮度计算过程示意图。

图3为本发明方法中选择的6种不同色温的LED光源分别在两种亮度下的光谱辐亮度分布示意图。

图4为本发明方法中不同亮度、大气透过率下LED灯具色温选择结果图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，包括以下步骤：

作为本实施例优选的实施方式，由于基于视觉功效法的中间视觉光度学模型更贴近实际隧道照明应用，且国际照明委员会推荐的MES2模型的适用范围较广，同时适用于彩色视觉任务和非彩色视觉任务，所以选取MES2模型作为中间视觉的计算模型。

计算公式为：

M(m₂)V_mes(λ)＝m₂V(λ)+(1-m₂)V'(λ),0≤x≤1 (1)

m_2,n＝0.3334logL_mes,n+0.767,0≤m_2,n≤1 (2)

式中：M(m₂)是确保V_mes(λ)的最大值为1的归一化函数；V_mes(λ)、V(λ)和V’(λ)分别为中间视觉、明视觉和暗视觉光谱光视效率函数；L_mes、L_p和L_s分别为中间视觉、明视觉和暗视觉亮度；V’(λ₀)是V’(λ)在波长555nm处的值，为683/1699；m₂为亮度适应系数；n是一个迭代的过程。

作为本实施例优选的实施方式，如图2所示，根据明视觉亮度计算中间视觉等效亮度的过程包括如下步骤：

步骤S11：采用亮度测量仪器测量明视觉亮度，单位为cd/m²；

步骤S12：采用光谱测量仪器测量光源在可见光范围内的光谱辐射分布，单位为W·m^-2·sr^-1·nm^-1；如图3所示，6种色温的LED光源在2种明视觉亮度下的光谱辐亮度分布。

步骤S13：根据步骤所述S12中测量的光源的光谱辐射分布计算光源的S/P值，所述S/P值为暗视觉光通量与明视觉光通量的比值；计算公式为：

式中，Φ_S表示光源暗视觉光通量；Φ_P表示光源明视觉光通量；P(λ)表示图3所述的光源光谱辐亮度归一化的结果。

步骤S14：根据公式(1)计算中间视觉光谱光视效率函数V_mes(λ)；

步骤S15：根据步骤S12中测量的光源的光谱辐射分布L_e(λ)以及步骤S14中的中间视觉光谱光视效率函数V_mes(λ)计算中间视觉等效亮度，计算公式为：

式中，K_m表示中间视觉下光谱光视效能最大值，单位为lm/W。

步骤S2：测量并记录380nm～780nm的可见光范围内，不同波长的单色光在不同大气透过率下的亮度衰减数据；

作为本实施例优选的实施方式，所述的不同波长的单色光至少应包括紫色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色这7个颜色范围内的单色光。所述的7个颜色的范围分别为：380nm～435nm的紫色光、435nm～500nm的蓝色光、500nm～520nm的青色光、520nm～565nm的绿色光、565nm～590nm的黄色光、590nm～625nm的橙色光、625nm～740nm的红色光。

作为本实施例优选的实施方式，所述的某一大气透过率下的光谱衰减模型用I(λ)表示，所述的不同大气透过率下的光谱衰减模型用k·I(λ)表示，所述的I(λ)和系数k的值可以由MATLAB数据软件中的函数拟合获得。

作为本实施例优选的实施方式，根据公式(4)和步骤S3中获得的k·I(λ)计算综合考虑中间视觉和光源透雾性后的等效亮度，计算公式为：

式中，L_f即为考虑中间视觉和透雾性双因素之后的等效亮度，单位为cd/m²。

作为本实施例优选的实施方式，如图4所示，根据公式(5)计算的图3所述的6种不同色温的LED灯具，在明视觉亮度分别为1cd/m²、2cd/m²、3cd/m²和4cd/m²范围下的L_f值，并进行归一化之后的结果。在特定的照明应用场景，根据图4所示的照明亮度和大气透过率选择L_f值最大的照明光源。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述根据明视觉亮度计算中间视觉等效亮度的过程包括如下步骤：

步骤S11：采用亮度测量仪器测量明视觉亮度，单位为cd/m²；

步骤S15：根据步骤S12中测量的光源的光谱辐射分布以及步骤S14中的中间视觉光谱光视效率函数计算中间视觉等效亮度；

步骤S4：根据所述中间视觉等效亮度和不同大气透过率下的光谱衰减模型，推导出基于中间视觉和透雾性的等效亮度计算方法，得到计算结果；

2.根据权利要求1所述的基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，所述中间视觉光度计算模型的选择，需要考虑所述中间视觉光度计算模型的适用亮度范围、照明场景所需提供的亮度、中间视觉光度计算模型在亮度边界处的计算结果。

3.根据权利要求1所述的基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，所述步骤S2中的不同波长的单色光至少包括紫色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色7个颜色区间内的单色光。

4.根据权利要求3所述的基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，所述7个单色光颜色区间的波长范围分别为：380～435nm、435～500nm、500～520nm、520～565nm、565～590nm、590～625nm、620～780nm。

5.根据权利要求1所述的基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，所述步骤S3中的不同大气透过率至少包括空气清洁、空气有轻雾、空气成雾状、空气有大雾、空气有浓雾的不同能见度情况。

6.根据权利要求1所述的基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，所述方法还包括根据步骤S3测得的数据建立不同波长的单色光的亮度衰减模型时，对于实验以外的单色光的亮度衰减数据采用曲线拟合的方式获得的步骤。

7.根据权利要求1所述的基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，所述步骤S4中的中间视觉和透雾性的等效亮度是光源的光谱辐亮度与亮度衰减率的乘积在整个可见光谱范围内积分的结果。

8.根据权利要求1所述的基于中间视觉特性和光源透雾性的亮度计算方法，其特征在于，所述步骤S5中的照明环境的亮度范围在中间视觉等效亮度范围内。