CN114485923B - 一种正四面体全景照度计及全景照度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正四面体全景照度计及全景照度测量方法，所述正四面体全景照度计包括正四面体、手持式照度计和正四面体固定装置，正四面体外表面覆盖黑色绒纸避免光线反射。借助于两块异性瓷片就很容易实现手持式照度计与四面体尺的组装。关于正四面体固定装置的实现可借助于一透明亚克力圆杯，在圆杯底部开一小孔，用一1\4螺母与三脚架顶部固定。底部具有平坦表面的小型照度计取得正四面体尺的四个平面照度之后，全景照度即为四个测量值的平均。本发明结构简单，搭建方便，实用性强，可以实现对光场中测量点360°方向上平均照度‑全景照度进行测量的目的。
Description
技术领域
本发明属于照度计测量技术领域，具体涉及一种正四面体全景照度计及全景照度测量方法。
背景技术
照度作为对被照射物体上接收到的光通量的衡量参数，对该物体的可见度起决定作用。我们周围的物体反射接收到的光后以亮度分布的形式进入眼睛，被大脑感知，完成视觉感知过程。自照明行业起始以来，照度的计算及测量一直是光度学中的一个重要的研究课题。其中，全景照度是某一测量点在空间中360°方向上照度总和的平均。它表征了该点被整体照亮的程度，是一个独立于观察者的物理量。它的值可被理解为一个圆形球体位于测量点时其所有表面接受到的照度值的平均，故利用传统的方法对其进行测量难度较大。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种正四面体全景照度计及全景照度测量方法，所述正四面体全景照度计结构简单、搭建方便、实用性强、测量结果准确。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明首先提出一种正四面体全景照度计，包括：
正四面体、手持式照度计和正四面体固定装置；
所述正四面体的四个表面的中心位置均设有一块磁片，所述正四面体包括磁片在内的四个表面均覆有黑色绒纸；
以所述手持式照度计的测量面为正面，其背面中心位置设有一块磁片；
所述正四面体四个表面的磁片磁性相同，所述正四面体四个表面的磁片与所述手持式照度计背面的磁片磁性相反；
所述手持式照度计通过磁片与所述正四面体任意表面连接。
所述正四面体任一顶角朝下，垂直于地面，固定于正四面体固定装置。
进一步地，所述正四面体固定装置包括三脚架和透明圆柱杯；
所述透明圆柱杯的底部固定于三脚架顶部，所述正四面体任一顶角朝向所述透明圆柱杯的底部中心固定于透明圆柱杯上部。
进一步地，所述透明圆柱杯的底部中心与所述三脚架顶部均有一1\4小孔，1\4螺母穿过透明圆柱杯的底部中心与所述三脚架顶部，使透明圆柱杯的底部固定于三脚架顶部。
进一步地，本发明还提出一种基于正四面体全景照度计的全景照度测量方法，所述方法如下：
调整正四面体全景照度计位置，使正四面体位于待测量点位置，然后依次将手持式照度计与所述正四面体的四个表面连接，读取每个表面的平面照度数值；
所述正四面体四个表面的平面照度数值的平均，即为该测量点在空间360°方向上照度总和的平均，即该测量点的全景照度值。
进一步地，所述调整正四面体全景照度计位置，使正四面体位于待测量点位置，方法如下：
将所述透明圆柱杯的底部固定于三脚架顶部，将正四面体任一顶角朝向所述透明圆柱杯的底部中心放置于透明圆柱杯上部并固定，调整三脚架位置，使正四面体位于测量点位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益技术效果：
本发明提出一种正四面体全景照度计及全景照度测量方法，通过计算机模拟发现，利用正四面体上四个平面照度的测量值可对全景照度进行近似估计，具有较高的精确度。利用正四面体照度计对全景照度进行测量的可行性与准确性是通过使用自然场景的高动态范围(HDR)全景图来验证的。同时也证明了该正四面体全景照度计在真实复杂光环境下的准确性与鲁棒性。本发明提供的基于正四面体全景照度计测量全景照度的方法，结构简单、搭建方便、实用性强，可以实现对光场中测量点360°方向上平均照度-全景照度进行测量的目的。
附图说明
图1是一种实施例下一种正四面体全景照度计示意图；
图2是一种实施例下正四面体结构示意图；
图3是一种实施例下三维空间中天顶角ψ和方位角θ的示意图；
图4是一种实施例下HDR全景图球谐函数分解中对应的零阶，一阶和二阶基函数示意图；
图5是一种实施例下基于本发明所述的一种正四面体全景照度计的测量值与真实值比值的直方图分布图；
图6是一种实施例下HDR全景图的分位数拟合结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种正四面体全景照度计，具体如下：
参考图1所示，本发明设计的正四面体全景照度计需要的部件容易采购，安装简便。主要部件包括一个正四面体，一个有平坦底面的小型手持式照度计(例：云之光灯光捕手)，一块阳(阴)极磁片，四块阴(阳)极瓷片，黑色吸光绒纸，一个透明亚克力圆杯，一个1\4螺母。
在正四面体的四个表面中央用万能胶粘贴一块瓷片，并覆盖黑色绒纸。把另一极性的瓷片粘贴于手持式照度计背面。在透明亚克力圆杯底部打一1\4小孔，用一个1\4螺母固定于三脚架之上。正四面体，参考图2所示，市场购买途径广，借助3D打印技术也很容易自行制作。正四面体照度计外表面覆盖黑色绒纸避免光线反射。借助于两块异性瓷片就很容易实现手持式照度计与四面体尺的组装。
测量时，把正四面体以一个尖顶朝下的姿态放置于圆形亚克力圆杯上部，然后依次把背面贴有磁片的手持式照度计置于带有异性瓷片的正四面体四个表面之上读取四个表面的平面照度数值，这四个数值的平均即为该测量点在空间中360°方向上照度总和的平均，即全景照度。为了防止更换测量表面时正四面体尺摆放姿态发生变化，可在圆形亚克力杯与正四面体尺的三条接触棱处用回形针对位置进行限位。
实验验证：
为验证基于正四面体照度计测量及计算全景照度的准确性及鲁棒性，在计算机中模拟了基于正四面体照度计测量值计算全景照度的全过程，具体如下：
在基于matlab的模拟计算中利用了自然场景的高动态范围(HDR)全景图来模拟真实复杂的光环境，并照射置于全景图中心的一个模拟正四面体的四个表面。随机采集890张不同时间、不同场景的HDR全景图，包括城市、室内、室外、傍晚、森林、天空、海洋、工作室等。使用CIE1931-XYZ系统中的Y通道分量来计算HDR图像每个像素的亮度值，如下公式所示：
L＝179*(0.2127R+0.7151G+0.0722B)cd/m2 (1)
式中，L表示HDR图像每个像素的亮度值，R为图像中红色分量的数值；G图像中绿色分量的数值；B为图像中蓝色分量的数值；
为了研究该四面体全景照度计测量全景照度的鲁棒性，在每一幅HDR全景图下，参考图3所示，全景照度计在空间中沿天顶角ψ和方位角θ逐渐改变角度，每隔20°为一组，即每幅全景图下正四面体照度计产生100组测量结果。把HDR全景图的每个像素都作为光源，利用matlab程序计算出每种角度下落于正四面体每个表面的照度值E1，E2，E3,E4，基于正四面体照度计的全景照度测量值为：
E正四面体全景照度＝(E1+E2+E3+E4)/4 (2)
式中，E1、E2、E3、E4分别为落于正四面体四个表面的照度值，E正四面体全景照度为正四面体照度计的全景照度测量值；
参考图4所示，每幅HDR全景图在中心的真实全景照度值可以从其三维亮度分布的球谐函数分解式中的零阶分量导出，即：
这里，d(L0)是HDR全景图亮度分布的球谐函数分解的零阶分量强度，E全景照度真实值为HDR全景图在中心的真实全景照度；
参考图5所示，共展示了890组HDR全景图，每幅图下100个基于本发明提出的正四面体全景照度计的全景照度测量值，共计89000个测量值与对应HDR全景图全景照度真实值比值的分布情况(即E正四面体全景照度/E全景照度真实值)。从图中可以看出，测量值与真实值比值大都集中在1附近，且绝大多数波动范围在0.95和1.05之间，误差小于2％的占84.54％，小于5％的占97.50％，可见基于正四面体照度计的测量方法有着很高的准确性。
本次模拟计算中，共使用了890幅HDR全景图，针对每幅图正四面体尺作了100次角度变换，故每幅图下产生了100个全景照度的测量值。在每幅图下，取全景照度测量值与真实值的比值分布的第一四分位数Q1与第三四分位数Q3，两个分位数越接近，说明测量值越稳定。参考图6所示，为对890幅图下的两个分位数进行拟合的结果。从图中可以看出，每幅图的100个测量结果的第一四分位数与第三四分位数非常接近，两列数据的线性拟合斜率为1.021，线性相关系数R2达0.9996。上述结果表明，100个测量值的四分位距(IQR)非常小，说明每幅场景下正四面体全景照度计的测量结果波动小，具有较高的鲁棒性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种正四面体全景照度计的全景照度测量方法，其特征在于，所述正四面体全景照度计包括：
正四面体、手持式照度计和正四面体固定装置；
所述正四面体的四个表面的中心位置均设有一块磁片，所述正四面体包括磁片在内的四个表面均覆有黑色绒纸；
以所述手持式照度计的测量面为正面，其背面中心位置设有一块磁片；
所述正四面体四个表面的磁片外表面的磁性相同，所述正四面体四个表面的磁片外表面与所述手持式照度计背面的磁片外表面磁性相反；
所述手持式照度计通过磁片与所述正四面体任意表面连接；
所述正四面体任一顶角朝下，垂直于地面，固定于正四面体固定装置；
所述全景照度测量方法如下：
调整正四面体全景照度计位置，使正四面体位于待测量点位置，然后依次将手持式照度计与所述正四面体的四个表面连接，读取每个表面的平面照度数值；
所述正四面体四个表面的平面照度数值的平均，即为该测量点在空间360°方向上照度总和的平均，即该测量点的全景照度值。
2.根据权利要求1所述一种正四面体全景照度计的全景照度测量方法，其特征在于，所述正四面体固定装置包括三脚架和透明圆柱杯；
所述透明圆柱杯的底部固定于三脚架顶部，所述正四面体任一顶角朝向所述透明圆柱杯的底部中心，固定于透明圆柱杯上部。
3.根据权利要求2所述一种正四面体全景照度计的全景照度测量方法，其特征在于，所述透明圆柱杯的底部中心与所述三脚架顶部均有一1\4小孔，1\4螺母穿过透明圆柱杯的底部中心与所述三脚架顶部，使透明圆柱杯的底部固定于三脚架顶部。
4.根据权利要求3所述一种正四面体全景照度计的全景照度测量方法，其特征在于，所述调整正四面体全景照度计位置，使正四面体位于待测量点位置，方法如下：
将透明圆柱杯的底部固定于三脚架顶部，将正四面体任一顶角朝向透明圆柱杯的底部中心放置于透明圆柱杯上部并固定，调整三脚架位置，使正四面体位于测量点位置。
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