（光学工程专业论文）三维成像亮度测量和灯具眩光评价方法研究.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 本文主要涉及三维成像亮度测量方法的研究，以及基于该方法的灯具眩光评 价方法研究两部分。传统的亮度测量是点对点的测量，近几年，随着c c d 的发展， 已出现各种形成的面成像亮度测量方法。但真实世界存在的是三维实体，如何真 实、准确测量该三维发光体的亮度分布是本文首先关注的问题。论文提出了一种 结合空间光分布测量技术和成像亮度测量技术的新型三维成像亮度测量方法，系 统由空间扫描和成像亮度测量两大部分组成，通过对在空间不同方向上灯具发光 。； 面亮度分布的测量，再由软件对亮度数据进行提取和处理，从而实现三维成像亮 度分布测量。文章详细分析了成像亮度仪的亮度定标方法，通过对不同曝光时间 下亮度分布的测量并将其与标准光源产生的亮度值进行对比，实现亮度仪的非线 性校正，通过合理选择曝光时间和进行多次曝光来实现动态范围的扩展。 眩光是现代照明质量评价的重要指标，常用的眩光评价方法包括美国的视觉 舒适几率( v c p ) 、英国的眩光指数( g i ) 、德国的眩光限制系统( 亮度限制曲 线) 、北欧的眩光指数方法和近几年来国际照明委员会( c i e ) 的统一眩光指数 ( u g r ) ，由于u g r 法将各家方法的汇总并能应用到以下三种情况：一个投影面积 小于0 0 0 5 m 2 的小光源；类似间接照明和发光天棚之类的大光源：在通常光源和 发光天棚之间的过渡区中的大光源，本文着重研究u g r ( 统一眩光指数) ，并针对 在u g r 应用中需要测量光源或灯具在不同方向上的眩光情况，而现有测量仪器无 法快速准确地对灯具在全空间方向上的灯具发光面亮度情况进行测量，为解决此 难题，本文提出应用三维成像亮度测量方法进行眩光评价的实验方案。并通过对 不同灯具样品的实验，分析各灯具相对亮度分布特性，提出合理的评价方式，验 证了方案的可行性。 关键词：三维成像，亮度测量，眩光评价，统一眩光指数( u g r ) ，灯具发光面 一一 塑垩查兰堡主兰垡笙奎 a b s t r a c t t h ep a p e rf o c u s e so no ft h r e e - d i m e n s i o n a l i m a g i n gl u m i n a n c em e a s u r e m e n t c o n v e n t i o n a ll u m i n a n c em e t e ri sb a s e do n s p o t - t o - s p o tm e a s u r e m e n t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e c c d ，d i f f e r e n ta p p l i c a t i o no fp l a n e i m a g i n g l u m i n a n c e m e a s u r e m e n ti s i n t r o d u c e d h o w e v e r , t h eo b j e c t si nt h er e a lw o r l da r e t h r e e d i m e n s i o n a l h o wt om e a s u r i n gl u m i n a n c ed i s t r i b u t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a l o b j e c t sa c c u r a t e l yi st h ep r i n c i p a lt o p i co ft h ep a p e l t h ep a p e ri sm a d eu po ft w os e c t i o n s f i r s ts e c t i o ni sa b o u tt h er e s e a r c ho f t h r e e d i m e n s i o n a li m a g i n gl u m i n a n c em e a s u r e m e n t ，s e c o n di sa b o u tt h er e s e a r c ho f g l a r ee v a l u a t i o no fl a m p s an e wd e s i g no ft h r e e - d i m e n s i o n a li m a g i n gl u m i n a n c e m e a s u r e m e n tb a s e do ns p a t i a ll i g h td i s t r i b u t i o nm e a s u r i n ga n di m a g i n gl u m i n a n c e m e a s u r i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft w o m o d u l e s ：s p a t i a ls c a n n i n gc o m p o n e n t s a n d i m a g i n gl u m i n a n c em e t e r t h e m e a s u r e m e n to f3 di m a g el u m i n a n c ed i s t r i b u t i o ni sa c c o m p l i s h e db yt h em e a s u r i n g o ft h el u m i n a n c ed i s t r i b u t i o no nl a m p ss u r f a c e t h r o u 【g hi ns p a t i a l l yd i f f e r e n t d i r e c t i o n sa n dp r o c e s s i n gt h e s ed a t ab ys o f t w a r e t h es o l u t i o no fi m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft h et h r e e d i m e n s i o n a li m a g i n g l u m i n a n c em e t e ri ss u g g e s t e d c a l i b r a t et h em e t e rw i t hs t a n d a r dl i g h ts o u r c e ，m e a s u r e t h el u m i n a n c ed i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n te x p o s a lt i m ea n dm a k ec o m p a r i s o n sw i t h t h el u m i n a n c eo ft h es t a n d a r dl i g h ts o u r c e ，t h u sa c h i e v et h en o n l i n e a rc a l i b r a t i o n a n d t h ee x p a n s i o no ft h ed y n a m i cr a n g ei sb a s e do n c h o o s i n g t h e e x p o s a lt i m e a p p r o p r i a t e l ya n da p p l y i n gm u l t i p l ee x p o s a l t h eg e n e r a ls t a n d a r dg l a r ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n si n c l u d e s ：v i s u a lc o m f o r t a b l e p r o b a b i l i t y ( v c p ) 、g l a r ei n d e x ( g i ) 、g l a r el i m i t a t i o ns y s t e m ( l u m i n a n c el i m i t a t i o n c u r v e ) 、g l a r ei n d e xm e t h o da n du n i v e r s a lg l a r er a t i n g ( u g r ) p r o p o s e db yc i e s i n c eu g r ( u n i v e r s a lg l a r er a t i n g ) i sas y s t e m i z a t i o no ft h o s em e t h o d sm e n t i o n e d a b o v ea n dc a nb ea p p l i e dt ot h r e es i t u a t i o n sa sf o l l o w s ：al i g h ts o u r c ew i t hs u r f a c e a r e al e s st h a no 0 0 5 m 2 ；l a r g es o u r c es u c ha si n d i r e c t i o nl i g h t i n ga n ds u n s h a d e ； l a r g es o u r c eb e t w e e nt h o s et w ot y p e so fs o u r c e sm e n t i o n e da b o v e ，t h ep r e s e n t e d t t 浙江大学硕士学位论文 p a p e ri sf o c u s i n go nt h i sm e t h o d ae x p e r i m e n tv o g r a mo fg l a r ee v a l u a t i o nb ym a k i n gu s eo ft h et h r e e d i m e n s i o n a l i m a g i n gl u m i n a n c em e t e ri sp r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ei nd i f f e r e n ta r t i s t i c l a m p s ，t h el u m i n a n c e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e rh a sb e e na n a l y z e d t h ea p p r o p r i a t ee v a l u a t i o nh a sb e e n s u g g e s t e da n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n tp r o g r a mh a sb e e nv e r i f i e d k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a li m a g i n g ，l u m i n a n c em e a s u r e m e n t ，g l a r ee v a l u a t i o n ， u g r ( u n i v e r s a l g a r er a t i n g ) ，l i g h t - e m i t t i n ga r e a ； 1 1 1 塑垩奎兰堡主兰堡堡苎 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 亮度仪简述 亮度是对发光面上单位面积在一个方向上的发光能力的定量表征。是光度学 和照明工程中经常需要准确测量的重要参量之一。亮度的法定单位是坎德拉每平 方米( c d m 2 ) 。它的物理定义是，在某一观测方向上，某一发光面元d s 所产生的 发光强度d i 与该面元在该方向上投影面积之比e l2 。 图1 1 亮度定义图解 图1 1 中p n 是微小发光面元d s 上任一点的法向方向，在该法线p n 成。夹角 的p q 方向上以m 为立体角内的光强d i 。那么，该方向上发光面元的光亮度即为： jt l ：二l ( 1 一1 ) c o so d s 准确地测量出发光目标的光亮度，在科学研究，工业、农业、军事、医学等 领域均有重要的意义。 亮度的概念在光能的传输和测量中起到核心的作用。 例如当要描述天空光强度特性时，希望知道它各部分的光强度特性，这时 用亮度的概念可以描述天空各部分亮度分布的特性“。 发光体表面的亮度与该发光体的表面状况、发光特性的均匀性、观察方向等 有关，因而亮度的测量也颇为复杂。 通常我们所测量的往往是一个小发光面积内亮度的平均值。测量亮度可采用 目视法，也可采用光电法。所有目视法的亮度测量，都是以亮度比较作为基础 浙江大学硕士学位论文 的。 一般说来，使用目视亮度测量法。只花费较少的投资就能测量很低的亮度， 即使在被测面很小的时候也是如此。但是要用眼睛确定是否达到光度平衡却很不 容易，观察者必须具备较高条件，特别在测量之前要练习多次。所以说，此类亮 度计给用户带来很多不便，且测量精度不高，一般能在2 以下已经算是不错 了。 此类亮度计早期有德国的贝克( b e c k ) 亮度计、美国的卢基什( l u c k i e s h ) 一 一泰勒( t a y l o r ) 亮度计及麦克贝斯( m a c b e t h ) 亮度计，目前已很少使用，并 已停产。 现代亮度测量常用光电测量法亮度计，可分为非成像型亮度计( 又称遮光筒 式光电亮度计) 和成像型亮度计。它们都由匹配标准视觉特性的光探测器、光学 系统以及与亮度成线性比例的参数信号输出处理系统所组成。两者的差别主要在 于光学系统的显著不同。非成像型亮度计最方便的方法是在一台照度计前附加一 个遮光筒就可实现。但随着工作距离变长，探测器所对应的视角会变大，而超出 发光面本身，以致于或明或暗的背景将参与作用，使测量值失准。当测量光是斜 入射时，有一部分应测量的光不能进入探测器，形成这类亮度计不良的角分布 特性聃 。 现代亮度计常采用成像式结构，虽然造价很高，但设计精巧、功能齐全。第 一台现代光电亮度计光谱亮度计i = i = j c r a n d e l l 和f r e u n d 开发而成，这种仪器 采用了一个分光镜和一块分划板结构，但存在许多缺点：光束被分光后引入偏 振光，取景视场较暗，不能很方便地改变测量视场角。 第一台能选择测量视场角的亮度计是p r i t c h a r d 光谱光度计，它由 p r i t c h a r d 发明，该仪器的核心是一块p r i t c h a r d t 、孑l 反射镜，测量视场通过更 换一系列不同口径的小孔来改变。这种结构形式曾被广泛采用，有美国开发的 1 9 8 0 b 型、日本开发的b m5 型。但该类亮度计存在难以消除的问题：低亮度测 量时很难观察到目标，给操作者带来诸多不便：测量量程随视场大小而变：同 时p r i t e h a r d , | 、孔反射镜盘加工非常困难。 c c d 成像型宽量程亮度计是利用光谱响应特性与观察者光视效率函数一 致的c c d 摄像器件晴1 ，通过光学系统同时获取发光体的光辐射强度和图像，再 浙江大学硕士学位论文 经线性信号处理系统，可在监视器上同时得到图像、测试框和亮度值的显示州。 其测量视场可通过测试框改变，能实时监视被测目标，数字显示亮度值， 方便直观，并可实现宽量程测量，测量量程不随视场大小而变。该仪器避免了 p r i t c h a r d 成像型亮度计的主要缺陷，具有巨大的发展前景。 1 1 2 光环境概述 随着人类文明的不断进步、科学技术的不断发展，照明已成为人们生活中不 可或缺的一个重要组成部分。现代照明不仅仅是对光的需求，更是对舒适、人性 化的光环境的需求。 良好的光环境是指一个看得清、活动安全以及高效、准确和安全地完成视觉 工作的视觉环境“。它不但关注照明数量，如照度指标，而且也同样重视照明质 量标准，如不舒适眩光和般显色指数等。它包括了创造舒适照明条件所具有的 参数值，而且还考虑了了安全、健康和高效工作效能的要求。 光环境要求做到： 视觉舒适：工作者有良好的感受。 视觉功效：工作者甚至在困难和长时间的工作条件下，能快速并且准确地完 成其视觉工作。 视觉安全：很快看出周围和危险的情况。 要满足上述要求，要关注以下的主要参数： 亮度分布、照度、眩光、光的方向性、光和表面的颜色、闪烁、昼光、维护； 此外，还应考虑影响工作者视觉功效的参数： 固有的工作特性( 尺寸大小、形状、位置、颜色以及零件和背景的反射比) 工作者的视功能( 视力、深度感、颜色感) 在现代化建设中，必须实施可持续发展战略，而“绿色照明工程”是可持续 发展战略中的一个重要内容，绿色照明的推广，一方面可以大幅度节约照明用电、 减少发电排污，有利于环境保护：一方面可以改善照明质量，形成高效、经济、 安全可靠的照明环境m 。 “绿色照明工程”中眩光作为影响照明舒适性的重要因素，需要对其进行客 观准确地评价。 浙江大学硕士学位论文 其中不舒适眩光是指由于视野内高亮度光源的存在而引起人们注意力不集 中、昏眩、烦恼等心理和生理上不舒适感的现象”1 。世界各国跗不舒适眩光进行 了较为广泛的研究，提出了各种评价不舒适眩光的方法和计算公式，这些公式可 以用来评价不舒适眩光影响的程度。 但对于实际照明工程来讲，由于计算公式所选参数的值往往与实际照明条件 有差异，使得计算结果与实际眩光程度不一致。如果能像测量照度和亮度那样方 便地测量不舒适眩光的效果，则会为正确地评价室内照明质量提供科学依据。 1 2 眩光 眩光是一种由于视野内光照亮度分布不均匀或过强而引起的不舒适感或视 功能降低现象，眩光进入人眼的光路图如图1 ，2 。 图12 眩光进入人眼的意图 其中引起人的不舒适感的现象叫做不舒适眩光，引起视功能降低的现象叫做 失能眩光，不舒适眩光和失能眩光常常一起出现，但并没有必然的联系。 另外，按照光线从光源到眼睛的过程，可以分为直接眩光( 光线从光源直射 观察者眼睛) 和间接眩光( 光线从光源出来后经过其他物体的反射后进入观察者 眼睛) 。 1 2 1 眩光的危害 道路照明中的眩光，可能造成事故，带来交通方面的隐患。 室内眩光的出现会影响视度，轻者降低工作效率，重则完全丧失视力，给我 们的生活和工作带来非常大的危害。 研究表明：过分的光亮及各种装饰面的强烈反射光会导致视力下降，增加臼 内障的发病率i n “，伤害人的眼角膜和虹膜”1 ，诱发神经衰弱、失眠，打乱人 体j e 常生理节律室内光线构造得过分阴暗，则易使人沉闷、忧郁，不利于保护 体f 常生理节律：室内光线构造得过分阴暗，则易使人沉闷、忧郁，不利于保护 浙江大学硕士学位论文 视力。 目前，我国高中生近视率高达6 0 ，有关专家认为“视觉环境是形成近视的 主要原因，而非用眼习惯”。 室外的强光源使得城市成了名副其实的“不夜城”，夜晚由于受强光影响， 人们难以人睡，扰乱了人体正常的生物钟，导致白天工作效率低下，危害人体健 康。 德国在调查人们对晚上照明环境的反应时发现，当朝向人脸面上的照度达1 l x 时，对房问内的明亮程度和感到对健康有影响，持“强烈”或“中等”意见的人 数增加很快：另外澳大利亚和德国的研究认为，若方向性的光强大于几百c d 时， 就会感到太亮。 因此，控制室内眩光对于人们的生活和健康是非常必要的。 1 2 2 人的视觉特性与眩光 人眼对光线的感知是视网膜上的柱状细胞和锥状细胞共同作用的结果。 柱状细胞对视觉功能发挥着重要的作用，这种作用随着亮度水平的下降而显 得越来越突出。 近年来，随着人们对低亮度水平下视觉研究的不断深入，柱状细胞的功能正 越来越多的被人们所认识。 传统的观点将人眼所感知的亮度水平分为三种：即明视觉，暗视觉，以及界 于两者之间的中间视觉，其标准见表1 1 。 表1 1 人眼视觉按亮度水平的期分 暗视觉中间视觉明视觉 亮度水平 ( 0 0 1 c d m 2两者之间 1 c d i n 起作用的视神经 柱状细胞和锥状 柱状细胞锥状细胞 细胞细胞 适用情况很少见夜晚道路照明等白天室内室外 在明视觉条件下起主要作用的是锥状细胞，锥状细胞又分为三类，它们的最 敏感区域分别是红，绿和蓝。 随着亮度水平的下降，锥状细胞变得越来越不敏感，而柱状细胞的作用却越 浙江大学硕士学位论文 来越强，到了暗视觉条件下，柱状细胞主导了视觉的感受。 因为锥状细胞对颜色的感受很敏感，因而人们会觉得锥状细胞不起作用，暗 视觉条件下世界暗淡无色“们。 在不同的亮度水平下柱状细胞和锥状细胞所起的作用不同，而两种细胞有着 各自不同的光谱灵敏度曲线，柱状细胞对短波成分更敏感，而锥状细胞对长波成 分更敏感，见图1 3 。 1 5 0 0 、 | 暗视觉 _ |入 i 厂 f艾： 4 0 05 0 0 6 0 07 0 0 波长( 哪) 图1 3 锥状细胞和柱状细胞的光谱灵敏度曲线 因而由它们综合作用而形成的人眼相对灵敏度曲线也会发生变化，随着亮度 的下降，向短波方向移动，这正是柱状细胞作用不断加强的表现，见图1 4 。 渡长( n m ) 图1 4 人眼的相对光谱灵敏度曲线 人眼视网膜上的锥状细胞与柱状细胞不是均匀分布的，见图1 5 。 锥状细胞大约有六百万个，主要分布在视网膜的中心区域，而柱状细胞大约 有一千两百万个，主要分布在视网膜的周边区域。 浙江大学硕士学位论文 图1 5 人眼锥状细胞和柱状细胞的分布 人眼可以视为一个凸透镜光学系统，周边的物体被成像在视网膜的周边区 域，中心物体则被成像在视网膜的中心。 考虑到两种细胞的分布，即使是在明视觉条件下，周边物体的探测也不可避 免的要有柱状细胞的参与。而传统的观点是在高亮度条件下，柱状细胞几乎是不 起作用。也正是因为这一点，c i e ( 国际照明委员会) 在颁布了2 。视角人眼相对灵 敏度曲线后又颁布了1 0 。角的人眼相对灵敏度曲线。 柱状细胞对周边视觉的影响已经被很多实验所证实，如l i i s a h a l o n e n “印等 人对视野( 周边视觉范围) 的研究见图1 6 。 图1 6l iis ah a i o n e n 的视野实验结果，高中低分别对应明视觉，中间视觉和暗视觉 7 叛碹爵等垠靶蛊h目目_【i 如 o 黼v，f，￥懿秣 浙江大学硕士学位论文 从图1 6 中可以看到，在相同的亮度水平下，不管是明视觉还是暗视觉，短 波成分多的蓝绿色光源比长波成分多的红白色光源有更大的视野。而随着亮度水 平的不断下降，长波视野的减小程度要远远高于短波，这是因为柱状细胞对周边 视觉的作用。 眩光会使人产生疲劳和不舒适的感觉，还会影响到目标物体的探测，在照明 中要尽可能避免眩光的产生，因而弄清楚眩光产生机理是非常必要的。 实验证明对眩光感受起主要作用的是柱状细胞，而非锥状细胞。 f e r g u s o n 1 印等人比较短波成分多的高压汞灯和长波成分较多的低压钠灯的 眩光水平时，发现当两者有相同的眩光水平时，前者亮度只是后者的l 3 ，可以 知道短波更容易引起眩光的产生。 而人眼对短波敏感的细胞有柱状细胞和短波长锥状细胞。 为了区分到底是哪种细胞的作用，f e r g u s o n 弓l 进s p t 7 和c s p 两值。s p 值等于用柱状细胞光谱灵敏度曲线计算光源的亮度值与用明视觉光谱灵敏度曲 线计算光源的亮度值之比。 同理，c s p 值等于用短波长锥状细胞光谱灵敏度曲线计算光源的亮度值比 用明视觉光谱灵敏度曲线计算光源的亮度值。 如果是柱状细胞对眩光起主要作用，则两种光源的s p 值之比应该等于其眩 光水平之比，如果是短波长锥状细胞起主要作用，则两种光源的c s p 值之比应 该等于其眩光水平之比。 f e r g u s o n 的实验发现两灯的s p 值之比3 3 ，而c s p 值之比是2 5 0 ，由前可 知两种光源的眩光水平之比是3 。由此可见对眩光感受起主要作用的是柱状细胞。 不舒适眩光是由于散射光线进入眼内导致了视觉的不舒适感，并不影响分辨 力和视力。当视野中不同区域的亮度差别很大，而此时眼睛在不同亮度区域扫视 或搜寻目标时，瞳孔大小不断变换，就引起不适眩光症状。它可以引起头痛、眼 部疲劳、烧灼感、流泪等。 失能眩光是由于散射光线在眼内使视网膜的成像产生了重叠，成像的对比度 下降，从而降低了视觉效能和视觉的清晰度。失能眩光在日常生活中经常可以碰 到，例如光滑的书页表面引起的反光，夜晚迎面汽车大灯引起的眩光等”。 浙江大学硕士学位论文 失能眩光随着人的年龄增长而增强n 9 3 ，如图1 7 所示，年龄因子越大，眩光 越强。 4 由 蛊蜘 鑫 廿1 冉 且5 年龄 图1 7 失能眩光与人的年龄的关系图 眩光的产生大多由于光源亮度的缘故。周围环境亮度越低，光源本身亮度越 高，则眩光越显著；光源与眼睛的距离越近，投射方向越靠近视线，则眩光越强 烈。 引起眩光的生理性原因主要有下面几点： ( 1 ) 瞳孔的缩小，亮度过高造成； ( 2 ) 角膜、房状体对光线的散射在眼内形成了光幕； ( 3 ) 视网膜受到高亮度的刺激，适应状态遭到破坏。暗适应状态下，即使光 线不强也可能产生眩光。 s t i i e $ 1 c r a w f o r d 于1 9 3 3 年发现：同样光线从离视线较小的角度比从较大的 角度入射到视网膜上所引起的亮度感觉大，这一现象被称为s t i l e - - c r a w f o r d 效 应，其相对光的效率光源的表面积越大，光源的数目越多，则眩光越显著心0 1 。 眩光的产生主要是因为光线在眼内散射，不同的屈光介质在这方面起到的作 用是不同的。 v o s 和b o u m a n 根据s t i i e - - - c r a w f o r d 效应来区别角膜和晶状体部分与眼底部 分的能量损失，测出的结果是屈光介质透明的成年入，角膜和晶体的散射占总散 射量的7 0 。 角膜散射量的测量是将眩光光束从角膜入射，通过测量虹膜上物象边界的亮 度下降将角膜散射量从其他几种因素区分开来。他们的研究表明光线经过角膜的 损失量占眼内光线散射总量的3 0 2 “。 9 浙江大学硕士学位论文 眩光不仅在存在的时候影响人们的视觉，在眩光消失以后，视力还要经历 一个短暂的阶段才能恢复瞳，其中不同瞳线代表背景照度不同的曲线( 图1 8 ) 。 在交通及其它需要在运动时做出迅速判断的情况下，这段时间一恢复时间 ( r e c o v e r y t i m e ) 也特别危险。对这个现象的度量也是眩光研究的一个内容。 与眩光对人眼的影响相比，恢复时间牵涉到更多的因素，它不仅与眩光本身 的特性相关，同时受眩光存在时间的影响( 图1 9 ) 。 对于运动着的观察者，恢复时间和眩光一样有很大的影响，特别是在交通中， 夜间对驶车辆的大灯是一种很强的眩光，并且十分频繁，在有这种眩光时，由于 它对周围的环境也有很好的照明效果，而车灯过后的恢复期周围环境很暗，因此 视觉恢复期是司机视觉条件最差的时候。 0 扣 扈 蕾 聪 墨 2 5 2 0 屋1 5 蕞- 。 攀。 眩光照度- e ( 1 x ) 图i 8 恢复时间v s 眩光 ； y洲1 8 m b - 一j , 彪j 么0 3i ； 绔 i i 一一一 ： o2 04 06 0 眩光时间一t 。( s ) 图1 9 恢复时间v s 眩光时间 l o 浙江大学硕士学位论文 背景亮度越大，视力条件越好，眼睛恢复得就快。但这种变化不是线性关系， 在低背景亮度条件时，随着亮度的增加，恢复时闻下降得较快，而在背景亮度较 高时，对于同样的背景亮度变化，时间的下降逐渐变得缓慢，表明在背景亮度的 增大对恢复时间减少的影响趋向某一个值。 对于室内眩光2 “，它的成因主要可概括为三个方面： ( 1 ) 室内装修采用镜面、釉面砖墙、磨光大理石以及各种涂料等装饰反射光 线，明晃白亮，眩眼夺目。 ( 2 ) 室内灯光配置设计的不合理性，致使室内光线过亮或过暗。人们对照明 设计的理解存在着种种误区，认为照明设计就是简单的选择和布置灯具。 ( 3 ) 夜间室外照明，特别是建筑物的泛光照明产生的干扰光，有的直射到人 的眼睛造成眩光，有的通过窗户照射到室内，把房间照的很亮，影响人们的正常 生活。 上述原因导致室内产生了不同程度的眩光m ，引起了严重的光污染，影 响了人们的视觉环境，并进而威胁到人类的健康生活和工作效率。 1 3 不舒适眩光 不舒适眩光是指由于视野内高亮度光源的存在而引起人们注意力不集中、昏 眩、烦恼等心理和生理上不舒适感的现象，它不对人的视功能产生影响，不会降 低人对于物体细节的视觉分辨能力。不舒适眩光和失能眩光常常一起出现，但并 没有必然的联系。 不舒适眩光可通过调整环境照明来解决，使强光源不在视野范围内，从而减 少视野亮度。 1 4 本文的主要内容及研究成果 论文提出一种结合空间光分布测量技术和成像亮度测量技术的新型三维成 像亮度测量系统的设计方法，介绍了系统的结构，阐述了系统的工作原理，对亮 度仪的亮度定标、非线性校正和动态范围扩展进行了实验研究，检验了系统工作 性能。 论文着重研究u g r ( 统一眩光指数) ，提出应用三维成像亮度测量系统进行 眩光评价的实验方案，并通过对不同灯具样品的实验，分析各灯具相对亮度分布 浙江大学硕土学位论文 特性，提出合理的评价方式，验证了方案的可行性。 围绕这个主题，本论文的主要内容如下： 第一章介绍了课题的背景，研究目的和主要的研究内容；介绍了国内外的研 究现状。 第二章提出了种结合空间光分布测量技术和成像亮度测量技术的新型三 维成像亮度测量系统的设计方法，介绍了系统的结构，阐述了系统的工作原理。 第三章对亮度仪的亮度定标、非线性校正和动态范围扩展进行了实验研究， 分析实验数据并给出解决方案；并通过对大功率投光灯空间光分布特性的测量， 检验了系统旋转主机和测控机柜的工作性能。 第四章介绍了常用的眩光评价方法，分析了各种方法的特点，并着重研究了 u g r ( 统一眩光指数) ，提出了应用三维成像亮度测量系统进行眩光评价的实验方 案，并通过对不同灯具样品的实验，分析各灯具相对亮度分布特性，提出合理的 评价方式，验证了方案的可行性。 第五章为本文的总结及今后工作展望。 在以上内容中，获得了如下研究成果： l 、设计了结合空间光分布测量技术和成像亮度测量技术的新型三维成 像亮度测量系统。 2 、 对三维成像亮度测量系统的亮度定标、非线性校正和动态范围扩展 进行了实验研究，提高了系统的精确度和稳定性。 3 、提出了应用三维成像亮度测量系统进行眩光评价的实验方案。并通 过对不同灯具样品的实验验证了方案的可行性。 浙江大学硕士学位论文 第二章三维成像亮度测量系统的设计 2 1 引言 传统的亮度计，一般只对发光体的某一点的亮度进行测量。若要测量整个发 光体表面的亮度分布，则必须采用逐点扫描法，这种方法结构复杂且测量费时。 在实际的工程应用中，光源往往是面发光体，如照明现场的测量，眩光的评 价，高速公路照明工程的验收，汽车灯配光屏上的照度分布等等。 所以迫切需要一种方便快速的面发光亮度测量仪器。随着近年来数码成像技 术的发展，数码成像器件的性能，无论是分辨率、灵敏度还是动态范围都有了很 大的提高，其价格也越来越低。 另外由于数码成像器件更容易实现与计算机的数据通信，因此，用数码成像 器件来进行非均匀面发光体亮度测量，是一种非常有意义的方法。 三维成像亮度测量系统是在成像亮度仪的基础上，结合空间光度分布的测量 技术的新型仪器，它实现了光源或灯具在空间各方向上的亮度信息的高速准确测 量。 2 2 成像亮度测量原理研究 成像亮度测量原理如图2 1 ，丛为发光体表面的某一面元，丛为该面元 通过光学系统所成的象元。 奁蛊 s 成像物镜低通滤波器 c c i ) 器件 图2 1成像亮度测量原理图 图2 2 冤度仪的光学系统示惫图 日最和e 巧分别为光学镜头的入射光瞳和出射光瞳。若光学系统为简单的 透镜且等晕成像，根据阿贝定律，象面的亮度与物面亮度的关系为汹1 ： 仆f 博正 c z 一， ( 1 ) 式中的为光学透镜的透射比，n 和n 分别为象方和物方的折射率。 彝 浙江大学硕士学位论文 一般n = ，l = l ，n l z r l 。因此可以通过测量象面上的亮度来测量面发光体的 亮度。 图2 2 为亮度仪光学系统示意图，在我们的系统中，低通滤波器滤除对成 像无贡献的高频部分，3 0 0 万象素的面阵c c d 成像器件来实现面发光亮度的测量 凹7 图2 3 为c c d 成像系统的结构示意图。 图2 3c c d 成像系统的结构示意豳 图2 4 为c c d 阵列示意图。 图2 4c c d 阵列示意图 目前主要采用了两种c c d 阵列类型1 ，分别为帧转移类型( f r a m et r a n s f e r ， 图2 5 ) 和隔行传输类型( i n t e r l i n et r a n s f e r ，图2 6 ) 。两者主要区别在于转 1 4 浙江大学硕士学位论文 移像素电荷的方式不同。隔行传输类型是先将电荷转移至垂直转移寄存器，当垂 直转移开始的时候，水平寄存器开始往水平转移寄存器转移。 图2 5 帧转移c c d 阵列图2 6 隔行传输c c d 阵列 帧转移类型c c d 以自身的轴线为界线，进行垂直转移，也就是说部分像素区 域起到了转移寄存器的作用。 帧转移类型c c d 有一个存储区域，用于暂时存放电荷，直到电荷通过水平转 移寄存器转移出去。 另外，由于每一垂直像素列之间没有寄存器，因此帧转移类型c c d 的阵列比 较紧凑，在某些视频应用上会显示出优势。 成像系统检测目标各点亮度分布基于像面上所获得的照度正比于物体的亮 度，且不随相距距离的不同及视场的变化而变化。本系统通过采用专门的c c d 及光学系统实现上述要求，用己知亮度物体对其标定后，即可用来测定待测物体 的亮度分布他。 即只要在测量过程中能保持相对孑l 径o f 不变，则像面上的照度值仅与物 体亮度值l 成正比： e = k 口l ( 2 - 2 ) 根据c c i ) 器件的照度电压线性关系，即在一定范围内物体亮度l 与亮度仪 受光面c c d 输出电压为一线性关系“。 2 3 三维成像亮度测量系统整体结构设计 2 3 1 实现三维成像亮度测量的几种途径 实现三维成像亮度钡0 量有以下几种途径： 浙江大学硕士学位论文 1 ) 物体绕某一轴线方向转，成像亮度计绕物体中心旋转，且旋转面通过物体旋 转轴线。 2 ) 物体绕两个相互垂直的轴线旋转 3 ) 通过反光镜实现旋转扫描成像测量。 2 3 2 旋转反光镜式三维成像亮度测量系统 三维成像亮度测量系统主要由五部分组成：灯具旋转主机部分、测量控制机 柜部分、亮度信号采集部分、现场控制器部分及计算机部分。图2 7 为系统整体 结构实物图。 图2 7 系统整体结构实物图 灯具旋转主机系统中有三个旋转轴。 主轴驱动反光镜绕其中心点旋转，将灯具的发射光反射到亮度仪受光面上。 与此同时，灯臂调整轴同步逆向旋转，始终保持灯架处于垂直位置，保证测 试灯具在测量过程中处于正常的燃点位置，从而实现灯具在y 方向的测量。 亮度仪受光面与旋转主轴处于同一直线上，根据测试灯具的类型及功率，亮 度仪受光面离开反光镜的距离可以自由调节。 c y 轴旋转实际等效于亮度仪受光面围绕以灯具为中心的垂直球面旋转。测 试系统软件可以决定反光镜与灯具旋转的优先级，若反光镜轴( y 轴) 优先旋转 时，系统每间隔一定的水平角度( c 角) 连续测量各个y 角度上的光信号，测量 轨迹相当于地球经线。 若灯具轴( c 轴) 优先旋转，系统每间隔一定的垂直角度( v 角) 连续测量 各个c 角度上的亮度信号，测量轨迹相当于地球纬线。亮度仪受光面测量各经纬 浙江大学烦士学位论文 线交叉点上的照度值( 图2 8 离散测量点分布示意图所示) 。 在系统这种结构中灯具可在c 一平面或锥面系统中测量。若要在a 一平面或b 一 平面中测量，则灯具必须转9 0 度安装，发光面处于垂直位置。 主轴【 2 4 成像亮度仪 图2 8 离散测量点分布示意图 仪 成像亮度测试系统是基于计算机技术和数字图像处理技术的光机电一体，出 成像光学系统、取景光学系统、探测器和显示处理电路组成以及后面的软件系统。 被测物经过光学系统，在c c d 光敏面上成像，接着经过光电转换、量化、转 移、读出后，通过视频采集卡以模拟视频信号( 图像的格式) 在计算机上输出。 经过软件系统的图像分析，计算获得亮度值，具体的说，就是先对这些图像 进行灰度提取。 然后，用已经定过标的自制程序，根据图片的灰度值和曝光时间，计算出该 图像所对应的原物的每一个点的亮度值，再根据这些亮度值就可以描绘出原物的 亮度分布，如图2 9 所示： 浙江大学硕士学位论文 囤2 9 成像亮度测试系统原理框图 c c d 数码成像仪的亮度测量过程与传统的点式亮度计存在较大的差别。具体 包括下列几方面： 1 光电转换：c c d 数码成像仪是采用累积曝光的方法获取象元的亮度信号，信 号大小与曝光时间密切相关。通过改变成像曝光时间，显著地改变c c d 数码成像 地光电测量范围。但是当曝光时间较长时，c c d 本身的热噪声会明显增大，影响 测量精度。通过加制冷器，可以有效地抑制c c i ) 数码成像仪的热噪声，提高低亮 度目标测量精度。 2 光电信号的输出：传统的点式亮度计一般采用大面积硅光电二极管或光电倍 增管作为光电探测器，光电流信号直接连续输出至后续的放大电路。而c c d 数码 成像仪的每个象元的光电信号首先是在曝光周期内在存储电容器上累积存储，然 后通过电荷耦合移位逐个象元以视频信号的形式输出，一般集成在c c d 单元上的 存储电容器的容量都比较小，因此在一定的曝光时间内，其动态范围只有二、三 个数量级，线性度要比传统点式亮度计差。因此当测量不同的亮度时，需采用相 应的曝光时间。 3 定标：多单元的c c d 成像仪，由于各个光敏单元及信号耦合损失等差异，因 此必须采取特殊的多单元亮度定标方法。 2 5 三维成像亮度测量系统软件设计 利用c c d 自带的名为c y u s b c a m d l l 的开发包文件，可以使用v b ，d e l p h i ，v c 做二 次开发。 程序主要包括以下几个功能： 1 ) 初始化测量参数，包括角度扫描方式、曝光参数等 2 ) 对测量过程进行实时控制( 预览图像) 。 3 ) 保存实验数据。 图2 1 0 是程序主控界面截图。 1 8 圜o 图 ， 浙江大学硕士学位论文 图2 1 1 是c c d 曝光参数设置面板。 圈2 i o 程序主控界面截图 图2 1 ic c d 曝光参数设置面板 1 9 浙江大学硕士学位论文 在测量后保存的数据文档包括以下的信息： 1 ) 目标的亮度信息，直接给出测量中心点的亮度信息，并可以给出通过输入坐 标或手动选取点的亮度信息。 2 ) 亮度仪轴线与灯具之间的相对空间位置( 角度、距离) 3 ) 在测量亮度数据时存储该测量位置所扫描到的目标图像。 数据实例及数据分析将在“4 4 灯具亮度评价方法的实验研究”中另行论述。 浙江大学硕士学位论文 第三章三维成像亮度测量系统的实验研究 3 。1 亮度仪实验研究 3 1 1 亮度仪定标实验研究 整个定标系统安装在暗室中，主要由安装在光学导轨上的光强标准灯和标 准白板和固定在支架上，并与其他两个部件在同一水平线上的待定标仪器组成， 图3 1 为整个实验装置的俯视图。 图3 1 为亮度定标实验装置的俯视图 由于光强标准灯和标准白板的光学参数已知，而且标准白板( 图3 2 ) 具有 良好的漫反射特性，可以认为是一个已知的面光源，通过对它的测量可以为我们 的系统进行定标。 图3 2 定标用的标准白板 这里我们将成像光学系统的质量、成像孔径和成像视场的选择所引起的误差 浙江大学硕士学位论文 计入系统误差并通过定标基本消除它们的影响。 3 1 2c c d 非线性的校正实验分析 在数码成像的过程中，被测物的亮度是不均匀的，要使c c d 能够线性地记录 该物体的亮度分布，在相当程度上取决于最佳曝光的控制。这个条件也就成为数 码成像亮度测试技术研究的重要课题之一。对于某些亮度分布相差很大的物体， 为了准确地测定该物体的亮度分布，有必要以不同时间进行多次的曝光，以此弥 补c c d 的动态范围的缺陷，在c c d 的动态范围内找出最适合的图像信号，曝光时 可由计算机程序进行最佳的控制，减少误差。 当我们得到照片后，将对其进行灰度提取，大致可以分为2 步，首先把r g b 图转换为灰度图，然后再对灰度图中的灰度值进行提取。灰度图可以很方便地实 现灰度值的提取，根据r g b 转换为灰度值的经典公式：灰度值 = o 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 1 1 4 b ，而对于纯灰度图，r = g = b ，故灰度值= r = g = b1 3 2 列， 这样，就可以通过计算机直接读取灰度图上某一点的r g b 值。 首先，分析在相同距离的不同亮度光源情况，我们将光强标准灯分别置于标 准白板前1 m ，2 m ，3 m ，此时白板和成像亮度测量仪位置没有发生变化，因此， 我们可以通过对不同图像中同一相对位置点的分析，找出相互之间的关系。 本实验的实验数据如下：( 注：下面表格中的l m ，2 m ，3 m ，都是指光源离白 板的距离，并在这个