基于成像亮度計(jì)的路面亮度測(cè)試方法研究

　1引言

　　隨著LED路燈的推廣普及，大量的新裝LED路燈的路面需要進(jìn)行路面性能測(cè)試。根據(jù)現(xiàn)行道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2006，衡量路面照明質(zhì)量性能指標(biāo)包括路面平均亮度、路面亮度總均勻度、路面亮度縱向均勻度、路面平均照度、路面照度均勻度、路面維持平均亮度（照度）、眩光閥值增量最大值、環(huán)境比等。由于測(cè)試方法的復(fù)雜性，大多數(shù)LED路燈路面性能測(cè)試以照度指標(biāo)為主要內(nèi)容，亮度性能測(cè)試的研究較少，按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試對(duì)LED路燈來(lái)進(jìn)行路面亮度測(cè)試的就更少。

　　路面亮度是評(píng)價(jià)路面照明質(zhì)量的重要參數(shù)之一，CJJ45-2006標(biāo)準(zhǔn)中路面亮度測(cè)試按照國(guó)際照明委員會(huì)(簡(jiǎn)稱CIE)有關(guān)規(guī)定在路面上預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)上測(cè)得各點(diǎn)亮度的值，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算路面平均亮度、路面亮度總均勻度、路面亮度縱向均勻度。由于亮度測(cè)試過(guò)程中對(duì)測(cè)試的環(huán)境要求比較高，路面行駛的車輛會(huì)對(duì)LED路燈的路面亮度測(cè)試造成較大的影響，因此測(cè)試需要封路進(jìn)行，由于CIE要求路面的測(cè)試點(diǎn)布置較多,達(dá)到30點(diǎn)

　　每測(cè)試段，因此測(cè)試一段4車道的路面，需要測(cè)試時(shí)間近1小時(shí)，因此，進(jìn)行路面亮度測(cè)試會(huì)對(duì)道路正常交通造成較大的阻礙。

　　為解決路面亮度測(cè)試面臨的問(wèn)題，東莞質(zhì)檢中心按照CIE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，建設(shè)了戶外LED路燈測(cè)試場(chǎng)，通過(guò)測(cè)試場(chǎng)的建設(shè)達(dá)到了LED路燈的路面照明質(zhì)量測(cè)試的“統(tǒng)一測(cè)試環(huán)境，統(tǒng)一測(cè)試設(shè)備，統(tǒng)一測(cè)試方法”的三個(gè)統(tǒng)一。

　　本文通過(guò)與柯尼卡美能達(dá)合作，研究如何基于成像亮度計(jì)進(jìn)行路面亮度相關(guān)性能的測(cè)試，并給出了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。本文的研究為L(zhǎng)ED路燈的路面亮度測(cè)試提出了新的思路，為L(zhǎng)ED路燈的照明質(zhì)量測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)研究提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　2 路面亮度測(cè)試方法概述

　　2.1 CIE路面亮度測(cè)試方法

根據(jù)CIE140道路照明計(jì)算方法的規(guī)定，道路亮度測(cè)試的布點(diǎn)方式如圖1所示：

圖1. 路面亮度測(cè)試的布點(diǎn)位置

　　其中，S為兩盞路燈的間距，N為布點(diǎn)的排數(shù)，D為測(cè)試點(diǎn)之間的距離，布點(diǎn)的測(cè)試位置編號(hào)為1-30，詳見圖1，測(cè)試者的位置如圖2所示。

圖2. 路面亮度測(cè)試的觀察者位置

　　其中，Wt 為路寬，測(cè)試點(diǎn)距離被測(cè)路段的距離為60米，如圖3所示：

圖3. 路面亮度測(cè)試觀察者距離測(cè)試路段的距離

　　3． 路面亮度測(cè)試研究

　　本文在東莞質(zhì)檢中心路燈戶外測(cè)試場(chǎng)按照CIE140規(guī)定的測(cè)試方法，分別用點(diǎn)式亮度計(jì)和成像亮度計(jì)對(duì)路面亮度相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖5所示，測(cè)試在晚上20點(diǎn)進(jìn)行，背景照度0.12 Lx。

圖4.路燈戶外測(cè)試場(chǎng)
　　3.1點(diǎn)式亮度計(jì)測(cè)試

　　在實(shí)驗(yàn)中，我們按CIE140道路照明計(jì)算方法，用點(diǎn)式分光輻射亮度計(jì)CS-2000A( 在0.1度測(cè)量角設(shè)置下，保證精度的最低測(cè)量亮度為0.05cd/m2，遠(yuǎn)低于路面最低亮度0.5 cd/m2）測(cè)量60米外的亮度分布，儀器被設(shè)置于1.5米的高度，用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，選擇0.1度測(cè)量角進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量速度設(shè)置為Fast。

　　本文在路燈戶外測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置兩盞LED路燈，間距30米，燈桿高度為12米，測(cè)試單車道的亮度相關(guān)指標(biāo)。

　　我們按照CIE140道路照明計(jì)算方法，在距離儀器60米外的路面，取30米長(zhǎng)的單車道為評(píng)估區(qū)域，按縱軸方向每隔3米布一個(gè)點(diǎn)，共設(shè)3條縱軸，評(píng)估區(qū)域里共30個(gè)樣點(diǎn)。在測(cè)量時(shí)，以CS-2000A按橫向從左到右，由近至遠(yuǎn)，呈Z字形順序瞄點(diǎn)。如圖5所示：

圖5. 樣點(diǎn)分布方法及瞄點(diǎn)順序

　　我們通過(guò)點(diǎn)式亮度計(jì)的目鏡觀察，需把測(cè)量區(qū)域完全覆蓋所觀察的樣點(diǎn)，則讀出數(shù)據(jù)為該樣點(diǎn)的平均亮度值。用分光輻射亮度計(jì)CS-2000A讀取了30個(gè)樣點(diǎn)的亮度值后，我們可以對(duì)這些樣點(diǎn)所在的區(qū)域進(jìn)行亮度指標(biāo)的評(píng)估。

　　但需注意的是，點(diǎn)與點(diǎn)間的位置，此時(shí)并沒(méi)有列入我們的取點(diǎn)范圍，在間隔的區(qū)域并沒(méi)有相應(yīng)的亮度數(shù)據(jù)?？陀^的環(huán)境因素（如瀝青分布的均勻度和路面積水等），都有可能對(duì)路面不同點(diǎn)的反射亮度造成影響，所以測(cè)得樣點(diǎn)的亮度數(shù)據(jù)適合做亮度均勻性的分析。

　　分光輻射亮度計(jì)CS-2000A測(cè)得30個(gè)點(diǎn)的亮度值如表1所示：

表1：按照CIE140布點(diǎn)測(cè)試的亮度

　　從表1的測(cè)試結(jié)果，可計(jì)算得出路面的亮度平均值為1.11cd/m2，路面亮度均勻度為0.74，路面亮度縱向均勻度0.59。

　　3.2 成像亮度計(jì)測(cè)試

　　本文實(shí)驗(yàn)中，我們用柯尼卡美能達(dá)的二維色彩亮度計(jì)CA-2000(保證精度的最低測(cè)量亮度為0.1cd/m2，遠(yuǎn)低于路面最低亮度0.5 cd/m2）測(cè)量路面。CA-2000百萬(wàn)像素CCD，高分辨率顯示的特點(diǎn)，可幫助操作人員清晰地拍下路面圖片，通過(guò)圖片可以觀察到路面每個(gè)像素點(diǎn)的亮度參數(shù)。

圖6. 用二維色彩亮度計(jì)CA-2000測(cè)路面場(chǎng)景

　　二維色彩分析儀亮度計(jì)CA-2000的設(shè)置為：配長(zhǎng)焦鏡頭，設(shè)置980×980分辨率，搭配三腳支架，置于同樣的高度和位置進(jìn)行測(cè)量。（其它相關(guān)設(shè)置不做詳細(xì)介紹）

　　用CA-2000對(duì)60米外的路面進(jìn)行3次測(cè)量，在軟件中分析選擇區(qū)域的亮度變化。通過(guò)軟件選取需要了解的區(qū)域，并由軟件直接得出該區(qū)域的亮度平均值、最大值、最小值。

圖7：測(cè)試指定區(qū)域內(nèi)的亮度參數(shù)

　　在同等條件下，我們?nèi)?次的測(cè)量數(shù)據(jù)分析，然后以亮度的最小值和平均值計(jì)算出選擇區(qū)域的亮度均勻性。結(jié)果分析如表2所示：

表2： 使用成像亮度計(jì)測(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)成像亮度計(jì)CA-2000的測(cè)量結(jié)果，3次測(cè)量選擇區(qū)域的亮度縱向均勻度數(shù)據(jù)一致性很好，從測(cè)試結(jié)果可以計(jì)算得出使用成像亮度計(jì)測(cè)試的路面的亮度平均值位為1.21cd/m2，路面亮度均勻度為0.48。

　　為測(cè)試路面的縱向均勻度，在測(cè)試路面的成像效果圖上，按照標(biāo)準(zhǔn)要求取指規(guī)定路段的測(cè)試路中間的縱向亮度最小值比最大值，測(cè)試效果如圖8所示：

　　圖8：測(cè)試指定區(qū)域內(nèi)的縱向均勻度

　　如圖9所示，正方形框選區(qū)域?yàn)橹付y(cè)量區(qū)域，我們通過(guò)偽彩色顯示圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可以更直觀的看出該區(qū)域的亮度分布,：深藍(lán)色是亮度較低的區(qū)域,淺藍(lán)色是亮度較高的區(qū)域,綠色則是該區(qū)域最高亮度的區(qū)域。.

圖9：指定區(qū)域的偽彩色顯示圖

　　三次測(cè)試的路面亮度縱向均勻度測(cè)試結(jié)果如表3所示：

　　表3 路面亮度縱向均勻度測(cè)試結(jié)果

　　4. 測(cè)試結(jié)果分析

　　在亮度測(cè)試的點(diǎn)式亮度測(cè)試的基礎(chǔ)上與成像亮度計(jì)的性能對(duì)比研究。從上述測(cè)試同一幅路面，使用點(diǎn)式亮度計(jì)測(cè)試和成像亮度計(jì)的亮度參數(shù)比較結(jié)果如表4所示：

　　
　　表4 點(diǎn)式亮度計(jì)和成像亮度計(jì)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

　　從表4可以看出，使用成像亮度計(jì)測(cè)試的路面平均亮度值比使用點(diǎn)式亮度計(jì)測(cè)試的平均亮度值低8.26%。這主要是測(cè)試方法的差異造成，成像亮度計(jì)測(cè)試的采樣區(qū)域是整個(gè)測(cè)試路面，而點(diǎn)式亮度計(jì)的測(cè)試是在路面上等距布點(diǎn)測(cè)試得到，測(cè)試的采樣點(diǎn)相對(duì)較少，無(wú)法以較高的精度反應(yīng)整個(gè)路面的平均亮度值。從測(cè)試的方法上的差異可以看出，使用成像亮度計(jì)測(cè)試的結(jié)果理論上更準(zhǔn)確。

　　從表4可以看出，使用成像亮度計(jì)測(cè)試的路面亮度均勻度比使用點(diǎn)式亮度計(jì)測(cè)試的亮度均勻度值低35.1%。這也是由于測(cè)試方法的差異造成的，點(diǎn)式亮度計(jì)的取點(diǎn)很有規(guī)律，所有測(cè)試點(diǎn)均是在一條直線上，所以在使用點(diǎn)式亮度計(jì)的測(cè)試中，沒(méi)有測(cè)試到路面上亮度最小和最大的點(diǎn)，造成了使用點(diǎn)式亮度計(jì)的測(cè)試結(jié)果明顯高出使用成像亮度計(jì)的測(cè)試結(jié)果。

　　從表4可以看出，使用成像亮度計(jì)測(cè)試的路面亮度縱向均勻度與使用點(diǎn)式亮度計(jì)測(cè)試的亮度縱向均勻度完全一致，測(cè)試結(jié)果都是0.59。只是因?yàn)樵跍y(cè)試縱向亮度均勻度的時(shí)候，也是在成像亮度計(jì)的一條縱向亮度直線上取點(diǎn)，與點(diǎn)式亮度計(jì)的縱向布點(diǎn)方式非常接近。

　　從上述測(cè)試結(jié)果分析可以看出，隨著光學(xué)儀器的分辨率提高，使用成像亮度計(jì)的測(cè)試結(jié)果已經(jīng)完全能夠達(dá)到點(diǎn)式亮度計(jì)的測(cè)試精度，而且由于測(cè)試的速度快，測(cè)試區(qū)域可調(diào)，使得使用成像亮度計(jì)測(cè)試的路面亮度參數(shù)更加準(zhǔn)確、快捷。

　　5．結(jié)論及展望

　　本文研究了路面亮度的測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用成像亮度計(jì)可以更加方便快捷的測(cè)試路面亮度的相關(guān)參數(shù)，而且測(cè)試的結(jié)果從理論角度更加準(zhǔn)確。在GB/T 5700-2008的5.2.2和5.2.3節(jié)的測(cè)試儀器要求中指出：

　　“在道路照明測(cè)量中只要求測(cè)平均亮度式，可采用積分亮度計(jì)；除測(cè)量平均亮度外，還要求得出亮度總均勻度和亮度縱向均勻度時(shí)，宜采用帶望遠(yuǎn)鏡頭的光亮度計(jì)，其在垂直方向的視角應(yīng)小于或等于2’,在水平方向的視角應(yīng)為2’～20’。” “照明測(cè)量用亮度計(jì)的性能應(yīng)滿足以下條件：

　　a)相對(duì)示值誤差絕對(duì)值：≤±5%（0.02）；

　　b)V(λ)匹配誤差絕對(duì)值：≤5.5% ；

　　c)穩(wěn)定度絕對(duì)值：≤1.5% ；

　　d)換擋誤差絕對(duì)值：≤±1.0% ；

　　e)非線性誤差絕對(duì)值：≤±1.0% ；”

　　上述的對(duì)亮度計(jì)的要求，成像亮度計(jì)均能滿足。從測(cè)試結(jié)果可以看出，如果使用成像亮度計(jì)作為測(cè)試路面亮度的儀器，相應(yīng)的路面亮度的參數(shù)值要有所調(diào)整，尤其是路面的亮度總均勻度參數(shù)。綜上所述，本文通過(guò)使用不同的亮度計(jì)進(jìn)行路面亮度參數(shù)的測(cè)試方法研究，為路面亮度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)提供了新的思路。