照度计算

照度计算（共8篇）

照度计算 篇1

1 背景

有效的照明系统设计,不仅能提高室内作业舒适度,且在建立绿色节能型社会中也起着重要的作用。在建筑设计中,当线光源的长度小于计算高度的1/4时,按点光源进行照度计算,其误差小于5%[1]。点光源的照度计算主要有:配光曲线法[2]、等照度曲线法[1]、逐点法[2]、基于照度矩阵的计算法等[3];当线光源的长度大于计算高度的1/4时,则必须按线光源计算。线光源的照度计算主要有:方位系数法[4]、等照度曲线法[4]、积分法等[5]。方位系数法计算线光源照度首先要鉴别五种光强分布情况,计算过程很复杂。本文在文献[5]介绍的线光源积分法的基础上,综合考虑室内各反射面及灯罩的影响,提出了一种改进方法。通过实验数据的比较,改进后的计算误差大幅减少。

2 线光源积分法

前提与假设:

(1)教室、图书馆等公共空间室内照明光源大多采用日光灯组,组内每根灯管之间的横向距离相对于被照面到光源的距离很小,所以此时将日光灯组简化成线光源,简化后的光通量等于组内日光灯管的光通量之和;

(2)不考虑空气透射率的影响,空气透射率默认为1;

(3)不考虑自然光对工作面照度的影响。

在三维空间中,线光源的光照模型如图1所示。平行平面为经过线光源纵轴和发光平面法线的平面,垂直平面为经过发光平面法线且垂直于线光源纵轴的平面。I 0为线光源发光面法线方向上的光强,Ia为平行平面中与I0成a角的光强,Iq为垂直平面中与I0成θ角的光强。

线光源照度计算示意图如图2所示,xy表示工作面所在平面,线光源的中点经过z轴且和x轴平行,线光源到工作面的高度为h0,线光源的长度为l0,光通量为φ。

在线光源上任取一点S(xs,0,h0)点,在工作面上任取一点P(x,y,0),S点到P点的距离为:

S点与P点的连线和被照面的法线的夹角为,其余弦值为:

根据假设条件,S点为点光源,因此S点对P点的照度符合点光源的球面辐射规律。被照点P(x,y,0)相对于S点的照度为:

整个线光源对P点的照度为:

3 计算结果的实验比对

3.1 实验测量

选择教室一间,其主要参数如下:长宽高:1293(单位:m),教室中安装9个灯组,每个灯组中安装3盏T5型28W的荧光灯,每盏荧光灯的额定光通量为2900lm。表1为室内照明相关参数,表2为T5型日光灯的相关数据[6]。

照度计型号:LX-1010BSS数字式照度计。

荧光灯照度区域分布图如图3所示:以日光灯中心点为坐标系原点建立坐标系,在区域三内建立1216个网格,网格间距为0.2m,测出网格点的照度值,如表3所示。

3.2 计算结果与实验数据比对

采用式(1)～式(4)计算网格节点上的照度值。如表3所示:其中,照度E1为积分法的计算结果,照度E2为实验测得的数据,|E1-E2|为同一坐标上计算结果与实测数据的误差。

从图3和实验测得的数据比较中可以看出,在随机选取的十个数据中,积分法有五个误差在100到150左右,其中最大的达到145。而且误差本身的大小变化也比较明显,误差幅度在9.1～145。一般情况下照度计算允许的误差为-10%～20%,积分法的计算误差较大。上述积分方法的应用只考虑到线光源直射照度对于工作面的影响,实际上工作面的照度不仅受直射光的影响,还应考虑灯罩、室内墙面、顶棚、地板、自然光等因素对于工作面照度的正向作用。

4 照度积分方法改进

各个反射面对于被照点的影响相当于在原来的基础上增加了光源。在各个反射面中,灯罩由于位置最靠近光源,而且灯罩材料的反射系数是所有影响因素中最大的。因此,灯罩对被照点的影响最大,可以单独计算。墙面、顶棚和地板等因素对于被照点的影响可以在传统积分法的基础上增设一个修正因子。

空间直角坐标的位置不变,在灯罩上任取一点t(x1,y1,h1),工作面上任取一点P(x,y,0),t点到P点的距离为:

点t与点P的连线与工作面法线的夹角的余弦为:

点P受灯罩上点t的照度为:

为了简化计算,可将灯罩看成是平面反射,平面的长度为灯罩的长度,平面的宽度为灯罩的外围等效宽度,则反射照度即整个灯罩对点P的照度为:

总照度为直射和反射照度之和,即:

由于灯罩反射光只向下辐射,此时计算光强I的立体角为2π,式(9)可化为:

式(10)中:ρ1表示荧光灯因为日常老化、表面灰尘等因素影响而导致的光通量减少;ρ2表示荧光灯光辐射能量在灯罩上的损耗,即灯罩材料的反射系数,ρ1和ρ2的取值都在0～1之间;h1表示灯罩到被照面的高度,由于灯罩到光源的距离相对于光源到被照面的距离可以忽略不计,所以h1h0。则照度为:

图4所示为灯罩的横截面,荧光灯与灯罩末端的夹角为δ,不考虑在空间传播过程中的光损耗。假设荧光灯的光线向四周呈均匀辐射,则灯罩接受到的光通量与δ角有关,其光通量为:

于是,上式转化成关于的方程,记为:

将实际测量值(x i,y i,l 0,φ,h 0,E),(i=1,2,…,n)代入该方程,可以得出一系列的值,去掉其中的最大值和最小值,并求出的平均值。设经过计算得出的值有(β1,β2,…,βn),则:

由于自然光的变化范围较大,且很难人为控制,所以在假设条件中,β的确定并没有考虑自然光对工作面照度的影响,影响β取值的有顶棚、地板、墙面等反射面因素,这些因素在实际中的取值一般都比较固定,因此该方法具有一定的实用性。

表4为一组β值,按照式(14)求出β平均值:β=0.27440.28,表5为改进后得出的数据。

由以上数据可以看出,采用新方法误差明显减少很多,最大误差减小至39.16,而且误差的变化幅度也比改进前要小,较原来方法有明显的改进。

5 结论

方位系数法和等照度曲线法进行等照度计算的运算过程需要人工判断,而且很难模拟出整个室内的照度状况,因此适用于单点的精确计算;单纯的对线光源进行积分,没有考虑到室内其它影响照度的因素,计算误差比较大,但作为一种理论依据,给线光源照度计算提供了一个方向;改进后的光源积分法,综合考虑了灯罩和墙面等其它因素的影响,在很大程度上减小了误差。

摘要：利用照度积分计算方法求空间任意点的照度,结果误差较大。本文考虑光线反射、灯管老化及灯罩反射损耗等因素的影响,排除自然光因素,提出了一种改进的照度积分计算方法。实测数据计算结果比对证实,新的计算方法提高了计算精度。

关键词：照度计算,积分法,灯罩反射

参考文献

[1]中国建筑学会建筑电气分会.建筑照明[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]李运江,彭惠明,徐波.几种照度计算方法的比较与研究[J].三峡大学学报,2003(2):30-32.

[3]丁新东,姚加飞,张玉兰.一种点照度计算方法[J].照明工程学报,2007(12):48-50.

[4]周太明,等.高效照明系统设计指南[M].上海:复旦大学出版社,2004.

[5]秦玉玺.线光源辐照度的计算[J].红外技术,1990(12):43-44.

[6]M.戴维.埃甘,维克多.欧尔焦伊著,袁樵译.建筑照明[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

照度计算 篇2

（1）客厅，又名起居室。看起来这两个名字并不相近，也不等同。实际上这两个房间也不是一回事。顾名思义，客厅是接待客人的地方，而起居室则是家里人娱乐交流的地方，只不过在我们这里，尤其是目前大部分住宅设计中一般把这两种功能合二为一了。自建国以来，城镇住宅的客厅有一个从小到大的发展过程。这里就不再多说了。根据现代人的居家理念，并不热衷于在家中应酬，而是希望家是一个真正意义上的港湾，让家人在喧闹的城市中，拥有一个安静的空间。所以，客厅（实际应该侧重于起居室）作为人们在家时逗留时间最长的场所。在进行照明设计和其它专业设计时不容忽视。客厅的功能较一般房间复杂，活动的内容也丰富。对于照明设计也要求有灵活、变化的余地。在人多时，可采用全面照明和均散光；听音乐时，可采用低照度的间接光；看电视时，座位后面宜有一些微弱的照明；读书时，可在右后上方设光源，能够避免纸面反光影响阅读；写字台上的光线最好从左前上方照射（约30～40cm高），再保证一定照度的同时避免手和笔的阴影遮住写字部位的光线。室内如有挂画、盆景、雕塑等可用投射灯加以照明，加强装饰气氛；书橱和摆饰可采用摆设的日光灯管或有轨投射灯；有一些高贵的收藏品，如用半透明的光面板做衬景，里面设灯，会取得特殊的效果。在电气功能设置的合理性方面，客厅的照明开关应采用双控或多控调光开关，一处在玄关处以便进出时方便开关，另一处在沙发附近，可以随时调节灯光。客厅必须安装应急灯，以备突然停电或发生电气故障时使用，如果配合视听设置的控制，音频、视频、电话等有关电子连接线，都预埋在沙发附近，将DVD、电脑键盘等必须用手操作的设备也置于附近（如茶几下）。这样就可以坐在沙发上换碟，炒股或接受远程教育，可谓方便之极。

（2）餐厅，餐厅照明应能够起到刺激人的食欲的作用，在空间比较大、人比较多时设计照度高一些会增加热烈气氛；如果空间小、人又少设计照度应低一些，营造一种幽雅、亲切的气氛；以我国目前的生活发展水平，单独设计餐厅尚未普及。国外的餐厅设计为了追求安静，常使灯光暗些；而我国在烹饪艺术方面，讲究色香味俱全，因此，要求灯光稍亮些。一般常用向下投射的吊灯，光源照射的角度，最好不超过餐桌的范围，防止光线直射眼睛。比如使用嵌顶灯或控罩灯。还应注意设置一定的壁灯，避免在墙上出现人的阴影。

（3）厨房，一般较小，烟雾水气较多，应选用易清洗、耐腐蚀的灯具。除在天花板或墙上设置普通照明外，在切菜配菜部位可设置辅助照明，一般选用长条管灯设在边框的较暗处，光线柔和而明亮，利于操作。

（4）卧室，卧室照明也要求有较大的弹性，尤其是在目前一部分卧室兼作书房的情况下，更应有针对性地进行局部照明。睡眠时室内光线要低柔，可以选用床边脚灯；穿衣时，要求匀质光，光源要从衣镜和人的前方上部照射，避免产生逆光；化妆时，灯光要均匀照射，不要从正前方照射脸部，最好两侧也有辅助灯光。防止化装不均匀。如果摆设书柜，应有书柜照明和短时阅读照明。对于儿童卧室，主要应注意用电安全问题，电源插座不要设在小孩能摸着的地方以免触电危险，较大的孩子的书桌上，可以增设一个照明点。睡眠灯光要较成人亮些，以免孩子睡觉时怕黑或晚上起床时摸黑。

（5）卫生间，卫生间的照明应能显示环境的卫生和洁净。一般对照度要求不高，只要能看见东西就行了。常在屋顶设置乳白罩防潮吸顶灯，在洗脸架上放一个长方形条灯。如有化妆功能，可增设两个侧灯。另在卫生间外门一侧设一脚灯，便于在夜间上厕所使用。

基于绿色照明设计的照度计算探讨 篇3

1“绿色照明”的科学定义

绿色照明是指通过科学的照明设计,采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品(电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材,以及调光控制调和控光器件)改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量,从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。

为了实施绿色照明工程,进行必要的照度计算是不可少的,同时必须用光能传播的科学理论来指导。

2 光能传播的基本概念

2.1 光通量Ψ

光源表面的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度,等于辐射通量与视见函数的乘积,单位为流明(lm)。

2.2 发光强度I

光源在某一特定方向上单位立体角内辐射的光通量为光源在该方向上的发光强度,其随方向而异,单位为坎德拉(cd)。

2.3 照度E

照度是表征受照面被照明程度的物理量。把单位被照面面积上的光通量称为照度,单位为勒克斯(lx)。

2.4 亮度L

亮度是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量。把光源在给定方向的单位投影面上的发光强度称为亮度,单位为坎德拉每平方米(cd/m2)。

因为在大多数情况下,物体不是自己发光的,所以照明设计中,照度计算有重要意义,必须满足国家标准规定的最低照度值。

3 绿色照明设计中照度的要求

我国的照度标准是既根据视觉功能的试验资料又进行了大量的实测、调查和咨询,并结合我国电力工业的生产水平和消费水平选定最低照度值。其范围值有高、中、低三档,设计人员按建筑等级、功能要求和使用条件参考选取。选择照度标准时须考虑以下因素:

1)需要区别物品的尺寸愈小,工作表面的照度标准应愈高。2)背景与工件亮度之差与背景亮度的比值愈大,视看条件就愈好,则可以选择较小的照度。3)应用高光效、显色差的光源时,照度应该选择较高些,同时在人数较多或年龄大者较集中的场合,也可考虑选择较高的照度。

4 绿色照明设计中照度的计算

在绿色照明设计时通过计算求出必要的照度其实并不难,而在空间上一味的考虑如何设计出令人满意的神秘的影子的想法,在某种程度上反而会更难。但是,照度计算作为数量性的设计方法,在大多数场合都是不可缺少的。因此,除了照度计算的重要性之外,即使是简单的方法,也必须首先能够计算出来。

照度的计算点可能选择在水平面、垂直面、倾斜面上。不管在何种表面,照度总是由其直射分量和反射分量叠成,直射分量取决于灯具的光强分布及其对所需计算表面的相对位置。反射分量取决于灯具投射于反射表面的光通比例、反射表面的反射性能、被照空间的几何尺寸等。在绿色照度计算方法中,应用最多的有光通量法和照度逐点计算法。

4.1 光通量法

光通量法主要是在等间距配置照明灯具的空间里,计算平均照度时使用,除在办公室和工厂等明视空间使用之外,在饭店餐馆住宅等需要提高氛围的空间里,为了确定大概的照度,采用这种照度计算方法很方便。

首先,在说明光通量计算法之前,先看一看下面的计算式:

E=F/A(1)

其中,E为平均照度,lx;F为每一盏灯的光束,lm;A为面积,m2。

例如,安装2 000 lm的100 W裸灯泡时,假定有30%的灯光束要均匀地直接照射在地面上,那么地面上的直射平均照度,就可以用下式计算:

E=2 000×0.3/10=60 lx。

除照射在地面上的光束之外,其他光束就照亮了顶棚和墙面。如果顶棚和墙面的反射率较高,该放射光还会加入到地面的直接照度上,所以实际得到的照度在60 lx以上。

从以上的实例可以看出,要用式(1)计算出平均照度,就必须假定出有多少光束照射到想要计算出照度的面上(照明效率)。于是,如果有从房间大小和内装修材料的反射率,以及从照明灯具的配光特性计算出来的照明利用率表,就可以用式(2)进行简单计算:

E=F×N×U×M/A(2)

其中,N为灯的盏数;U为照明利用率(与灯光束相比,照明利用率是从灯具直接放射出来的光束和通过室内的反射照射在作业面上的光束比。基础照明用的筒灯照明和萤光灯灯具,一般都是把照明利用率表登在生产厂家的产品样本上);M为维护率(随着时间的延长,造成灯光束的减少和由于污染造成照明灯具的效率降低,由于室内的反射率下降造成照度减退等)。

基础照明用的灯具,大部分是直接式配光的筒灯照明和萤光灯的嵌入式或直接安装式的灯具,除此之外,还有发光槽照明等顶棚间接照明直接式配光的照度计算,越是受到顶棚墙面反射率影响少的灯具越需配光,即使房间反射率的设定多少有些不同,平均照度的误差也会很小。但是,如果有较高的隔墙和家具等,产生阴影的部分其计算结果就偏离了。另外,顶棚的间接照明,不仅要受到顶棚面的影响,而且还要受到墙面反射率的很大影响,甚至像发光灯槽那样的建筑化照明,由于开口部位的大小和光源与到达顶棚的距离不同,照明利用率也会有变化,所以很难做到无误差地计算。为了尽可能计算出正确的照度,最好通过试验和实例获取各种间接照明的照度数据。

另外,在不太宽敞的房间里,如果是氛围比照度更加重要的空间,一般是不用光通量法进行照度计算,而是用粗略的计算方法进行大致的计算。例如住宅,如果需要有大致100 lx左右的照度,那么,白炽灯为20 W/m2～30 W/m2,萤光灯为10 W/m2左右。

4.2 照度逐点计算法

照度逐点计算法是在计算局部照明的作业面和重点展示部分所需要的照度时使用,在计算空间的照度分布时,也可以使用。

由于采用的是悬垂装饰照明和射灯的局部照明,在计算某一特定点的直射水平面强度或垂直面照度时,可以采用照度逐点计算法,基本计算公式有式(3),式(4),式(5)三种。根据图示,把光源当作点光源看待时:

垂直照度P=I0/h2(平方反比定律)(3)

水平面照度P1=Iθ/h2cos3θ或Iθ/I2cosθ(余弦定律)(4)

垂直面照度P2=I0/h2sinθcos2θ(5)

同时局部照明的亮度,只要已知配光数据,不仅能计算出水平面的强度,垂直面的直射强度也能简单的计算出来。尤其是在绘制没有相互反射的室外道路和广场,外墙照明的照度分布图上,适合采用照度逐点计算法。但是,在要计算出复数灯合成的照度分布时,计算的数字就要增多,用手工计算非常麻烦,大部分是用计算机进行处理,绘制照度分布图,比计算平均照度更能详细地了解照明状况,也容易判断出照明效果的好与坏。

5 结语

在绿色照明设计中要根据实际情况,按照照度要求,选择合适的计算方法,对照度进行计算。照度计算合适,会使照明设计更加合理,既节约能源和设备又能达到良好照明,又为生产和生活带来便利。

摘要：阐述了绿色照明的科学定义及光能传播的基本概念,结合绿色照明设计中照度的要求,详细地介绍了绿色照明设计中照度的计算,以使照明设计更加合理,更好地为生产和生活服务。

关键词：绿色照明,设计,照度计算,光

参考文献

[1]张帆.医院建筑的照明设计[J].山西建筑,2007,33(5):181-182.

[2]陈元丽.现代建筑电气设计实用指南[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

照度计算 篇4

1 LED路灯照度

道路照明的功能是为司机和行人提供良好的视觉条件, 它直接关系到道路行驶安全。而道路照明测量方法则是评价道路照明功能的主要手段, 它主要依靠测量和计算所得的参数对道路照明功能进行评价。

平均照度是各个测量点的照度的平均值, 它代表了道路表面被照明的程度。如果道路的平均照度值过小, 则表明灯具照射的效果不达标或照射程度不够均匀。平均照度是LED路灯现场测试与评价的首要参数, 也是保证照明质量的一个主要数据, 而且还是计算环境比、照度均匀度、照度维护系数、照明功率密度和应用光效等相关参数的重要依据。

照度均匀度是衡量所测灯具照射均匀程度的重要参数。如果这个均匀度的值过小, 在路面上就会出现“斑马线”或“斑点”, 会严重影响到司机和行人的视觉效果。

国标CJJ 45—2006城市道路照明设计标准, 主干路平均照度维持值20 lx/30 lx, 均匀度最小值0.4;次干路平均照度维持值10 lx/15 lx, 均匀度最小值0.35;支路平均照度维持值8 lx/10 lx, 均匀度最小值0.3。标准中把5 lx作为各类道路照明水平的下限值。

按照道路照明设计标准的规定, 道路平均照度的计算值为最小维持值, 也就是说平均照度值基本就是在更换光源前的照度值, 其初始照度按照维护系数0.7来计算, 应为更换光源时照度值的1.43倍。以此计算得出的初始照度值, 主干路应不低于28.6 lx/42.9 lx, 次干路应不低于14.3 lx/21.4 lx, 支路应不低于11.4 lx/14.3 lx, 才能满足道路照明所需的维持值。

2 LED路灯光源测试的必要性

随着技术的发展, LED路灯的光效和寿命在不断提高, 但由于LED光源大多是通过二次配光组成, 其光衰将成为LED路灯维护面临的最大问题。LED光源在运行一段时间后, 构成LED的半导体材料会衰变、老化, 最终会丧失原有机能, 导致光通量不断下降, 直到不能满足相关等级道路照明照度标准的最低要求, 此时如果不更换灯具, 将严重影响照明水平, 对交通、行车带来大的安全隐患。

大部分生产厂家在推荐其LED路灯产品时, 或者在组织验收时, 以刚超过或达到国家规定的平均照度最小值的初始照度值来代替平均照度值, 来表明自己的产品已经达到国家标准, 混淆概念。因此在使用LED路灯进行道路照明时, 不仅要考虑其维护性、性价比, 更要进行前期的实地跟踪测试, 准确的测试厂家所提供的产品在运行使用中的实际发光效率和实际光衰。

3 LED路灯照度的测试

在运行LED路灯的道路与各知名生产厂商共同实地测试, 对LED路灯的使用情况做进一步详细的数据跟踪。

1) 测试目的。检验LED照明光源经过多年在道路照明运行中的照明性能指标是否满足道路照明的要求。

2) 测试时间。以验收移交当年12月所测数据为依据, 连续5年跟踪测试。为保证数据的准确性, 选择在相同月份, 相同的路灯点位, 电压相对稳定, 路上车辆相对较少的时间段 (22:00~1:00) , 进行测试。

3) 测试道路。安装LED路灯的道路, 包括迎新街、迎新北一巷、享堂路、五龙口、桃园路、小北门街、新城街。

4) 测试设备。TES1330A照度仪。

5) 现场照度测试表见表1。

6) 照度测量方法及示意图。a.测量地段的选择和测量说明。选择测量地段时, 应从灯具的间距、高度、安装规整性及光源的一致性方面选择有代表性的路段。照度测量的范围, 应包括纵向同一侧的两个灯杆之间的区域;而在横向单侧布灯时, 需要测量整个车行道宽, 两侧对称布灯时, 只需要测量1/2的路宽路段。b.测量布点方法。从安全性和工作需要考虑, 我们采用九点测量方法进行布点, 纵向测量点的起止点为同侧相邻两根灯杆的1/2, 将之间的长度分为三等分, 横向测量点的选取按道路宽度取其三等分, 形成一个纵向与横向的矩形交叉网格 (见图1, 图2) 。c.测量计算路面平均照度和均匀度。测量时将校准好的照度测量仪放于网格交叉点;记录相应的照度值, 然后把所有照度值相加, 最后除以总的测量点数即得到该测量区域的平均照度值。

照度均匀度的计算方法是所有测量点中的最小照度值除以平均照度值所得的比值。

7) 测试数据。a.测试数据统计表 (统计数据见表2~表8) 。b.测试数据及光衰汇总分析表见表9。

4 LED照度数据测试分析

1) 从表4中可看出, 第三年测试最小照度达不到标准要求, 平均照度下降很多;表6中可看出, 第五年测试均匀度达不到标准要求;表7中可看出, 第三年测试最小照度达不到标准要求, 表8中可看出, 从一开始最小照度就没达到标准要求。

2) 通过统计数据对比, 可看出普通存在LED光源在运行到第三年时, 各照度数值均出现严重下降, 光衰现象严重。衰减最大的达到40%, 最小的也达到20%以上, 普遍光衰在30%左右。

3) 新城街由于灯杆高度与造型局限, 使得灯具仰角无法调整, 造成测试照度最小值偏低。

5 测试结论

道路照明运行中, 首先要求灯具有良好的发光效率和稳定性, 不能衰减太快。LED光源的整体显色性相对较好, 照度均匀度的稳定性较好。但使用一段时间后平均照度下降比较快, 光衰问题严重, 到第五年基本已经接近标准要求的平均照度与均匀度的最小维持值, 而且测试分析照度还在每年不断下降, 很难保证下一个五年内照度能否满足标准要求。到时候即使LED路灯光源不坏, 也已经无法在路灯上继续使用, 将对市民夜晚出行带来安全隐患。

LED光源光衰到什么程度需要更换, 给维护工作带来了很大的难度和不确定性, 严重制约了LED路灯的健康发展和管理单位的维护使用。因此, 在没有解决好上述技术问题的前提下, LED路灯还需进一步的研发和试用。建议可将其运用在次干路及以下等级道路的照明和对显色性要求较高, 照明效果恒定的场所。

同时, 希望相关部门及生产厂家能尽快制定和完善好LED产品技术标准, 从源头认真解决好LED光源在功能照明应用中存在的各种技术难题, 提高产品性能, 使其更好的为城市照明服务。

参考文献

[1]“十二五”城市绿色照明规划纲要课题组.“十二五”城市绿色照明规划纲要[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

[2]太原市城市照明管理办法[Z].

[3]CIE 140—2000, 道路照明计算[S].

[4]CJJ 45—2006, 城市道路照明设计标准[S].

电视照度与图像质量的探讨 篇5

作为一名电视制作人员，掌握了电视照度与摄像机输出的图像质量之间的关系，对于更好地做好节目，为观众提供优质的电视画面有着事半功倍的作用。在实际工作中，我们通常遇到下面的问题：为什么现场的场景显得灰暗平淡而电视画面却层次丰富?为什么被摄主体对象的背景亮度不够时，盲目地增加主光照度会适得其反?为什么场景的霓虹灯或LED灯饰在电视画面里与人物的关系不协调?为什么现场导演觉得现场不够亮时，灯光设计盲目地增加照度却适得其反?本文通过阐述演区照度与摄像机光圈的关系来解释上述诸多问题，希望对提高电视制作水平有所帮助。

2 摄像机与光线相关的各种参数

我们知道摄像机是模仿人眼的原理制成的，它的结构在人眼里都能找到对应，如光圈相当于人眼的瞳孔，镜头相当于人眼的晶状体，成像装置相当于人眼的视网膜等。但是，人眼可以随时调焦，随时调整白平衡，随时调整瞳孔，随时调整感光灵敏度，其对周围光线环境的变化适应力远非机械的摄像机能够代替。面对众多限制，摄像机完全真实地再现人眼看到的场景是做不到的，只能把人眼看到的现场景物进行各方面的处理，产生近似于场景的画面效果。至于产生的画面效果与现实场景有多大差距，感光材料、灵敏度等起了关键作用。

2.1 灵敏度

摄像机的灵敏度通常用在一定条件下，摄像机达到额定输出电平时所需的光圈数来表示。即光源色温为3200K，景物照度为2000lx，拍摄反射系数为89.9%的白色(灰度卡)以及电路增益为0dB的标准情况下，额定输出电平在波形监视器显示为0.7Vpp的视频信号。在该条件下，某摄像机的光圈用F10，则说明该摄像机的灵敏度为F10。光圈F值越大(光圈开度越小)，摄像机的灵敏度越高。如：BVP—E30摄像机灵敏度F11远高于BVP—375摄像机灵敏度F8。

2.2 宽容度

在电视摄像机系统里，宽容度用亮度比表示为1∶32，用光圈级数表示为5级，远小于电影胶片的1∶128，所以电视屏幕上的画面影调层次远不如电影银幕效果好。如图1所示。

由图1可知，摄像机系统有一个有限的亮度范围，在这个范围内，能够接受光线并按相对的比例再现出来。如果接受的光线不足，则产生起伏噪声和彩色拖影或拖尾。如果光通量超过摄像机的最高限度，则图像再现的是毫无细节的峰值白色。

2.3 曝光量

曝光是指光学镜头吸收景物发出的光线，汇聚投影在感光材料上，获得可视的影像。曝光量是感光材料接受光照强度和时间的乘积即H=Et。通常，电视拍摄时，电子快门是关闭的，曝光决定于CCD感受到的进光量大小。因此，曝光量是影响成像质量的重要因素之一。

曝光量过度会使画面亮部分失去细节，曝光量不足会导致画面暗部层次模糊一片。适宜的曝光量则是把被摄体的亮度比正好纳入感光材料的宽容度内，能比较好地还原景物本身的影调和层次，使亮部和暗部影调之差有所压缩。可见正确的曝光量是影响画面成像质量的关键。从技术角度讲，曝光量直接影响画面的影调层次、景物质感、色调和色彩还原。从艺术角度讲，曝光量直接影响到画面的艺术气氛以及情感的表达。

2.4 曝光基准点

准确的曝光离不开精确的测光，摄像机的测光系统为TTL中央平均测光结构，这种内测光系统依据被摄景物反射的亮度平均值作为曝光依据。这种反射式测光系统的特点就是依据什么部位确定曝光，什么部位就会在画面里形成18%中级灰，即曝光基准点。因此，无论摄像机镜头对准什么景物，内测光系统都会向18%中级灰靠拢，并以此作为曝光依据。

在摄像机系统里，曝光基准点在宽容度曲线上的位置是“上2下3”。如图2所示。

由图2可知，当曝光基准点确定以后，场景画面里的其他影调等级都会“找到”各自的位置，离基准点越近，真实再现的越准确，越远，偏差越厉害，直至超出宽容度。

2.5 光圈

在实际拍摄中，我们会根据画面景别要表现的主体进行手动光圈控制曝光，通过光圈的大小将被摄体的亮度比纳入宽容度特性曲线直线部分，实现拍摄者的意图。在多机位拍摄的大型晚会中，现场光线复杂，远非灯光控制光比可以解决的，手动光圈的调整显得相当重要。

3 演区照度和摄像机光圈的关系

由于演区内被摄对象的照度与反射率各不相同，使研究不同机位时摄像机曝光量与演区照度之间的关系变得非常复杂。但是，对演区照度的确定还是可以综合如下因数考虑的：a、演区内被摄对象的平均反射率及其变化范围。b、摄像机的常用光圈开度。c、常用光圈开度下的照度值。其中，光圈开度的常用值是一个关键的参数，也就是我们平时所说的定光圈拍摄。光圈开度的确定，主要取决于电视画面景深的需求。众所周知，光圈开度与景深成反比关系，专家认为光圈开度在4～5.6时，已有足够的景深及丰富的色饱和度。也就是说，用这个光圈开度的范围来确定演区照度是合适的。演区照度与光圈的关系如下：

式中：E1—摄像机技术规格中给出的照度

f1—摄像机技术规格中给出的光圈开度

E2—演区的照度

f2—常用的光圈开度值(对应E2)

通过公式我们可以推算出E2的值, 演区的照度由此而定。在实际工作中，由于被摄对象的平均反射率固定不变，摄像机电子快门关闭，照度和光圈的互补关系就直接影响CCD的曝光量。在不改变照度的情况下, 通过光圈调整达到画面正常曝光;在不改变光圈的情况下，通过照度调整达到画面正常曝光。但这种曝光互补的关系并不能帮助我们彻底解决问题。我们还要考虑场景的光比问题。

4 场景的光比范围与摄像机光圈之间的关系

我们知道，摄像机系统里成像装置的宽容度是1∶32，大概是5级光圈的变化量。超过这个范围，监视器将以全白或全黑来显示。如无特殊要求，这并不是我们想看到的，对于灯光设计师来说，在场景物体反射率固定的情况下，控制光比显得尤为重要。因为光比控制着场景的亮度范围，控制着电视画面的对比度，这时光圈也不能是固定的，因为镜头里的景别在不断切换中。

4.1 光比范围大于摄像机宽容度时

这是我们遇到最多矛盾的时候，我们知道人眼视网膜上有锥体和杆体两种细胞，它们使得人眼的宽容度可以达到1∶10000，让人眼感到最佳舒适的宽容度也有1∶100，远远超出了电视摄像机的宽容度。在很多大型的综艺晚会中，导演往往侧重现场效果，灯光设计师要通过较大的光比来获得现场的画面对比度，从而达到人眼的舒适范围。而这些过大的光比完全超出了摄像机的宽容度，虽然我们可以根据画面、景别通过调整光圈进行取舍，如在镜头的运动拍摄中，起幅和落幅的镜头画面光比过大时，通过光圈调整，达到理想曝光，让电视观众觉得画面流畅。但当同一画面(如全景镜头)中出现场景亮度的两极时，光圈的调整根本不能解决问题。

在我台访谈类栏目《夜话》中，由于舞台场景里有高反射率的物体(白色沙发)，当白色沙发和人脸在中景镜头里出现时，若以人脸为曝光依据，则白色沙发的输出电平在波形显示器上将超过100%，限幅了(见图3)。

经测定，人物正面光垂直照度为400lx，逆光垂直照度为600lx，光比为1∶1.5，人物造型效果很好。但是，由于面光和逆光的光区没有控制好，致使白色沙发同时接受了面光和逆光的照射，尤其是沙发被上方垂直照度达400lx+600lx=1000lx，沙发的反射率大概为40%，人脸大概为2 0%，这样，人脸和沙发之间的光比就是400X20%∶1000X40%=1∶5，由图2可知，曝光基准点亮度和最高亮度之比为1∶4，即两档光圈。显然，1∶5超出了摄像机的宽容度范围。如果收小光圈，使沙发正常曝光，则人脸显得灰暗(见图4)，显然光圈的调整是无能为力的。

这种光比过大的问题只能通过灯光设计师的调整来解决。通过控制逆光的照射范围来控制亮度比，即逆光避开沙发，只投射到人物的头部和肩部，这时人脸和沙发的光比就是400X20%∶400X40%=1∶2，即相差1档光圈，符合摄像机的宽容度范围，人物和沙发兼顾而获得层次清晰的画面效果(见图5)。

同样，为什么画面中被摄对象的背景亮度不够时，盲目地增加场景整个照度会适得其反?这种现象的出现也是光比范围太大造成的，被摄体太亮，摄像机光圈以被摄体为曝光依据时，背景就会显现不出，这时可以通过增加背景亮度或减少主体亮度达到场景合适的光比。如果盲目增加整个场景照度，只会导致摄像机光圈收小，摄像机的输出电平不足。

类似为什么场景的霓虹灯或LED灯饰在电视画面里与人物的关系不协调?也是光比问题，在全景镜头里很漂亮的灯饰，一旦出现在中近景镜头里就会比人脸亮，导致人脸暗淡无光。我们可以通过增加人脸照度或减少灯饰亮度来缩小人脸与灯饰的光比，达到适宜曝光。大多数情况下，霓虹灯或LED灯饰都具有色彩，光比的问题还带来色彩还原等一系列问题，应该引起舞美设计和灯光设计的共同注意。

此外，还有画面的两极亮度范围并不是灯光设计师控制光比能解决的情况，这时，只能根据画面的表现意图进行光圈调整。如在一些户外大型的文艺演出中，焰火的燃放必不可少，它瞬间在画面里产生的亮度远非上一幅画面光圈所能接受，为了在全景画面里表现出欢乐的气氛，光圈要即时调整，以达到烟火的正常曝光。图7为《2005广东国际旅游文化节闭幕式晚会》灯光焰火效果，我们可以看出，没有焰火的时候，灯光效果得到很好的再现(见图6)，当焰火燃放的时候，通过收小光圈“牺牲”灯光效果，让焰火得到很好的再现。导演觉得灯光效果不够“亮”，是因为眼睛距离景物太远，失去了分辨细节的能力，这如同在阳光明媚的白天，看不清远处人的五官一样。

这时靠开大光圈和增加照度都是徒劳的。不过，焰火效果一般时间很短，不会对灯光效果产生太大影响，恰恰是改变现场节奏气氛的一种手段。

4.2 光比范围小于摄像机宽容度时

这种情况虽然没有超出电视的宽容度，但是电视画面显得很平，失去了层次。反映在示波器里就是底电平太高、动态范围太小，缺少全面亮度的底电平画面就会向中灰“偏离”，电视画面失去基准黑和基准白，就会显得灰蒙蒙。

4.3 光比范围适中于摄像机宽容度时

这种情况是场景的光比正好在摄像机的宽容度内，我们通过适当的光圈调节可以得到优质画面。这就是为什么现场的场景显得灰暗平淡而电视画面却层次丰富的原因。现场的光比范围更是低于人眼的舒适度范围1∶100，所以人眼觉得现场平淡灰暗，但现场的光比范围正好适合摄像机的“舒适”范围，我们通过调节光圈，让这一范围正常曝光，就能获得优质画面。虽然光比范围达不到人眼宽容度，但照度达到人眼舒适范围，电视画面的效果也很好，这也是灯光设计师通过控制光比，同时兼顾现场观众和电视观众的最佳手段。

综上所述，摄像机的光圈和场景的光比有千丝万缕的关系。这就要求灯光设计师既要了解各种摄像机的技术标准，严格按照标准控制好照度、光比，又要从电视美学的角度合理布光，为广大的电视观众提供清晰透亮、色泽明快、层次丰富的优质电视画面。

参考文献

[1]　方德葵.《电视数字摄录像技术》.中国广播电视出版社.

[2]　郑国恩《.影视摄影艺术》.北京广播学院出版社.

[3]　沙占祥《.摄影手册》.中国摄影出版社.

[4]　李培林.《现代摄影造型艺术》.中国广播电视出版社.

[5]　布莱恩·布朗《.影视照明技术》.中国传媒大学出版社.

低照度条件下如何提高图像质量 篇6

1 提高图像质量的计算机处理技术

计算机图像处理即数字图像处理,先把图像信号转换成数字信号,并利用计算机对图像进行去噪、分割、编码、压缩、增强、复原和特征提取处理的方法和技术。

数字图像处理技术涉及计算机学、信息学、数学、生物学及物理学等多种学科。根据不同的应用领域要求,数字图像处理技术主要有以下7个重要分支:图像的获得与输出、图像变换(如傅里叶变换、小波变换、沃尔什变换、离散余弦变换等)、图像编码压缩、图像的增强和复原、图像分割、图像描述及图像识别和检测。计算机图像处理技术是利用计算机、摄像机以及其他有关数字技术,对图像施加某种运算和处理,从而让图像更为清晰。它的主要原理是:用图像采集卡和摄像机将外界图像转换为以红(R)、绿(G)、蓝(B)三个原始灰度值表示的数字图像,然后运用计算机的相关软件对其进行分析、加工、处理和输出。

当前图像处理应用领域遍及人们工作和生活的方方面面,在航空航天(如月球表面地图绘制)、卫星拍摄(如利用陆地卫星图片进行资源调查勘察、灾害监测)、生物医学工程(如CT影像、癌细胞识别、染色体分析以及超声波图像处理、X光肺部图像增晰、立体定向放射治疗、心电图分析等)、医学诊断、军事侦察(三维景物的理解和识别)、通信工程、文学艺术(如电视画面的数字编辑、电子游戏图像和动画的制作、服装设计制作、发型设计、运动员动作分析等所谓的计算机美术学)、电子商务(如身份认证、产品防伪和水印技术)、军事和公安方面等都有涉及,公安方面主要是指纹识别、人脸识别、碎图复原以及交通监控、事故分析等图片的判读分析。目前城市道路电子警察对车牌的识别就是应用了图像处理技术,图1为数字图像处理技术在车牌识别中的应用流程。

低照度图像质量的提高主要有图像去噪技术和图像增强技术两个阶段。

2 图像去噪技术

低照度图像在人们生活中随处可见。如广场、交通要道、住宅区、办公楼等重要公共场所安装的摄像头、监控系统在夜间由于光照弱而捕捉到的低照度图像。

2.1 低照度图像来源

高清监控摄像头的普及使用使得人们越来越能拍摄到质量较高的图片。但是在实际摄影过程中,由于拍摄环境光源缺失或者光照条件不足等常引起图像偏暗的现象,从而产生了低照度图像。这些图像经过存储、转换、传输等操作后,更进一步降低了低照度图像的质量。这里面有两个重要的因素:光照的影响和图像的成像条件,前者如图像中的亮度、对比度的变化和阴影等,后者如摄像设备的焦距、成像距离、图像获得的途径等。

2.2 摄像设备核心参数技术

摄像机关键参数有像素数、传感器尺寸、扫描类型(逐行扫描还是隔行扫描)、最小照度以及感光传感器类型。如海康威视的一款日夜型枪型数字摄像机DS-2CD4024F-SDI,其传感器类型是1/2.8"Progressive Scan CMOS,其像素数是200万,传感器尺寸是1/2.8英寸(自然要比1/3尺寸要好,尺寸越大,影像质量越高),扫描类型是逐行扫描(比隔行扫描要好),最小照度:彩色为0.01Lux@(F1.2,AGC ON),黑白为0.001Lux@(F1.2,AGC ON),最低照度Lux是测量摄像机感光度的一种方法,换句话说,摄像机能在多黑的条件下可以看到可用的影像。具体地说,ILux等于1支蜡烛从1米外投射在1平方米表面上的光的数量。10Lux等于10支蜡烛从1米外投射到物体表面的光的数量。照度越小对拍摄环境光源光线要求越低,就是说可以在较暗的照明条件下得到干净的图像,目前最低照度多为理论计算值。ILux的摄像机据说能在1支蜡烛的光亮下离物体大约3米以外的地方拍摄到亮度正常的影像。如今市场上的许多摄像机就能做到。问题是所得到的图像质量并不好,画面全是雪花般的噪点,清晰度和色彩还原都十分差。

2.2.1 核心部件感光传感器

CCD和CMOS在制造上的主要区别是:CCD是集成在半导体单晶材料上,而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上,工作原理没有本质的区别。CCD只有少数几个厂商(如索尼、松下等)掌握这种技术。而且CCD制造工艺较复杂,采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少,所以很多摄像头生产厂商采用CMOS感光元件。

2.2.2 成像方面

在相同像素下,CCD的成像通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光也都不太好,由于自身物理特性的原因,CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性,因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。CMOS传感器非常快速,比CCD传感器要快10～100倍,因此非常适用于高帧摄像机。

CMOS传感器是一种通常比CCD传感器低10倍感光度的传感器。因为人眼能看到1Lu×(满月的夜晚)以下的目标,CCD传感器通常能看到比人眼略好在0.1～3Lux,是CMOS传感器感光度的3到1 0倍。CMOS传感器的感光度一般在6～15Lux的范围内,CMOS传感器有固定比CCD传感器高l 0倍的噪音,固定的图案噪音始终停留在屏幕上,好像那就是一个图案,因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用,因此大量应用的所有摄像机都是用了CCD传感器,CMOS传感器一般用于非常低端的家庭安全方面。在安防视频监控方面,国内多数厂家(如海康威视、大华科技等)也都采用CMOS感光传感器。

2.3 图像降噪去噪技术

低照度图像主要噪声源有随机噪声、量化噪声和脉冲噪声三种。随机噪声包括摄像管摄像产生的读出噪声及其客观环境中的干扰噪声。量化噪声是指摄像机使用放大和处理电路对信号进行采样/量化处理时产生的量化噪声。脉冲噪声包括传输过程中产生的脉冲噪声和存储图像带来的噪声。在低照度图像中,CCD摄像管摄像产生的读出噪声是影响图像质量的主导噪声。如海康威视的视频监控产品大都支持3D数字降噪,图像去噪是图像处理的前提,图像处理领域重中之重,有着广泛的应用价值。传统的去噪复原方法有均值滤波、中值滤波、维纳滤波以及形态学滤波等。其中,均值滤波对图像中的颗粒噪声有较好的抑制作用;但容易引起模糊现象,且模糊程度与领域半径成正比。中值滤波器相比于其他滤波器,不需要图像的统计特性,在去除噪声的同时可以保护图像的边缘,但容易丢失一些图像细节。维纳滤波采用最小均方误差准则,能根据图像的局部方差调整滤波平滑效果,滤波效果比均值滤波好,尤其善于保留图像的边缘和其他高频部分,常用来去除白噪声。近年来,图像去噪方法的研究有了很大进展,出现了基于小波变换、稀疏字典以及基于子空间的图像去噪方法等,滤波效果上取得了显著的改善。各种方法的性能可以通过实验进行对比和评估,如图2是采用小波变换算法降噪前后图像对比。

3 图像增强技术

图像增强的目的在于以下两个方面:一是提高图像的清晰度、改善视觉效果,便于人眼观察。二是增强图像某些特征,便于计算机分析处理。

3.1 图像增强算法介绍

常用的图像增强方法有:直方图均衡、灰度变换、图像锐化、彩色增强、噪声去除、频域滤波以及几何畸变校正等。图像增强一般都带有较强的针对性,并与感兴趣的图像特征、观察者的目的和处理习惯等因素密切相关,所以想要找到一种普遍适用于各种场景的图像增强算法尚不存在。于是,为了对不同场景的图像进行特定目的的效果改善,便产生了多种图像增强的算法。

3.2 增强算法的改进

传统的图像增强算法一般分为基于空间域的图像增强算法和基于变换域的图像增强算法。点运算和模板处理是空间域增强法的两种操作,前者为对某个像素点的像素值进行处理变换,与该像素点周围的其他像素点无关,而后者是在该像素点的邻域内进行的,与周围像素点密切相关。变换域增强法是对图像频谱进行傅立叶变换、增强频谱、抑制干扰,再经傅立叶逆变换得到增强图像。日趋成熟的图像增强技术形成了诸多经典的处理算法,不过新的增强技术层出不穷。如局部对比度图像增强算法、基于小波变换的图像增强算法、基于模糊逻辑理论的增强算法、基于数学形态学方法的图像增强等,致力于视频监控设备技术更新改进快的一般也会应用新的算法,以满足现代复杂社会对低照度下治安监控的需求。

3.3 适合低照度图像增强的算法

低照度图像灰度范围窄、灰度变化不明显,且相邻像素的空间关联性高,这些特点使得图像中的细节、背景和噪声等都包含在较窄的灰度范围之内。因此我们希望能通过一种图像增强算法处理后,既能突出局部细节,又能使整幅图像得到亮度的提升,便于人眼分辨。但是目前传统的图像增强算法很难将二者兼顾。由于小波变换能同时体现时域和频域的特征,并具有既能提取出图像的边缘,又能提取整体结构的双重优点,故该方法适于对低照度图像进行增强处理(图3)。

目前图像增强效果还没有统一的评价标准,这是由于缺乏对图像进行主观判别的度量工具。因此图像增强技术的研究具有一定的多样性。

4 结束语

总之,低照度图像质量的提高需要从图像采集的设备感光传感器选择入手,图像存储时考虑降噪器件,加上现在的红外防曝等技术,对低照度下主要噪声源进行分析,应用合适的图像增强算法进行后期的图像加工处理,从而能得到比较满意的图像质量。

参考文献

[1]张玮雄,刘建霞.数字图像处理技术的发展现状及趋势[J].科学之友,2012,3(06)

[2]彭波.低照度图像去噪算法的研究与实现[J].计算机应用,2010,6(6)

照度计算 篇7

色彩恒常性是指在不同的外界环境中, 人眼对物体色彩的感知在一定程度范围内总是保持恒定, 色彩恒常理论模拟人类视觉系统的这一特殊功能实现对图像的处理, 提高图像的可识别度, 使图像具有更好的视觉效果。

第一个描述人类视觉系统的色彩恒常性的算法是由Land和Mc Cann提出来的[1,2]。该彩色理论通过组合两个词retina (视网膜) 和cortex (皮层) 而称为Retinex理论。而后Land提出随机步行算法用来解决图像中照度不均匀的问题。由于随机步行算法复杂度较高, Jobson等人提出了经典的中心/环绕理论 (SSR) [3]来降低复杂度。但SSR由于尺度不同会产生不同的问题, 因此有学者提出多尺度Retinex (MSR) [4]用来解决不同尺度带来的问题。由于MSR色彩失真较大, 后来提出了带色彩恢复的Retinex (MSRCR) , 相对于MSR在色彩保持方面具有很大优势。在对环绕函数的选择上, Jobson在详细考察了各种不同环绕函数的性质和效果后发现:高斯形式的环绕函数综合效果最好。在尺度的选择上提出了自适应的参数选择。

本文将针对MSRCR算法在低照度图像处理中存在的颜色恢复失真问题, 研究色彩恢复函数对处理后图像的影响。通过改进色彩恢复函数, 提高图像的信息熵以及清晰度。

1 Retinex数学模型

1.1 单尺度Retinex算法

SSR算法是在Land提出的中心/环绕Retinex的基础上发展起来的, 由于该算法数学形式以及物理实现都相对简单, 因此应用较广泛。其数学形式为

式中:Ii (x, y) 为输入图像的第i个颜色通道;*表示卷积;Ri (x, y) 表示Retinex的第i个通道的输出;G (x, y) 为归一化中心/环绕函数。即

式中:σ为尺度参数, 在离散情况下满足

1.2 多尺度Retinex算法

由于单尺度Retinex算法存在色彩保持和细节突出等方面的矛盾, 因此提出了多尺度Retinex算法解决上述矛盾。许多文章提到了MSR与SSR以及直方图均衡等方法的效果对比[5,6]。多尺度Retinex是对单尺度Retinex的发展和延伸, 它是几个单尺度Retinex的加权组合。其数学形式为

式中:Ri (x, y) 为第i个尺度的SSR结果;ωi是第i个尺度的加权系数, 并且满足ωi之和为1;N为尺度数, 一般是3个尺度, 分别是大尺度、中尺度、小尺度。根据文献[5]其经验值为:小尺度为图像的1%~5%;中尺度为图像大小的10%~15%;大尺度为图像大小的30%~50%。

1.3 带色彩恢复的Retinex算法

SSR或者MSR算法处理RGB图像时, 分别处理R, G, B这3个分量图, 由于R, G, B各个分量图单独处理, 在这个过程中3个通道有各自对应的补偿和增益, 因此它们之间的比例关系会发生改变, 造成颜色失真。将带色彩恢复的多尺度Retinex算法方法引入原始图像中3个色彩通道之间的颜色比例, 对MSR结果进行处理, 通过乘性色彩恢复函数的作用克服图像颜色的不饱和或失真, 从而使得图像具有更好的颜色呈现。

式中:Ii1 (x, y) 为第i通道的比例因子;β为一常数;Rmi (x, y) 为SSR的第i通道处理结果;RMi为输出结果的第i通道。通过实验仿真可以看出MSRCR是MSR处理结果向原始图像色彩靠拢的结果。

1.4 自适应补偿/增益

无论以上哪种Retinex算法都在对数域中进行, 经常会出现负值, 这时候需要通过补偿/增益[7]将像素值转换到显示器的显示范围内。补偿/增益的重点是找到起点和增益的倍数。假设处理后的图像所有像素值分布服从高斯分布, 经过模拟仿真在均值上下1.85倍标准差左右截取, 并将在这一区间的像素值线性地映射到0~255是一个效果较好的选择, 如图1所示。这时处理后的图像信息熵较大, 从而实现了处理后图像的自适应补偿增益。

2 余弦色彩恢复函数

Rahman等人认为Retinex不是作为人类视觉颜色常性的模型, 而是作为数字图像增强的一个平台, 从而不仅对比度得到了改进, 颜色常性、亮度或色彩再现也得到了改善[7]。

在MSRCR中采用了色彩恢复因子, 使得处理后的图像颜色更加接近原始图像的颜色。根据Rahman等人的论述, 可以设计不同类型的色彩恢复方案用来恢复处理后图像的颜色。

在式 (6) 、式 (7) 中, 通过MSR处理结果乘以恢复因子, 以达到处理后图像颜色与原始图像颜色相接近的效果, 从而以使颜色接近。通过式 (6) 和式 (7) 得到的图像有些像素颜色与原始图像出入较大。这是因为式 (6) 中每个像素均与色彩恢复因子相乘, 而且β为一个常数, 对于与原来颜色差别不大的像素也乘以一个比例因子, 所以颜色会发生较大的失真, 所以β应该为一个随色彩失真程度而变化的数值[8]。

传统做法是单独处理每个颜色通道, 割裂了颜色本身, 同时也受到光照的影响。将图像中每个像素的颜色看作三维矢量空间中的1个矢量, 其中R, G, B分别是这个矢量的3个分量, 这样把颜色当作1个矢量处理, 而不是分开处理。再去掉光照影响, 3个分量的比值就代表该颜色, 可以考虑用色彩矢量之间的夹角余弦值来描述不同颜色之间的区别[9], 这个夹角范围是[0, π/2]。若夹角为0, 余弦值为1, 此时认为两个颜色相同;若夹角为π/2, 余弦值为0, 则两个颜色差异最大。本文设计的方案即根据夹角余弦值对MSR结果进行调整, 使之与原始图像的颜色更加接近。当处理后图像像素矢量与原始图像像素矢量夹角较小时, 说明颜色改变不大, 因此只进行小幅度调整;当夹角较大时, 说明处理后颜色失真很大, 根据实际实验观察, 这往往体现在亮度上, 因而要大幅度调整其亮度以及颜色。

2.1 算法步骤

本文所提算法步骤如下:

1) 假设原始图像为I, 根据原始算法计算出单尺度处理结果I1;

2) 计算I1与I对应像素的夹角余弦值矩阵cosθ (i, j) ;

3) 计算i通道的色彩恢复函数

4) 计算图像RMij (x, y) =Rmi (x, y) Ci (x, y) , 得到第j个尺度的图像RMj, 再经过自适应补偿/增益即可得到单一尺度的带色彩恢复图像;

5) 将几个尺度处理图像加权相加得

2.2 算法分析

若令算法里的β=0, 则色彩恢复函数可以化简为

这就变成了经典的色彩恢复函数, 因此本文色彩恢复函数是原始恢复函数的一个推广。它在处理低照度图像的时候具有更加优良的性质。

3 实验分析

图2采用了4幅具有一定代表性的低照度图像进行比较和分析, 根据文献[7]从均值、标准差、信息熵、清晰度4个角度对原始色彩恢复函数 (图3) 与本文的余弦色彩恢复函数 (图4) 进行了对比和分析。

通过表1可以看出:本文的色彩恢复函数在标准差、信息熵和清晰度不同程度上优于原始算法, 即图像的层次比原算法更加鲜明, 图片中纹理较复杂, 所含信息量较高, 清晰度也高于原始算法。

4 小结

本文在对基于Retinex理论的图像增强算法研究的基础上, 给出了余弦色彩恢复函数。在余弦恢复函数中使用了颜色的矢量夹角, 较好地解决了因光照不均匀产生的颜色失真问题, 使得图像颜色与原始图像更加接近, 提高了图像的清晰度。对比仿真实验显示:相对于原始带色彩恢复的Retinex算法, 本文的色彩恢复函数具有更好的色彩恢复能力和效果。同时原本不清晰的图像层次感、纹理细节、清晰度也得到改善。

参考文献

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[2]LAND E.An alternative technique for the computation of the designator in the retinex theory of color vision[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1986, 83 (10) :3078-3080.

[3]JOBSON D J, RAHMAN Z U, WOODELL G A.Properties ans perform-ance of a center/surround Retinex[J].IEEE Trans.Image Processing, 1997, 6 (3) :451-462.

[4]RAHMAN Z U, JOBSON D J, WOODELL G A.A multiscale retinex forcolor redition and dynamic range compression[EB/OL].[2012-12-02].http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.55.6939.

[5]朱静.色彩恒常性理论及其在图像增强中应用研究[D].北京:中国矿业大学, 2011.

[6]刘高平, 赵萌.基于亮度的自适应单尺度Retinex图像增强算法[J].光电工程, 2011, 38 (2) :71-77.

[7]赵晓霞.基于Retinex理论的视频图像增强系统研究[D].北京:中国矿业大学, 2011.

[8]李建彬, 韩军, 邱君华.基于Retinex的旧视频序列增强算法[J].电视技术, 2011, 35 (5) :21-24.

舞台照明照度检测机器人的设计 篇8

人工检测就是手持照度计在舞台上逐点检测, 需要采集多组数据, 是相当耗时耗力的工程。舞台照明检测机器人是一个智能化的数据采集机器人, 具有数据采集智能化、低成本化、检测动态化等优点。与传统的人工采集相比, 提高了数据采集的智能度、采集便利性、安全性, 可填补舞台照明照度检测技术领域的不足。

1 舞台照明检测机器人整体设计

1. 1 检测机器人整体框架设计

该系统以STM32F103C8T6 微控制器为核心, 与它连接的各个模块有数字照度传感器、电机驱动模块、电子罗盘、光电编码器、上位机模块数据传输单元等。微控制器的功能是采集并处理各个传感器的数据, 以及控制行走路线。舞台照明照度检测机器人整体框架设计如图1 所示。

1. 2 系统设计思路

舞台照明照度检测机器人在运行时, 微控制器每隔一定时间读取电子罗盘的数据, 经处理后, 校正检测机器人的行走路线, 使之沿预先设定的轨迹行走。与此同时利用光电编码模块计算脉冲个数, 当脉冲计数达到设定值时, 即代表已行走完一个单元格。检测机器人开始转换获取数字照度传感器的数据, 并将自身的坐标信息和照度值以事先设定的通信协议传输到上位机。当检测机器人正在工作时, 将使用警示单元发出警示信息, 即使用警示灯以一定频率闪烁。

2 检测机器人硬件电路设计

舞台照明照度检测机器人在硬件方面主要包括: (1) 电源系统设计。 (2) 驱动保护模块。 (3) 电机驱动模块。 (4) 光电编码模块。 (5) 显示模块。 (6) 数字式照度传感器模块。 (7) 电子罗盘模块。 (8) 数据传输模块。下面对其中的一些模块进行介绍。

2. 1 光电编码模块

光电编码模块由振动器LM555、一体化光电接收器VS1838 及电阻、电容等组成。该模块在系统中的主要作用是计算检测机器人的行走距离。

2. 2 数字式照度传感器模块

BH1750 是一款性能较好的光照度传感器, 它内部集成了高达16 位的模拟数字转换器, 能够直接将光照度值转换为数字信号并存储在内部存储器。和传统的光照度采集电路相比, 它既简化了电路, 又省去了传统采集电路中复杂的信号调理电路。强大的分布率可以实现更广范围的光照度感知。

2. 3 数据传输单元

数据传输单元采用2. 4G无线传输模块, 该模块利用2.4GHz免申请频段发射接收频率, 能实现数据的高速传输。该模块能工作于跳频模式、定频模式, 这里使用的是定频模式。使用模块之前, 需初始化配置该模块, 利用生产商提供的上位机软件即可配置该模块。

3 系统软件的设计

3. 1 机器人系统软件的设计

软件设计主要包括主程序设计, 机器人拐弯程序设计, 以及前进一个单元格的程序设计, 下面对其进行详细的介绍。

3. 1. 1 主程序设计

系统在开机后, 一直处于等待指令状态。直到用户发送完所有的指令后, 系统接收指令并按照指令中包含的信息初始化检测机器人。之后检测机器人开始工作, 如果工作过程中出现电机驱动模块电流过大, 微控制器将采取自我保护措施, 以免电流过大损坏驱动芯片。如果在系统运行时想停止检测或想校正检测机器人行走路线, 可以发送指令实现。系统工作流程如图2。

3. 1. 2 转弯程序设计

在启动检测机器人后, 系统会将当前的角度值和各个拐弯时的基准角存入数组。当开始拐弯时, 系统将每隔42 ms读取一次当前角度值, 并计算出与上次获取的角度值的差值。若该差值过大, 即判断该数据异常, 不被累加。否则累加该差值, 当总的累加值大于90°时, 及代表拐弯完成。

3. 1. 3 前进一个单元格的程序设计

检测机器人的行走是建立在单元格之上的, 所以前进一个单元格的程序设计很重要。因电机的制造误差和轮子的误差, 检测机器人的行走免不了会偏离轨道。经实际的测试, 在不加软件修正行走路线的情况下, 检测机器人必定偏离路线, 所以必须在软件上修正行走误差。

3. 2 VB上位机软件的编写

应用VB编写上位机程序控制下位机来对舞台照明照度进行测试, 舞台照明照度检测机器人上位机界面启动并控制机器人按程序设计进行规则运动; 在检测光源的过程中, 通过无线数据传输AS14 - TTL模块发送给上位机; 上位机将通过无线数据传输模块接收到的数据进行处理, 并实时画出三维照度曲线统计图, 在调试时我们对实验室的照度进行采集, 采用每隔10 cm采集1 个数据, 逐行采集8 个数据后, 实时画出照度曲线图。

4 结语

针对智能化的舞台照明检测系统提出了一个解决方案并制作出相应的检测机器人。该检测机器人配备数字化传感器, 具有精度高、电路简洁等优点, 全自动化的数据采集与处理, 直观地绘制出所需要的实时照度三维曲线图, 极大地增加了数据采集的便利性, 解决了传统的人工逐点检测方法的缺陷。

摘要：设计了一种以STM32F103C8T6控制器为核心, 使用电子罗盘模块GY-26以及照度传感器BH1750分别提供行走方向和照明照度检测, 并以一定的通信协议将采集到的数据发送到上位机, 最终实时绘制出所需要的舞台照明照度三维曲线图。解决了传统的人工采集数据时采集不够便利以及采集误差大等问题。

关键词：STM32F103C8T6,检测机器人,三维曲线图

参考文献

[1]廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京:中国电力出版社, 2012:90-93.

[2]熊有伦.机器人技术基础[M].湖北:华中科技大学出版社, 1996:464-470.