车载式道路照明眩光测试的影响因素分析

刘 艳，尤 源，罗爱顺，秦大为，阮亚飞

(1.新能源与电子工程学院，盐城师范学院，江苏 盐城 224002；2.上海科涅迩光电技术有限公司，上海 200000)

引言

眩光是由多盏路灯在人眼视网膜上共同作用的结果，与驾驶员的真实目视效果存在一定偏差。道路照明中所使用的电光源种类繁多，有LED光源、金卤灯、无极灯、高压钠灯等，但随着城市亮化工程的实施，很多电光源亮度过高，光通量设置不合理，引起行人和驾驶员产生不舒适眩光和短期失能眩光[1]。例如很多发生在隧道口的交通路事故正是照明光源的眩光诱发的[2，3]。因此对道路照明眩光源的检测对道路安全具有重要的社会意义[4]。

道路照明室内眩光检测一般在室内暗房中利用旋转式或卧式分布光度计对电光源及其灯具进行定量测试，其测试精度高、稳定性好。而道路照明眩光户外测试环境复杂，比如有景观灯、广告牌、红绿灯、路面反光、汽车前大灯等干扰[5-7]。如何在复杂的环境中准确测试路灯的眩光阈值增量已成为众多专家和电光源企业关注的热点问题[8-13]。户外检测通常采用点式亮度计和成像亮度计，但测试工作量巨大和存在安全隐患。

因此我们积极探索一种适用于数码相机的车载式快速眩光测试系统，对复杂的测试环境中的相机倾斜角度、曝光时间、滤光片，以及汽车的振动和车流、绿化带树木、路面平整度等各种影响因素进行定量研究。

1 车载式道路照明眩光测试系统

1.1 车载式道路照明眩光测试原理与测试系统

我们设计的车载式道路照明眩光测试系统是一种在汽车静止时对路灯眩光阈值增量测试系统。先将车载专用的相机吸盘将相机支架放置在距离路面1.5 m高的汽车玻璃挡板上，然后固定好数码相机，如图1所示。再将笔记本电脑与相机可靠连接后，放置在汽车的合适位置。

图1 车载式眩光测试装置Fig.1 Pictures of vehicle-mounted glare tester

由于道路照明环境存在较高亮度的光源以及较低亮度的路面区域，因此数码相机采用CR2原始数据格式的图片，其动态范围只有3 200∶1。为了满足道路照明眩光评价的要求，我们采用高动态的测量方法分别对光源采用短曝光1/800 s(亮度测量范围在500～50 000 cd/m2)，对路边广告牌采用中等曝光1/25 s(亮度测量范围在1～1 000 cd/m2)，对路面亮度采用长曝光5 s(亮度测量范围在0.01～5 cd/m2)，通过眩光分析软件进行高动态转换得到整个照明现场环境的亮度信息。

利用佳能70D相机17 mm的标准镜头、光圈F4、ISO100的数码相机实时采集汽车前方60～160 m范围内的目标区域图片。图2(a)～(c)分别在长曝光5 s，中等曝光 1/25 s和短曝光1/800 s采集3张道路照明照片，其中长曝光主要确定背景信息，中等曝光目的是眩光源定位确认，短曝光目的是提取眩光源信息。

图2 现场眩光测试照片Fig.2 Pictures of test glare on the road

按照EN 13201—2015和CJJ 45—2015标准，确定视场方向和路面区域。通过软件实现路面的梯形区域转换成矩形。根据单反相机成像系统的物象关系，空间物体F(θ,φ)的坐标信息与传感器芯片上的位置f(x,y)一一对应，如图3所示。通过对单反相机进行空间位置的标定获取每个像素所对应的空间角度信息(θ,φ)。根据式(1)得到每个像素对应的空间立体角Ω。

dΩ(x,y)=dθdφsinθ

(1)

图3 亮度和空间位置信息标定示意图Fig.3 Luminance and spatial position information calibration diagram

根据目标区域中的每一盏眩光源所对应的角度和空间立体角，计算垂直面照度和光幕亮度[15，16]。若某个光源光幕亮度大于前面光源光幕亮度之和的2%时计入总光源光幕亮度。

EV=LS×Ω×cosθ

(2)

(3)

(4)

式中NAge为观察者年龄，通常取23岁。

根据式(2)～式(4),可计算道路照明眩光阈值增量:

(5)

其中LB为道路平均亮度，可通过长曝光照片分析得到。通过自编软件提取驾驶员前方眩光源信息，如图4所示，分析和计算各个路灯眩光源眩光阈值增量，并自动计算总的阈值增量。

1.2 车载式道路照明眩光测试系统精度测试

由于户外检测干扰因素众多，为了确定本系统的测试精度，采用文献[14]的室内UGR眩光评价方法对本系统测试数据与光学软件模拟和点式亮度计测试结果进行比对。测试条件如下:房间大小24 m×2.2 m×3 m，墙壁反射率为90.2，天花板反射率为89.75，地面反射率为40.66(包含镜面反射)，面板灯发光尺寸为0.54 m×0.54 m，光源数量为6，面板灯到观察者高度距离为1 m。点式亮度计采用柯尼卡美能达的CS-200点式亮度计，而本系统采用佳能70D单反相机并配置焦距f=4.5 mm的鱼眼镜头，光圈调整为f4，ISO为100。将眩光亮度计放置到三脚架上调整高度至1.2 m，并使相机水平放置，相机中心正对前端墙壁中间1.2 m位置。

图4 眩光软件处理后的截图Fig.4 Glare software processing screenshot

表1中采用光学模拟方法，由于模拟软件只能模拟标准空间、灯具标准布置且墙壁反射率为经典的材料，因此模拟结果与点式亮度计和本系统测试结果存在一定的偏差。而本系统测试与瞄点式测量方法的数据结果相差很小。

表1 精度测试对比数据表

数码相机采用佳能70D相机，在光学暗室内进行亮度以及空间位置信息标定，A光源的亮度精度在±4%。其误差主要来自于自身光谱匹配的影响，随着亮度偏差的增加，UGR测量误差增大，如表2所示。

表2 亮度与眩光的关系

2 影响系统测试精度和重复性的因素

2.1 滤光片对车载式道路照明眩光测试的影响

采用车载式道路照明眩光系统对路灯光源和道路直接测试时，由于不同电光源其光强存在差异，特别亮的光源会导致拍摄图片过曝光。为了定量研究这种影响因素，选取江苏盐城市世纪大道某标准路段，并在数码相机镜头前加1 000倍衰减的滤光片进行眩光测试，从而分析有滤光片和无滤光片测试之间的差异。选取好标准道路的目标区域后，我们测得其滤光片对眩光测试的影响数据如表3所示。

表3 滤光片对眩光测试的影响测试数据

显然加滤光片后路面平均亮度重复性显著变好，无滤光片时总的阈值增量标准差为0.237，而加上滤光片的阈值增量的标准差为0.018，显然加上滤光片后其阈值增量离散度变小，稳定性变好。

众所周知，为了防止紫外线，汽车的玻璃上一般会被贴上抗紫外线和红外线的膜片，其膜片也是一种滤光片。由上述测试结果可知，无滤光片的平均阈值增量比有滤光片的大。因此，数码相机放置在汽车前挡玻璃内部和外部两种不同情况下，阈值增量会受到汽车贴膜的影响。如果要精确测试路灯眩光，对于内置式的眩光测试仪应在测试前对针对不同的膜片进行标定，在软件中系统参数里面增加修正系数，以减少汽车膜片对眩光测试的影响。

2.2 汽车倾斜度对眩光测试的影响

实测中，通常随着车子上的人员数量变动，汽车倾斜度会发生变化。汽车满员时或对称坐满时调平相机，使得相机光学中心对着前方60～160 m的待测区域，测试数据如表4所示。当前后排人数多于前排人数时，汽车会整体向上倾斜。当前排人数多于后排人数时，汽车向上倾斜；若左侧人数多于右侧，汽车向左倾斜；同理，右侧人数多于左侧，汽车向右倾斜。

表4 汽车不同倾斜状态下的测试结果

表4中汽车在不同倾斜情况下的相对误差差异大，最大的达到12.44%。因此为了精确测量眩光值，必须对车载式眩光测试装置中数码相机的固定支架增加自动调平装置。这样才能保证其测试精度和稳定性。

2.3 汽车振动对眩光测试的影响

为了考察汽车在未熄火状态时，汽车发动机的振动对数码相机数据采集的影响，实测中在其他测试条件不变的情况下，连续测试了汽车振动与熄火两种状态下路灯的眩光阈值增量，如图5所示。显然，汽车的振动导致阈值增量离散度变大，最大的相对偏差达到12.5%。因此，在不加减震装置之前，测试时保持汽车在熄火状态进行测试。

图5 汽车在振动与熄火两种状态下眩光阈值增量的变化关系曲线Fig.5 The change of glare threshold increment of automobile in vibration and extinguishing

2.4 不同色温的电光源对眩光测试重复性的影响

由于不同色温光源在强度及配光分布方面具有差异，我们仅对车载式道路照明眩光测试系统对不同色温电光源的测试稳定性和重复性影响进行定量研究。选取不同色温的LED路灯道路和高压钠灯道路进行眩光等级测试，其测试数据如表5所示。数据结果表明，对于不同色温的电光源测试标准偏差相差小，测试系统的稳定性和重复性达到测试要求。

2.5 外界其他干扰因素对眩光测试的影响

户外道路眩光测试比室内眩光测试干扰因素多，比如车流、绿化带树木、路面平整度、景观照明等等。GB/T 24827—2015《道路与街路照明灯具性能要求》要求道路眩光测量“观察者以与亮度计算时相同的纵向间距和点数移动，重复计算，得到一系列TI值，其中最大的即为所求的值”。因此我们选取盐城市青年路某路段，汽车在第1车道对前方道路60～160 m区域，在两个灯杆间距范围(60 m)内以3 m间隔对阈值增量TI进行逐点测试。考察其他道路干扰因素对TI测量结果的影响，其测试数据如表6所示。

表5 不同色温的路灯对眩光测试的影响

表6 有外界干扰的眩光测试数据

表6中，剔除有明显干扰的数据点，其总阈值增量的平均值为1.190。1～3号测试点是道路中间绿化带有树木，导致近处的路灯未被软件识别为眩光源，因此阈值增量偏低，最大的相对误差达到46.6%。且路对面的电光源被道路中间绿化带树木遮挡或汽车一侧路灯被路牙外侧树木遮挡，都会使得阈值增量降低；8～9、12、19～20号测试点是有车流干扰，同向行驶汽车的尾灯以及对面车道反方向行驶车流的近光灯都会对测试产生影响，使得阈值增量变高，最大相对误差达到139%；15号测试点测试时存在路面高低不平，使得阈值增量数值变化。显然，道路中有异物或测试时车内人员大幅度晃动，会对测试产生影响。

因此，在眩光实测过程中应注意以下几点：①选取标准路面进行测试；②实测过程尽量避免较大车流，如不封路测试可利用绿灯间隙无车流情况下测试；③选取干净路面进行测试，如有异物尽量避免，可通过拍摄图片是否有抖动重影来判断。

3 结论

我们针对滤光片、汽车倾斜度、振动、不同色温电光源、车流、树木等影响车载式道路照明眩光的因素进行了定量研究。数据结果表明，户外眩光检测受到外界干扰因素较多，其中不同色温的光源对眩光重复性影响较小，但是汽车的倾斜度和振动对眩光测试影响较大。另外滤光片对眩光的阈值增量数值大小也有影响，因此汽车的前挡玻璃上若贴了防止紫外线膜时，必须进行修正系数。因此，在研发车载式眩光测试系统时我们应该综合考虑上述因素才能准确测试和评价户外路灯照明的眩光。