光源閃爍對眩光評價的影響

04-30

阮亞飛

（上海科涅邇光電技術有限公司）

Abstract：

This article analyzes the effects of light flicking during the glare measurement. For the measurement of light source part, high dynamic mode and flashing analysis mode were respectively used to analyze the influence of standard deviation and repeatability of glare measurement results at different exposure time. When the exposure time is much less than the blinking period of the light source, the influence of the Kernel-70D Glare-meter over exposure can be avoided. However, the glare measurements are less reproducible and have poor accuracy. When the exposure time is longer than the flashing period of the light source, the deviation and repeatability of measurement results are greatly improved. When the exposure time reaches 10 times the light source blinking period, the influence of the light source blinking on the glare measurement result can be avoided.

摘要：

本文分析了眩光測量過程中，光源閃爍對眩光測量結果的影響。針對光源部分的測量，分別採用了高動態模式和閃爍光源分析模式分析了在不同曝光時間對眩光測量結果標準偏差和重複性的影響。當曝光時間遠小於光源的閃爍周期時，雖然可以避免眩光亮度計過曝對光源亮度測量結果的影響。但是眩光測量結果的重複性較差，無法給出準確的眩光測量結果。而當曝光時間大於光源閃爍周期時，測量結果的偏差和重複性有著極大的提高。當曝光時間達到光源閃爍周期的10倍時，可以避免光源閃爍對眩光測量結果的影響。

引言：

隨著成像檢測技術的發展，成像亮度計越來越多地應用於現場照明環境眩光的評價。目前國內對於眩光評價的研究已經取得了很大的進展[1,2]。由於現場照明環境具有較高的亮度差異，比如路燈亮度可達50k cd/m^2,而路面亮度大於在0.5-5cd/m^2的範圍內。而受限於CCD數字精度的影響，目前單幅畫面（16位）的數字信號強度只有65536，而單反亮度計（14位）的數字信號強度只有16384。因此目前的眩光評價多採用高動態的測量方法[3]。通過採用不同的曝光時間拍攝多幅亮度畫面分別實現對光源和背景曝光，採用高動態演算法完成整個照明場景的測量。對於F4光圈的單反眩光亮度計而言，1/640s的曝光時間可以測量10000cd/m^2的光源亮度。因此在實際測量中多採用1/640s-1/4000s範圍內的曝光時間對光源進行測量。

國內電光源的閃爍周期一般為100Hz左右[4]。由於供電電壓的波動，光源的光輸出會呈現周期性的波動。因此當單反眩光亮度計的曝光時間小於1/100的情況下。光源的閃爍將會對眩光評價的結果產生極大的影響，而光源閃爍對眩光評價的影響目前國內還沒有相關的研究。本文將道路眩光評價為例研究光源閃爍對眩光評價的影響。

一、眩光的評價

眩光的評價可分為室內眩光和室外眩光，室內眩光的評價主要依據國標GB50033[5]和GB0034[6]，室外道路照明檢測多依據GB5700-2008[7]和CJJ45-2015[8]。室外眩光以閾值增量TI眩光評價指標，EN13201定義的閾值增量的計算公式如下[9]：

因此閾值增量的評價需要識別每個光源並給出每個光源的垂直面照度和空間角度，並且如果某個光源光幕亮度大於前面光源光幕亮度之和的2%時則計入總光源光幕亮度。

而路面亮度信息需要給出整個路面的平均亮度、縱向均勻性和整體均勻性。由於二維成像亮度計拍攝的矩形路面經過鏡頭成像會顯示為梯形，因此對路面亮度分析時，需要將梯形路面做空間變換為矩形。

一、眩光測量方案和流程

本文採用的眩光亮度計為國內科涅邇光電的Kernel-70D眩光亮度計。

儀器參數：光圈F4、ISO 100、鏡頭焦距為17mm、調焦模式為手動調、圖像格式CR2原始圖像

眩光檢測模式：高動態模式和閃爍光源檢測模式

檢測路段：江蘇鹽城世紀大道路段

路燈類型：高壓鈉燈

測量高度：1.5m

實驗方案設計：為了考察光源閃爍對眩光評價的結果的影響，我們對光源圖像採用的曝光時間分別為1/4000s，1/200s，1/50s和1//10s。每個曝光時間分別拍攝5次。針對路面的曝光時間為3.2s，中間曝光時間為1/5s。

二、結果與分析

因為路面亮度的圖像採用的曝光時間為3.2s，遠遠超出光源的閃爍周期，因此閃爍對路面亮度的影響微乎其微。路面亮度的分析結果如下：

3.1 高動態模式眩光分析結果

五次測量的閾值增量的結果分別為2.5884、4.6623、4.7259、4.02和4，標準偏差為0.7692。重複性為19.42%。

分析第一個光源的平均亮度和閾值增量的變化

面積（像素）

平均亮度

閾值增量

TI百分比

566

8289.963

0.8208

31.71%

566

26175.6

2.5943

55.64%

566

33573.56

3.3281

70.42%

566

28635.28

2.8377

70.59%

566

28502.13

2.8256

70.64%

可以看到第一個光源的平均亮度存在著很大的變化，這是由於眩光測試時，1/4000s的曝光時間遠小於鈉燈的閃爍周期。因此其測量結果存在很大的隨機性，當測量時處於鈉燈閃爍周期的波谷時，光源的亮度較低，而當眩光亮度計測量時處於鈉燈閃爍周期的波峰時，光源亮度較高。

從表1可以看到第一個光源在閾值增量的結果中所佔比例最大，下面我們分析第一個光源在不同曝光時間下的面積、亮度和閾值增量的變化。

3.2 閃爍光源分析模式眩光分析結果

由於路燈亮度遠遠高於10000cd/m^2,因此在採用較短曝光時間的時候會產生光源過曝的現象，影響亮度測量結果。因此在考察短曝光時間下光源閃爍的影響時，需要採用閃爍光源測試模式，在短曝光的情況下降低進入鏡頭的光通量。

下圖為光源曝光時間採用1/200s、1/50s和1/10s時五次測量的閾值增量的變化圖。可以看到曝光時間在1/200s的情況下，閾值增量結果波動較大，而曝光時間在1/50s和1/10s則有明顯的改善。

分析不同曝光時間下測量結果的標準偏差和重複性如下圖所示，當光源的曝光時間小於燈具的閃爍周期時，測量結果的標準偏差較大，重複性較差，而當曝光時間為1/50s（光源閃爍周期的2倍）和1/10s（光源閃爍周期的10倍）時，測量結果的標準偏差較小，測量結果的重複性分別達到0.8961%和0.6259%，而Kernel-70D眩光亮度計本身的亮度測量結果重複性為0.5%，因此當曝光時間超過光源閃爍周期的10倍時，光源閃爍本身對測量結果的重複性的影響不再佔主導地位。

三、結論

通過採用眩光亮度計分析道路鈉燈閃爍對眩光測量結果的影響，發現目前針對光源亮度部分採用較低曝光時間的測量方法，雖然可以避免光源過曝對亮度測量結果帶來的誤差。但是由於光源閃爍的影響，眩光亮度計在測量光源時的曝光時間遠遠低於鈉燈的閃爍周期，因此導致測量結果的重複性較差，無法滿足現場照明環境眩光評價的要求。本文我們分別分析了眩光亮度計在1/4000s、1/200s、1/50s和1/10s曝光時間下眩光結果。1/4000s的圖像採用了高動態的分析方法，雖然光源亮度沒有產生過曝的情況，但是由於鈉燈閃爍的影響，導致了測量結果的重複性較差。因此在1/200s、1/50s和1/10s曝光時間測試中採用了軟體中的閃爍光源測量模式避免了光源過曝的影響，通過數據分析發現隨著曝光時間的降低，眩光測量結果的標準偏差和重複性越好。當眩光亮度計的曝光時間超過光源的閃爍周期時，眩光測量結果的標準偏差和重複性有明顯的降低。當眩光亮度計的曝光時間達到光源閃爍周期的10倍左右時，光源閃爍對眩光測量結果的重複性幾乎沒有明顯的影響。

本文僅僅分析了道路鈉燈閃爍對眩光測量結果的影響，而LED路燈和室內LED照明燈具的閃爍效應更加複雜[10,11]，因此還需要進一步對不同燈具的閃爍對不同眩光測量場景分析結果的影響。對進一步完善眩光分析理論和推動眩光測量技術的發展具有重大意義。

參考文獻

[1] 劉健，室內眩光測量方法的驗證性研究,2017

[2] 肖輝乾.林若慈.張志勇．窗亮度和不舒適眩光的研究，1982

[3] Tobias Porsch, Measurement of theUnified Glare Rating (UGR) based on using ILMD,2015

[4]林梅芬，電光源的頻閃問題，2008

[5]GB50033-2013,建築採光照明設計標準

[6]GB50034-2013,建築照明設計標準

[7]GB5700-2008,照明測量方法

[8]CJJ45-2015,城市道路照明設計標準

[9]EN13201-2015,Road Lighting;

[10]潘旭輝,光源閃爍效應及閃爍的測量方法

[11]余希湖，光源閃爍對視覺影響的研究