專利名稱：采用圖像處理技術(shù)測試光環(huán)境的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測量方法，特別涉及一種采用圖像處理技術(shù)測試光環(huán)境的方法。
背景技術(shù)：
人的生存環(huán)境中光是至關(guān)重要的，它將直接影響人的視力、健康、安全、工作效率及心理狀況等等。如在教室中光環(huán)境質(zhì)量直接影響學(xué)生的視力和學(xué)習(xí)效果；室外道路上光環(huán)境質(zhì)量影響行車的安全；體育館中光環(huán)境質(zhì)量影響運動員技能的發(fā)揮、觀看及電視轉(zhuǎn)播的效果；城市夜景照明中城市景觀的藝術(shù)效果。光環(huán)境應(yīng)如何設(shè)計才能取得正面的影響？這一直是建筑光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)主要的研究內(nèi)容。為了實現(xiàn)研究目的必須對光環(huán)境進行量化，經(jīng)過量化后的數(shù)據(jù)才可成為設(shè)計及評價光環(huán)境的科學(xué)依據(jù)。以往國內(nèi)外普遍用光度儀器(照度計、亮度計和色度計等)來進行光環(huán)境的評價，例如在室內(nèi)用照度計測照度值來評價工作面上光線的好壞；用亮度計測環(huán)境光的亮度值來評價環(huán)境的明暗；采用色度計來定量顏色等等。但采用這種方法研究建筑光環(huán)境時，它的局限性是很大的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面(1)研究室內(nèi)光環(huán)境所需的一些特殊的照度指標(如柱面照度和標量照度)無法用普通的照度計測試出來。(2)研究室內(nèi)光環(huán)境時，照度計測試的照度指標是全部環(huán)境光作用的結(jié)果，而對于某一部位環(huán)境光產(chǎn)生的照度分量測試則無能為力。(3)進行室外景觀照明測試和研究時，采用照度計測建筑物表面的照度分布需將其貼在被測面上測試，所以對于測試者無法輕易觸及到的部位則無法測試。(4)進行室外景觀照明測試和研究時，由于亮度計難以精確定位，所以無法測得目標物的亮度分布狀況。(5)用亮度計測試光環(huán)境時，因亮度計只能測一定視角范圍內(nèi)的平均亮度，對小視角物體的亮度則無法獲取。(6)研究室內(nèi)和室外光環(huán)境時，普通儀器無法對環(huán)境的眩光狀況進行評價。(7)測試和研究某些光源(如投光燈)的空間配光狀況時，必須要遠距離設(shè)施，所用空間大，而且精度差。(8)在進行天然光環(huán)境研究和測試時，天然光環(huán)境的不穩(wěn)定性以及天氣的差別造成測試結(jié)果的重復(fù)性差。(9)測試日照時，很難在某一測試時間觀察到其它時間日照狀況。(10)用常規(guī)的測試方法，一種光參數(shù)要有一種專門的儀器。如亮度、平面照度、柱面照度、標量照度、色度等都要有專門設(shè)備。無法同時測得所需的全部參數(shù)，因此投入大，無法快速、簡便的完成測試任務(wù)以及存儲處理數(shù)據(jù)。針對以上研究光環(huán)境出現(xiàn)的問題，廣大的光環(huán)境研究者們迫切需要一種能夠全面完成測試和研究任務(wù)的方法，此方法簡單好用，并且其測試結(jié)果可以方便的以圖形和文本形式存儲和調(diào)用，并也適合其他光學(xué)測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服和解決現(xiàn)有建筑光環(huán)境研究、測試過程中出現(xiàn)的形、色、量三者分離；數(shù)據(jù)因果無法量化提?。恍畔⒘可?；精度差等問題，提供出一整套基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和光環(huán)境研究理論的建筑光環(huán)境測試研究系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)進行測試和研究，不僅能解決以上問題，而且可以獲取多種光參數(shù)、便攜適用于現(xiàn)場使用。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
系統(tǒng)包括相機、計算機、魚眼鏡頭；利用標準色卡對系統(tǒng)進行標定，其標定過程為首先將采集好的標準色板圖像調(diào)入到標定系統(tǒng)中，并將每幅圖像的拍攝參數(shù)輸入，接著提取標準色板圖像中各色卡的圖像R、G、B值。根據(jù)所得的R、G、B值，系統(tǒng)計算出相應(yīng)顏色的圖像R、G、B值與色坐標(x，y，z)的關(guān)系式。色度標定結(jié)束后，系統(tǒng)接著對圖像的亮度值進行標定，利用亮度計測出各色卡的亮度，同時拍攝各色卡圖象輸入計算機，接著提取色卡在圖象中的灰度值，擬合出灰度值和亮度、曝光量之間的關(guān)系曲線，其直線段的公式為定標的公式，直線段的范圍為量程。將擬合和定標出來的所有公式(亮度計算和色坐標計算)按標準格式存儲到系統(tǒng)指定計算機存儲器中以供計算過程調(diào)用。
本系統(tǒng)光環(huán)境的測量包括以下內(nèi)容(1).亮度、色坐標和眩光的測試方法將相機拍攝的目標物圖像及拍攝參數(shù)輸入計算機，根據(jù)系統(tǒng)定標結(jié)果，對圖像進行逐幅逐點檢測，若目標點不在量程內(nèi)，則改變拍攝參數(shù)重新拍攝圖像，輸入檢測，直至全部通過檢測；利用合格的測試圖像及擬合公式算出各目標點亮度，可繪制出測試目標的亮度分布圖、任意一點的色坐標和亮度值和圖像上任意區(qū)域的最大、最小、平均亮度及平均色坐標。
眩光測試過程如下首先按亮度測試程序確定眩光源及背景的亮度；然后調(diào)入所用魚眼鏡頭成像規(guī)律公式，據(jù)此公式畫定視線方向，確定眩光源的方向與視線方向的夾角；將眩光源在圖像上所占據(jù)的區(qū)域選定出后進行立體角的計算，選定出合適的眩光指標，然后進行眩光評價。
(2).各種照度的測試方法將相機放在測點拍攝的半球空間的魚眼圖像找出圖象上每一象素點的空間位置及所得出的亮度值，根據(jù)立體角投影定理，算出該點對被測點所形成的照度值。將圖象上每一點象素所形成的照度值累加起來得該被測點的總照度。取某一部分象素點所形成的照度值累加起來得該部分光源(或反射面)對被測點所形成的照度分量。根據(jù)立體角投影定理，在平面上投影得平面照度；在柱面上投影得柱面照度；在球面上投影得標量照度。
(3)投光燈的配光的測試方法在投光燈前枝一屏幕，屏幕材料為完全擴散型，將投光燈投射在一屏幕上，用上述方法讀出該屏幕的上光斑的亮度分布，再根據(jù)屏幕的反射系數(shù)算出該屏幕的照度分布、投光屏幕反射系數(shù)、輸入投光燈測試距離、就可將亮度最終折算成發(fā)光強度，可繪出配得出該投光燈的配光性能(4)采光系數(shù)的測試方法根據(jù)天空模型及魚眼成像規(guī)律作出天空模型圖并計算出全天空為光源的照度值。將相機在測點拍攝的魚眼圖像及拍攝參數(shù)輸入計算機，將系統(tǒng)檢測合格的測試圖像同系統(tǒng)內(nèi)部建立好的天空模型圖組合在一起確定出采光口亮度和它的位置，然后計算出采光口作為光源產(chǎn)生的測點的照度；將相機拍攝的圖像及拍攝參數(shù)輸入計算機，根據(jù)系統(tǒng)定標結(jié)果，根據(jù)天空模型計算出全天空做為光源產(chǎn)生的測點照度；利用合格的測試圖像同系統(tǒng)內(nèi)部建立好的天空模型組合在一起確定出采光口亮度和它的位置，然后計算出采光口做為光源產(chǎn)生的測點的照度；將上述兩照度值相比就可得出采光系數(shù)的直接分量。根據(jù)測試圖像進行測點的照度計算，分別得出在采光口作用下測點照度值(直接照度)及室內(nèi)各反射面作用下的測點照度值(反射照度)，然后確定出兩者的比值。根據(jù)上述計算結(jié)果利用采光系數(shù)的直接分量便可計算出采光系數(shù)的反射分量，最后將兩分量結(jié)合起來就得到總的采光系數(shù)。
(5).日照測試的方法將相機拍攝的魚眼圖像輸入計算機，并確定出測試圖像的朝向；根據(jù)測試地點的地理緯度值調(diào)用出相應(yīng)的太陽軌跡圖；根據(jù)朝向?qū)⑻栜壽E圖與所拍魚眼圖象復(fù)合在一起就可計算出測點全年日照時間。
1.相機性能為(1)攝像過程中每幅圖像的曝光時間、光圈大小及影響數(shù)字圖像灰度值的相關(guān)參數(shù)均能顯示出來；(2)具有手調(diào)拍攝功能，可根據(jù)環(huán)境實際情況調(diào)節(jié)圖像拍攝參數(shù)；(3)為達到測試結(jié)果的精度要求，相機應(yīng)至少有400萬像素的分辨率。(4)如遇拍攝環(huán)境中的最大亮度超過300000cd/m2，則應(yīng)匹配相應(yīng)的經(jīng)過標定后的中性濾光片；(5)靈敏度高，能夠拍攝亮度為0.3cd/m2的環(huán)境。(6)能配相應(yīng)的魚眼鏡頭。(7)相機光信息的載體穩(wěn)定，向計算機輸入的方式簡便、準確。
目前優(yōu)選相機為數(shù)碼照相機。
系統(tǒng)具有以下的功能(1)測試出環(huán)境指定范圍中的亮度分布、最大亮度、最小亮度、平均亮度和目標物上任意點的亮度；(2)可以得出測試環(huán)境中的亮度分布狀況圖(按級差)；(3)測試出環(huán)境中任意點的色坐標(x，y；u，v)，某一范圍內(nèi)的平均色坐標；(4)對環(huán)境眩光狀況進行評價；(5)測試出環(huán)境中某一點的平面照度、柱面照度、標量照度(球面照度)；(6)測試出環(huán)境中某一光源(或反射面)對測點的照度；(7)測試出視野范圍內(nèi)指定區(qū)域的照度分布；(8)眩光源與視線的夾角(包括其他點的定位)；(9)可進行建筑中采光系數(shù)的實測；(10)可得出環(huán)境中遮擋物的遮擋效果(包括擋光及反射)；(11)可測出投光燈的配光特性；(12)建筑物日照時間的實測等等。被測目標物大到整個半球天空，小到數(shù)碼相機能分辨的基本尺寸都能進行。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果(1)該系統(tǒng)所能獲得的很多測試內(nèi)容是常規(guī)儀器無法達到的，如當光源在變化時測出瞬間的亮度分布；在多光源照射下，能測出某一光源對測點形成的照度值；能在晴天測出全陰天下的采光系數(shù)；能在夏天測出冬天的日照情況等等。(2)精度高。一般較好的亮度計所測的最小視角為1°，而本系統(tǒng)的最小視角可達到0。001°。(3)操作簡便。目前精度較高的亮度計搬動不方便，常常還要帶交流電源，而本系統(tǒng)在現(xiàn)場只要帶一個小小的相機。另外測試步驟簡單，一般人員均可勝任。(4)測試參數(shù)齊全。一般儀器是只測一個或兩個參數(shù)，而利用本系統(tǒng)幾乎能對光環(huán)境的全部參數(shù)進行測試，而且大部分參數(shù)能在一次完整的測試過程中獲得。(5)便于存儲。測試結(jié)果可以以文本形式或圖像形式保存在存儲介質(zhì)中，便于調(diào)用。(6)經(jīng)濟。目前數(shù)碼相機及計算機質(zhì)量提高更新的速度都很快，體積小，而且價格不斷下跌。整個系統(tǒng)硬件的價格只是一臺較好的亮度計的1/3-1/4，而且功能大大超過較好的亮度計。


圖1是本發(fā)明的建筑光環(huán)境測試研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中數(shù)碼相機經(jīng)過標定后得出的感光特性曲線示例；圖3是本發(fā)明中整個系統(tǒng)軟件部分結(jié)構(gòu)流程圖；圖4是本發(fā)明中系統(tǒng)標定過程流程圖；圖5是本發(fā)明中亮度和色坐標計算過程流程圖；圖6是本發(fā)明中照度計算過程流程圖；圖7是本發(fā)明中眩光計算過程流程圖；
圖8是本發(fā)明中測試投光燈的配光計算過程流程圖；圖9是本發(fā)明中采光系數(shù)計算過程流程圖；圖10是本發(fā)明中日照測試過程流程圖；具體實施方式
下面結(jié)合原理及附圖對本發(fā)明作進一步說明(1)標定相機在進行測試前需要對數(shù)碼相機進行標定，方法是用該相機分別拍攝在A光源及D65光源下標準色卡的圖像，然后利用標準色板的色坐標來對圖像中色板的色坐標進行標定。通過編制好的圖像處理軟件或利用一些商業(yè)化圖像處理軟件(如PHOTOSHOP等)讀取圖像的R、G、B值，找出R、G、B值與CIE色刺激值XYZ值的關(guān)系式X＝a1R+b1G+c1BY＝a2R+b2G+c2BZ＝a3R+b3G+c3B (1)式中a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3為標定的系數(shù)。其中，圖像灰度值D就等于色坐標Y值，因此有下式D＝a2R+b2G+c2B (2)采用選好的相機在不同的光圈及曝光時間下對已知亮度的點進行拍攝，記下各幅圖像拍攝時所用的光圈及曝光時間并將該圖像輸入計算機。讀取已知亮度各點在圖像上的R、G、B值，用(2)式得出該點灰度值D(X、Y)。根據(jù)該點已知的亮度L(X、Y)、光圈F及曝光時間T計算出相應(yīng)的曝光量H(X、Y)，此處曝光量公式為H(X、Y)＝L(X、Y)×T/F2(3)將每幅圖像中各點的灰度值D(X、Y)及相應(yīng)曝光量H(X、Y)的對數(shù)值一一記錄下來，利用統(tǒng)計分析工具擬合出它們之間的關(guān)系(圖2)，其中直線段為測試的應(yīng)用段，直線段的公式如下，為進一步計算的依據(jù)。
D(X，Y)＝f[H(X，Y)] (4)(2)測亮度值和色坐標采用標定好的數(shù)碼相機拍攝光環(huán)境圖像，并記錄下拍攝時的光圈及曝光時間。將圖像輸入圖像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)圖像的R、G、B值及(1)式計算出色坐標(x，y)與(u，v)，計算公式如下x＝X/(X+Y+Z)，y＝Y(jié)/(X+Y+Z)，u＝4X/(X+15Y+3Z)，v＝6X/(X+15Y+3Z)(5)根據(jù)圖像的R、G、B值及(2)式，系統(tǒng)計算出圖像灰度D，有了D利用(4)式便可計算出曝光量H，最后根據(jù)(3)式及拍攝時記錄的光圈F及曝光時間T，根據(jù)圖(2)判斷是在直線段則根據(jù)公式(4)求出測點亮度值，否則應(yīng)變換光圈或曝光時間重新拍攝圖像。
(3)測眩光首先按步驟(2)測出指定光源及其周圍背景的亮度。其次對所采用與相機匹配的魚眼鏡頭的成像位置進行定標，方法是利用魚眼鏡頭拍攝已知角度的空間，根據(jù)魚眼圖像找出該鏡頭的成像規(guī)律。用已標定過的魚眼鏡頭放在測點，向上拍攝360度魚眼圖象，確定視線方向根據(jù)標定值確定指定光源與視線方向的相對位置。眩光源亮度值及位置確定后，就可根據(jù)選定的眩光計算公式進行眩光評價。
(4)測照度及照度分量把標定好的數(shù)碼相機放在被照面上，用魚眼鏡頭拍攝半球空間的圖象。找出圖象上任一象素點的空間位置及所其亮度值，根據(jù)立體角投影定理(式6)，算出該點對被測點所形成的照度值。
E＝Lwcos(θ) (6)式中E為測點照度值，L為光源亮度，W為光源立體角，θ為入射光與被照面法線夾角。將圖象上每一點象素所形成的照度值累加起來得該被測點的總照度。取某一部分象素點所形成的照度值累加起來得該部分光源(或反射面)對被測點所形成的照度分量。根據(jù)立體角投影定理，在平面上投影得平面照度；在柱面上投影得柱面照度；在球面上投影得標量照度。
(5)測采光系數(shù)根據(jù)CIE規(guī)定的晴天空、全陰天等天空模型，按魚眼鏡頭成像位置，在計算機上畫出來，要測室內(nèi)某一點的采光系數(shù)時，將相機放在該點用魚眼鏡頭拍攝半球空間的圖象，把拍好的圖象按朝向重疊在天空模型上。從圖象中采光口位置上讀出天空模型對該點所形成的照度值，將該點的照度值與全天空對該點所形成的照度值相比，得出該點在該天氣情況下的采光系數(shù)的直接分量。從拍好的圖象中根據(jù)公式(6)找出反射分量與直接分量的比值，從而得到采光系數(shù)的反射分量及總采光系數(shù)值。
(6)測日照時間將某一緯度、各個季節(jié)、各個時間太陽的高度角和方位角按魚眼鏡頭成像位置，在計算機上畫出太陽全年的軌跡圖來，要測某一點的日照狀況時，將相機放在該點，用魚眼鏡頭拍攝半球空間的圖象，把拍好的圖象按朝向重疊在該緯度太陽全年的軌跡圖上，從重疊的圖上便可得出周圍遮擋物將陽光遮擋住的時間及日照時間。
(7)測配光特性在暗室中投光燈前放置一屏幕，屏幕采用完全擴散型材料制成。屏幕應(yīng)垂直于投光燈光軸，且其與投光燈的距離至少應(yīng)大于燈直徑的五倍。將投光燈投射在一屏幕上，用方法(2)讀出該屏幕的亮度分布，再根據(jù)屏幕的反射系數(shù)及式(7)就可得出該屏幕的照度分布。
E＝(Lπ)/ρ (7)式中E為照度值，L為亮度值，ρ為屏幕材料反射系數(shù)。量出屏幕與投光燈的距離就可得出該投光燈的空間配光性能。
根據(jù)測試的基本原理，我們采用了以下的技術(shù)軟件如圖1所示，目前本測試研究系統(tǒng)主要包括相機、計算機、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件(圖像處理軟件)、輸出設(shè)備等。
其中的相機可采用任何具有以下性能的型號(1)攝像過程中每幅圖像的曝光時間、光圈大小及影響數(shù)字圖像灰度值的相關(guān)參數(shù)均能顯示出來；(2)具有手調(diào)拍攝功能，可根據(jù)環(huán)境實際調(diào)節(jié)圖像拍攝參數(shù)；(3)為達到測試結(jié)果的精度要求，相機應(yīng)至少有300萬像素的分辨率。(4)如遇拍攝環(huán)境中的最大亮度超過300000cd/m2，則應(yīng)匹配相應(yīng)的經(jīng)過標定后的中性濾光片；(5)靈敏度高，能夠拍攝亮度為0.3cd/m2的環(huán)境。(6)能配相應(yīng)的魚眼鏡頭。
系統(tǒng)軟件應(yīng)采用WINDOWS98或以上版本，計算機可采用能運行上述系統(tǒng)軟件的任何機型。
應(yīng)用軟件是在WINDOWS98下利用Visual Basic 6.0版本開發(fā)的圖像處理軟件，能夠完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和計算工作。
圖2為相機經(jīng)過標定后得出的感光特性曲線示例。圖中縱座標D為圖像的灰度，橫座標lgH為曝光量H的對數(shù)值。圖中曲線分三段，AB段是曝光不足段或叫趾部，CD段為曝光過亮段或稱肩部。直線段AB是攝像主要的利用段，也是圖像處理系統(tǒng)的主要使用段，該直線段的斜率γ稱反差系數(shù)，它是感光材料的主要特性指標。直線段橫座標的差值即lgHC-lgHB一般用L來表示稱作寬容量，它是像測系統(tǒng)曝光量的使用范圍。圖中縱座標D為圖像的灰度，橫座標lgH為曝光量H的對數(shù)值。一般在圖像處理過程中只取特性曲線的直線段部分，假使找出的相應(yīng)曝光量H落在曲線的寬容度之外，則應(yīng)改變拍攝時所用的光圈F及曝光時間T后重新取像，直至曝光量H落在寬容度內(nèi)為止。
整個系統(tǒng)軟件(圖像處理系統(tǒng))部分的結(jié)構(gòu)流程見圖3。測試任務(wù)完成后，相機測得數(shù)字圖像可直接存入計算機相關(guān)位置以供處理。運行系統(tǒng)，如果系統(tǒng)已將標定結(jié)果嵌入，就可直接進行后續(xù)的子系統(tǒng)運行來獲得相關(guān)測試參數(shù)。若沒進行上述操作，就要求系統(tǒng)進行標定子過程的操作，操作過程見圖4。
在系統(tǒng)的標定過程中，首先將采集好的標準色卡圖像調(diào)入到標定系統(tǒng)中，并將每幅圖像的拍攝參數(shù)輸入，接著提取標準色卡圖像中各部分顏色的圖像R、G、B值。根據(jù)所得的灰度值，系統(tǒng)計算出相應(yīng)顏色的圖像亮度值與色坐標(x，y，z)。系統(tǒng)將圖像色坐標同標準色坐標進行比較，若符合誤差要求，就直接進行下一步操作；若不合乎要求，系統(tǒng)將結(jié)果反饋到色卡圖像色度計算的原始公式，并對此公式進行修正后重復(fù)色坐標計算過程，直至計算出在誤差允許范圍內(nèi)的結(jié)果。色卡圖像色度標定結(jié)束后，系統(tǒng)接著對圖像的亮度值進行標定，根據(jù)最后的標定結(jié)果系統(tǒng)采用相應(yīng)的算法對最終的計算公式進行擬合。最后將擬合和定標出來的所有公式(亮度計算和色坐標計算)按標準格式存儲到系統(tǒng)指定位置以供計算過程調(diào)用。
在執(zhí)行標定過程后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入各個功能參數(shù)計算子過程。整個大系統(tǒng)包括5大部分子系統(tǒng)。選擇系統(tǒng)#1，可進行亮度、色坐標計算如圖5和眩光的計算如圖7。
亮度、色度測試過程如下將測試過程中采集的圖像及拍攝參數(shù)輸入系統(tǒng)，如果在此之前標定系統(tǒng)執(zhí)行過新的定標過程，系統(tǒng)就得先將定標出來的結(jié)果(計算公式)進行嵌入操作。系統(tǒng)對圖像進行逐幅掃描，在此過程中同時計算出相應(yīng)光參數(shù)(亮度及色坐標)。根據(jù)所得的參數(shù)的狀況，系統(tǒng)對測試結(jié)果進行檢測，逐點檢查圖像中各點曝光量是否在線性段(見圖2)，若未得到符合測試要求的結(jié)果，系統(tǒng)則返回上述過程對補測圖像進行掃描，直至所若未得到符合測試要求的結(jié)果，系統(tǒng)則返回上過程對補測圖像進行掃描，直至結(jié)果通過檢測。選擇整體對測試結(jié)果進行描述并將掃描合格結(jié)果中的亮度參數(shù)進行分級，把每一級參數(shù)同一固定色標聯(lián)系就可繪制出測試目標的亮度分布圖。選擇局部描述測試結(jié)果，若將掃描合格結(jié)果中的光參數(shù)與相應(yīng)位置對應(yīng)，就可得出圖像中任意一點的色坐標和亮度值；將掃描合格結(jié)果中的光參數(shù)同在圖像上選取的任意區(qū)域位置相對應(yīng)，就可得出圖像上任意區(qū)域的最大、最小、平均亮度及平均色坐標。
眩光測試過程如下首先按亮度計算程序如圖5確定眩光源的亮度；然后輸入測試過程中所用魚眼鏡頭成像規(guī)律公式，據(jù)此公式用鼠標畫定視線方向，有了視線方向為基準就可確定眩光源的位置(高度角、方位角)；將眩光源在圖像上所占據(jù)的區(qū)域選定出后進行立體角的計算。利用上述三方面參數(shù)根據(jù)具體要求選定出合適的眩光模型，然后進行眩光測試。
選擇系統(tǒng)#2，可進行照度指標的計算如圖6，照度測試過程如下將測試過程中采集的圖像及拍攝參數(shù)輸入系統(tǒng)，如果在此之前標定系統(tǒng)執(zhí)行過新的定標過程，系統(tǒng)就得先將定標出來的結(jié)果(計算公式)進行嵌入操作。系統(tǒng)對圖像進行逐幅掃描，并計算出相應(yīng)光參數(shù)。根據(jù)所得參數(shù)的狀況，系統(tǒng)逐點檢測圖像中各點曝光量是否在線性段(見圖2)，若未得到符合測試要求的結(jié)果，系統(tǒng)則返回上述過程對補測圖像進行掃描，直至所需各點都通過檢測。將符合要求的結(jié)果輸入照度計算系統(tǒng)，就可按要求進行照度計算。選擇計算某測點位置的照度，若采用全部掃描數(shù)據(jù)進行計算，可得到一般照度指標(水平照度、垂直照度、柱面照度和標量照度)；若采用特定部分的掃描數(shù)據(jù)進行計算，可得到由此部分產(chǎn)生的照度指標(水平照度、垂直照度、柱面照度和標量照度)的分量。選擇計算某一區(qū)域的照度狀況，首先需對掃描合格的光參數(shù)按測試場景的反光狀況進行折算，然后用鼠標在圖像上選擇任意區(qū)域，可就該區(qū)域進行照度最大、最小和平均值的計算；對選定區(qū)域照度分級，就可將照度分布圖繪制出。
選擇系統(tǒng)#3，可進行投光燈的配光測試如圖8，配光測試過程如下將測試過程中采集的圖像及拍攝參數(shù)輸入系統(tǒng)，按照投光燈空間配光分布狀況進行圖像掃描。對掃描結(jié)果(亮度)進行檢查，若合格(掃描點曝光量均在線形段)就可進行下步計算，若不合格(存在掃描點曝光量不在線形段)則需重新采集圖像。輸入投光燈測試距離、投光屏幕反射系數(shù)，就可將亮度最終折算成發(fā)光強度。有了發(fā)光強度，最后便可將配光曲線繪出。
擇系統(tǒng)#4，可進行采光系數(shù)的測試如圖9，采光系數(shù)測試過程如下將測試過程中采集的圖像及拍攝參數(shù)輸入系統(tǒng)。根據(jù)天空模型計算出全天空做為光源產(chǎn)生的測點照度；利用合格的測試圖像同系統(tǒng)內(nèi)部建立好的天空模型組合在一起確定出采光口亮度和它的位置，然后計算出采光口做為光源產(chǎn)生的測點的照度；將上述兩照度值相比就可得出采光系數(shù)的直接分量。根據(jù)測試圖像進行測點的照度計算，分別得出在采光口作用下測點照度值(直接照度)及室內(nèi)各反射面作用下的測點照度值(反射照度)，然后確定出兩者的比值。根據(jù)上述計算結(jié)果利用采光系數(shù)的直接分量便可計算出采光系數(shù)的反射分量，最后將兩分量結(jié)合起來就得到總的采光系數(shù)。
選擇系統(tǒng)#5，可進行日照測試計算如圖10，日照測試過程如下將測試過程中采集的圖像輸入系統(tǒng)。根據(jù)測試圖像確定出建筑物的朝向；根據(jù)測試地點的地理緯度值調(diào)用出相應(yīng)的當?shù)氐奶栜壽E圖；將太陽軌跡同朝向數(shù)據(jù)結(jié)合在一起就可計算出測點全年日照時間。
在執(zhí)行完某個功能參數(shù)計算子過程后，若想要繼續(xù)計算其它參數(shù)，可返回進行重新選擇。若不想繼續(xù)，則可退出。
權(quán)利要求
1.一種采用圖像處理技術(shù)測試光環(huán)境的系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)包括相機、計算機、魚眼鏡頭；經(jīng)標定后采集光環(huán)境信息，按標準格式存儲到計算機的存儲器，經(jīng)處理后得所需參量，本系統(tǒng)光環(huán)境的測量包括以下內(nèi)容(1).亮度、色坐標和眩光的測試方法將相機拍攝的圖像及拍攝參數(shù)輸入計算機，根據(jù)系統(tǒng)定標公式，對所拍圖像逐點逐幅檢測，直至各目標點都在量程內(nèi)，則圖象合格；利用合格的測試圖像，可算出測試目標的各點亮度及色坐標；眩光測試過程如下首先按亮度計算程序確定眩光源及背景的亮度；然后輸入魚眼鏡頭成像規(guī)律公式，畫定視線方向，據(jù)此公式確定眩光源相對于視線的位置；將眩光源在圖像上所占據(jù)的區(qū)域選定出后進行立體角的計算，選定出合適的眩光指標，然后進行眩光計算；(2).照度的測試方法用魚眼鏡頭拍攝半球空間的圖象，找出圖象上每一象素點的空間位置及所得出的亮度值，根據(jù)立體角投影定理，算出該點對被測點所形成的照度值；將圖象上每一點象素所形成的照度值累加起來得該被測點的總照度；取某一部分象素點所形成的照度值累加起來得該部分光源(或反射面)對被測點所形成的照度分量；根據(jù)立體角投影定理，在平面上投影得平面照度；在柱面上投影得柱面照度；在球面上投影得標量照度；(3)投光燈配光的測試方法在投光燈前枝一屏幕，屏幕材料為完全擴散型，將投光燈投射在一屏幕上，用上述方法讀出該屏幕的上光斑的亮度分布，再根據(jù)屏幕的反射系數(shù)算出該屏幕的照度分布，量出屏幕與投光燈的距離得出該投光燈的配光性能；(4).采光系數(shù)的測試方法根據(jù)天空模型及魚眼成像規(guī)律作出天空模型圖并計算出全天空為光源的照度值。將相機在測點拍攝的魚眼圖像及拍攝參數(shù)輸入計算機，將系統(tǒng)檢測合格的測試圖像同系統(tǒng)內(nèi)部建立好的天空模型圖組合在一起確定出采光口亮度和它的位置，然后計算出采光口作為光源產(chǎn)生的測點的照度；將上述兩照度值相比就可得出采光系數(shù)的直接分量；根據(jù)測試圖像進行測點的照度計算，分別得出在采光口作用下測點照度值(直接照度)及室內(nèi)各反射面作用下的測點照度值(反射照度)，然后確定出兩者的比值；根據(jù)上述計算結(jié)果利用采光系數(shù)的直接分量便可計算出采光系數(shù)的反射分量，最后將兩分量結(jié)合起來就得到總的采光系數(shù)；(5).日照測試的方法將相機拍攝的魚眼圖像輸入計算機，并確定出測試圖像的朝向；根據(jù)測試地點的地理緯度值調(diào)用出相應(yīng)的太陽軌跡圖；根據(jù)朝向?qū)⑻栜壽E圖與所拍魚眼圖象復(fù)合在一起就可計算出測點全年日照時間；
2.如權(quán)利要求1所述的一種采用圖像處理技術(shù)測試光環(huán)境的系統(tǒng)，其特征是利用標準色卡對系統(tǒng)進行標定是這樣實現(xiàn)的在系統(tǒng)的標定過程中，首先將采集好的標準色卡圖像調(diào)入到標定系統(tǒng)中，并將每幅圖像的拍攝參數(shù)輸入，接著提取各標準色卡圖像的R、G、B值，并用亮度分別機讀出各色卡的亮度；根據(jù)所得的R、G、B值，計算出R、G、B值與色坐標(x、y、z)的關(guān)系式，并擬合出圖象灰度值與目標物的亮度及曝光量的關(guān)系式及量程范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的一種采用圖像處理技術(shù)測試光環(huán)境的系統(tǒng)，其特征為所述的相機性能為(1)攝像過程中每幅圖像的曝光時間、光圈大小及影響數(shù)字圖像灰度值的相關(guān)參數(shù)均能顯示出來；(2)具有手調(diào)拍攝功能，可根據(jù)環(huán)境實際調(diào)節(jié)圖像拍攝參數(shù)；(3)為達到測試結(jié)果的精度要求，相機應(yīng)至少有400萬像素的分辨率；(4)如遇拍攝環(huán)境中的最大亮度超過300000cd/m2，則應(yīng)匹配相應(yīng)的經(jīng)過標定后的中性濾光片；(5)靈敏度高，能夠拍攝亮度為0.3cd/m2的環(huán)境；(6)能配相應(yīng)的魚眼鏡頭；(7)其光信息的載體穩(wěn)定，向計算機輸入的方式簡便、準確。
全文摘要
本發(fā)明涉及光環(huán)境的研究方法,特別涉及一種采用圖像處理技術(shù)測試光環(huán)境的方法。本發(fā)明的目的就是為了克服和解決現(xiàn)有建筑光環(huán)境研究、測試過程中出現(xiàn)的形、色、量三者分離;數(shù)據(jù)因果無法量化提取;信息量少;精度差等問題,提供出一整套基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和光環(huán)境研究理論的建筑光環(huán)境測試研究系統(tǒng)。利用相機將環(huán)境中的光信息全部采集下來,輸入到計算機中,利用計算機圖像上的每一個象素點作為一個測點,找出各點的灰度值、RGB值與目標點亮度及色度的關(guān)系,并通過圖象處理技術(shù),將所需要的參數(shù)一一提取出來。使結(jié)果集形、色、量于一體,并能分析、儲存。同時提供了相應(yīng)的測試軟件。
文檔編號G01J1/52GK1356536SQ0114348
公開日2002年7月3日 申請日期2001年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月29日
發(fā)明者沈天行 申請人:天津大學(xué)