Физика/7. Оптика

Д. ф.-м. н., профессор Зуйков И.Е., к.т.н., доцент Савкова Е.Н.

Белорусский национальный технический университет, Беларусь

Способ измерения яркости несамосветящихся объектов
с использованием матричных фотоприемных устройств

Яркость несамосветящихся объектов (поверхностей помещений, фасадов зданий, проекционных экранов и др.) является одним из важнейших эргономических показателей, влияющих на обеспечение безопасности и работоспособности человека. Поэтому контроль яркостных характеристик несамосветящихся объектов на различных стадиях их жизненного цикла имеет большое значение для поддержания должного уровня качества световой среды. В настоящее время применяются стандартизованные прямой и косвенные методы измерений яркости несамосветящихся объектов [1]. При прямом методе измеряют среднюю яркость рабочей поверхности объекта посредством фотоэлектрического яркомера, имеющего отсчет показаний непосредственно в единицах яркости (на поверхности объекта выбирают контрольный участок, место размещения яркомера и производят отсчет). Косвенные методы основаны на совокупных и совместных измерениях. На поверхности объекта выбирают контрольный участок, с помощью яркомера измеряют яркость в контрольных точках и определяют среднюю яркость контрольного участка по формуле:

(1)

где L_i – яркость i-й элементарной площадки рабочей поверхности, кд/м;

i - порядковый номер элементарной площадки рабочей поверхности;

n - количество элементарных площадок рабочей поверхности.

Другой косвенный метод основан на измерениях освещенности отдельных элементарных площадок с последующим усреднением и пересчетом по формуле

, (2)

где E_i - освещенность i-й элементарной площадки поверхности, лк;

_K - коэффициент пересчета, зависящий от оптических характеристик отражающей поверхности и пространственного расположения световых приборов относительно поверхностей.

К недостаткам рассмотренных методов можно отнести ограничения по площади рабочей поверхности – не более 0,01 м², апертуре полевой диафрагмы яркомера, которая должна вписываться в изображение контрольного участка (для прямого метода), и значительную продолжительность по времени, обусловленную необходимостью проводить измерения последовательно в каждой контрольной точке.

С целью повышения эффективности и информативности измерений яркости несамосветящихся объектов предложен способ, заключающийся в том, что на поверхности объекта выбирают контрольные точки, измеряют яркость в двух опорных контрольных точках, осуществляют цифровую регистрацию несамосветящегося объекта, выполняют компьютерную обработку полученного цифрового изображения рассчитывая яркость по формуле [2]:

L = (3)

где N – усредненная яркость участка цифрового изображения, соответствующего контрольной точке, отн.ед. CIE Lu*v*:

(4)

где N_i - яркость i-го элемента цифрового изображения, отн. ед.
(CIE Lu*v*, CIE La*b*, YIQ, YCbCr и др.);

L₀₁, L₀₂ –яркости опорных контрольных точек, измеренные до цифровой регистрации, кд/м_;

N₀₁, N₀₂ – усредненные яркости участков цифрового изображения опорных контрольных точек, яркость которых была измерена до цифровой регистрации, отн.ед. (CIE Lu*v*, CIE La*b*, YIQ, YCbCr и др.);

k₁, k₂ – коэффициенты, зависящие от индикатрис рассеяния поверхности объекта в контрольной точке, отн.ед.

Измерительный канал представлен на рисунке 1. Яркость опорных контрольных точек 1 и 2, принадлежащих контрольным участкам 3 и 4 несамосветящегося объекта, измеряется с помощью яркомера 5, а затем контрольные участки регистрируются матричным фотоприемным устройством, включающим объектив 6, ПЗС-матрицу 7 и средство 8 отображения и обработки графических данных.

По результатам измерений строят градуировочную кривую, показанную на рисунке 2, на которой по горизонтальной оси откладывают значения отсчетов яркости N цифрового изображения в относительных единицах, по вертикальной оси - значения яркости L в единицах системы СИ (кд/м²).

Рисунок 2 – Градуировочная кривая метода

Использование яркости опорных контрольных точек позволяет произвести пересчет градаций яркости (отн.ед.) в единицы яркости СИ (кд/м²) по формуле:

w = ,

где x₁, x₂; y₁, y₂ - соответственно абсциссы и ординаты двух областей опорной яркости на рисунке 2.

Если предположить, что L₀₁k₁≈х₁ , L₀₂k₂≈х₂, и L₁≈y₁ и L₂≈y₂, то
w≈.

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность и качество измерений благодаря тому, что при цифровой регистрации можно проводить измерения в режиме, близком к реальному времени, во всех контрольных точках (исследуемые области объекта соответствуют строго определенным группам пикселей на ПЗС-матрице камеры), обеспечивая возможность получения и исследования целостной картины светового распределения, в том числе и имеющего существенные градиенты. Пространственное разрешение и разрешение по яркости современной цифровой камеры обеспечивают высокую точность задания геометрических координат областей и отображения яркостных характеристик с относительной погрешностью, не превышающей ±10 – 12 %.

Цифровая регистрация дает возможность сократить время измерений за счет использования яркомера для определения значений яркости только лишь в двух опорных контрольных точках, а в остальных контрольных точках объекта определять яркость путем автоматизированной обработки цифровых изображений в режиме, близком к реальному времени. Кроме того, появляется возможность документировать световые распределения в виде графических файлов, что может иметь большое значение при подтверждении соответствия объектов.

Способ реализован при проведении фотометрических испытаний автомобильных фар дальнего, ближнего света и сигнальных фонарей с помощью специального средства измерений, включающего фотоэлектрический яркомер (ГОСТ Р 8.665), цифровую камеру полупрофессионального класса, поддерживающую форматы TIFF и RAW, с порогом чувствительности 0,1 лк. На предварительном этапе камера была подвергнута тестированию, которое проводилось в лабораторных условиях и включало процедуры определения количества дефектов фоточувствительного поля матрицы; неравномерности чувствительности по полю изображения; сигнала насыщения; уровня темнового сигнала и ширины динамического диапазона путем выполнения серии калибровочных кадров.

Камера позиционировалась перед плоскостью экрана на горизонтальной оси фотометрического тела на расстоянии от 3 до 10 м, определенном для каждого вида светового распределения. На проекционном экране были выбраны контрольные участки, в пределах которых определены две опорные контрольные точки с яркостью L₀₁ = 11,9 кд/м² и L₀₂ =21,1 кд/м², которым соответствовали усредненные яркости участков цифрового изображения в единицах условной компьютерной шкалы N₀₁ = 55 и N₀₂= 195 отн.ед. соответственно. Регистрация несамосветящихся объектов (световых распределений, формируемых световым потоком фар и фонарей) осуществлялась серией из пяти изображений, которые обрабатывались посредством разработанного авторами программного обеспечения, позволяющего осуществлять низкочастотную фильтрацию по области из 8 пикселей, определять яркость каждого пикселя, принадлежащего выделенной области, в единицах систем Lu*v* или YIQ (PAL) с дальнейшим усреднением полученных результатов, которые затем приводились к световым единицам. При пересчете к световым единицам разброс точек относительно калибровочной кривой составлял не более 10 %, что показывает возможность применения данного метода. Предлагаемый способ может быть использован при исследованиях характеристик приемника изображения (цифровой фото- или видеокамеры) и его калибровке. Метод может быть также использован для определения индикатрис светоотражающих поверхностей, коэффициентов пропускания фильтров и ослабителей и применяться при исследованиях протяженных объектов, характеристики которых изменяются во времени.

Литература

1. ГОСТ 26824-86 Здания и сооружения. Методы измерения яркости

2. Зуйков И.Е., Савкова Е.Н. Физическая и математическая модели измерения при автоматизированном контроле колориметрических характеристик объектов. Контроль, диагностика. – Москва: Изд-во «Спектр», №1, 2010. с. 39-45.