数码相机的亮度分布测试研究_俞文杰

在定标实验时，整 个 实 验 环 境 要 求 尽 可 能 密 闭 ，应 当 最 大 可 能 的 减 少 任 何 外 来 杂 散 光 ，使 得 数 码相机所获得的光信息全部是由均匀亮度源发出 的，点 亮 均 匀 光 源，待 亮 度 源 稳 定 后，在 光 源 正 前 方放置 ＢＭ－７Ａ 亮 度 计 或 数 码 相 机，设 备 放 置 妥 当后，就可以开始 亮 度 标 定．首 先 使 用 ＢＭ－７Ａ 亮 度 计 采 用 视 场 角 ０．１ 度 对 准 均 匀 面 光 源 待 亮 度 计 读数稳定后，记录 此 时 面 光 源 的 亮 度 值 并 将 亮 度 计 移 开 ，在 同 样 的 位 置 处 放 置 数 码 相 机 进 行 拍 摄 ， 拍摄时需除去相 机 的 闪 光 功 能，并 将 相 机 的 各 种 参数设为默认值．拍 摄 时 选 择 一 个 光 圈 并 通 过 改 变快门速度来对 亮 度 源 进 行 拍 摄．将 拍 摄 图 像 输
利用该线性区域求得灰度值 Ｄ 所对应的曝光量
第３期
俞 文 杰 ，郭 子 杨 ，等 ：数 码 相 机 的 亮 度 分 布 测 试 研 究
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Ｈ，进而可以由曝光量 Ｈ 求得实际环境亮度Ｌ．
２ 亮度标定及结果分析
本文采用均匀亮度源、恒流电源以及 ＢＭ－７Ａ 彩色亮度计组成亮度标定系统对数码相机进行标 定．该套定标系统 与 传 统 定 标 系 统 相 比 具 有 系 统 更 加 简 洁 、操 作 更 加 方 便 等 优 点 ，例 如 传 统 方 案 需 要 改 变 光 强 灯 亮 度 、灰 度 板 来 进 行 亮 度 标 定 ，而 我 们方案无需这些 过 程．而 且 整 个 装 置 相 对 于 传 统 方案也更 简 洁 易 操 作，如 下 图 （标 定 光 路 图 如 图 ２．传 统 定 标 系 统 光 路 图 如 图 ３）．
通过公式（４）计算出当前灰度值 Ｄ 下所 对 应 的 曝
光量 Ｈ ．再由 公 式 （３）就 可 以 求 出 目 标 物 所 对 应
的实际环境亮度 Ｌ 了，这 个 过 程 是 数 码 相 机 的 亮
度标定原理．
对于同一 台 数 码 相 机 而 言，镜 头 的 透 射 率τ
是 不 变 的 ，所 以 可 以 将 公 式 （３）简 化 为 ：
Ｈ１＝４τ Ｈπ ＝ＦＴ２ ·Ｌ
（５）
为了今后使用方便，可以仍将 Ｈ１ 记为 Ｈ，这
样曝光量公式就变为：
Ｈ ＝ＦＴ２ ·Ｌ
（６）
综 上 可 知 ，要 想 利 用 数 码 相 机 进 行 亮 度 测 试 就
需要对数码相机进行亮度标定，而亮度标定的关键
就是要获得数码相机的感光特性曲线．只要可以找 出数码相机的感光特性曲线中的线性区域，就可以
入计 算 机 中，提 取 每 幅 图 像 的 灰 度 信 息 Ｄｉ，然 后 利用公式（６）和 标 定 时 亮 度 源 的 亮 度 值 计 算 出 每 幅图 像 所 对 应 的 曝 光 量 的 信 息 Ｈｉ．利 用 Ｏｒｉｇｉｎ 工具对 Ｄｉ 和 Ｈｉ 进 行 数 据 拟 合 就 可 以 获 取 当 前 亮度下曝光量与 图 像 灰 度 的 关 系．图 ４ 是 几 组 不 同亮度下的曝光量与图像灰度的关系图．
数码相机的亮度分布测试研究
俞 文 杰 ，郭 子 杨 ，廖 启 栗 ，郎 婷 婷
（中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 ３１００１８）
【摘 要 】 在 数 码 相 机 测 光 原 理 和 数 字 图 像 处 理 的 基 础 上 利 用 均 匀 亮 度 源 对 数 码 相 机 进 行 光 学 标 定 ，获 取 数 码相机采集到的图像灰度值与曝光量之间的确切关系，并 以 此 来 获 得 亮 度 回 归 公 式 ．在 均 匀 亮 度 源 标 定 下 数 码相机的亮度回归曲线的相关系数 Ｒ２ 达到了０．９８４ ５．利用标定完的数码相机进行亮度测试时取得了很好的 实验效果，并且在进行点目标物亮度测试时相对误 差 可 以 控 制 到 ５％ 左 右，在 进 行 面 目 标 物 亮 度 分 布 测 试 时 整 体 误 差 基 本 上 可 以 控 制 到 １０％ 左 右 ．
【关 键 词 】 数 码 相 机 ；数 字 图 像 处 理 ；亮 度 标 定 ；回 归 分 析 ；亮 度 测 试 【中 图 分 类 号 】 Ｏ４３２．２ 【文 献 标 志 码 】 Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ
图 ２ 数 码 相 机 标 定 光 路 图 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｆｏｒ ｃａｌｉｂｒａｔｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ
图 ３ 传 统 定 标 系 统 光 路 图 Ｆｉｇｕｒｅ ３ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
第２５卷 第３期 ２０１４ 年 ９ 月
中国计量学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１４
【文 章 编 号 】 １００４－１５４０（２０１４）０３－０２７３－０６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１５４０．２０１４．０３．００９
体 ，照 明 技 术 不 但 体 现 了 一 个 城 市 的 经 济 实 力 ，也 象征了一个国 家 照 明 事 业 的 发 展 情 况［１］．舒 适 性 与安全性是照明 的 两 个 最 基 本 的 要 求，而 照 明 能
【收 稿 日 期 】 ２０１４－０４－２４ 《中 国 计 量 学 院 学 报 》网 址 ：ｚｇｊｌ．ｃｂｐｔ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ 【基 金 项 目 】 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （Ｎｏ．６１２０５０２９）． 【作者简介】 俞文杰（１９９０－ ），男，浙江省宁波人，硕士研究生，主要研究方向为 ＬＥＤ照明技术和光纤传感技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｗｊ６４６８＠１６３．ｃｏｍ
图 １ 感 光 材 料 特 性 曲 线 Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ
所以曝光量与像面照度存在以下关系：来自Ｈ ＝４Ｆπ２τＬ·Ｔ
（３）
假设数码相机的线性区域的线性关系为：
Ｄ＝ｆ（ｌｇＨ）
（４）
如果 已 知 了 目 标 物 图 像 的 灰 度 值 Ｄ，就 可 以
ＣＤ 段为曝光过度段．直线段 ＢＣ 是摄像主要的利
用段，摄影图 像 的 曝 光 量 只 有 在 ＢＣ 对 应 的 范 围
内才可获得清晰 的 像．由 于 数 码 相 机 中 的 感 光 元
件 ＣＣＤ 对光能量的响应是线性的，所以也应该存
在类似于图１那样的感光特性曲线．
根据摄影理论可知，相机获取图像的曝光量 Ｈ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ；ｄｉｇｉｔａｌ ｐｉｃｔｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｃａｌｉｂｒａｔｅ；ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ
随着社会的 不 断 进 步 与 经 济 的 蓬 勃 发 展，照 明已 经 和 我 们 的 生 活、生 产 密 切 相 关，它 将 实 用 性、美 观 性、安 全 性、点 缀 功 能 等 多 种 功 能 融 为 一
通 讯 联 系 人 ：郎 婷 婷 ，女 ，副 教 授 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌａｎｇｔｉｎｇｔｉｎｇ＠ｃｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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中 国 计 量 学 院 学 报
第 ２５ 卷
否做到舒适安全 就 需 要 对 照 明 指 标 进 行 测 试，在 道路照明评价指 标 中，尤 其 是 对 机 动 车 道 的 照 明 的评价，路面亮度 指 标 在 整 个 评 价 指 标 中 起 到 了 关键性的作用．目 前 国 内 外 可 以 获 得 路 面 亮 度 信 息 的 办 法 ，主 要 办 法 有 利 用 照 度 计 进 行 测 试 、利 用 亮度 计 进 行 测 试、利 用 照 明 软 件 ＤＩＡＬｕｘ 进 行 模 拟仿真获取亮 度 信 息［２］，但 是 这 些 获 取 亮 度 信 息 的方法在实际操 作 时 都 存 在 不 便 之 处，如 测 试 过 程 繁 琐 、设 备 体 积 大 不 易 携 带 等 ．近 年 来 随 着 数 码 成像技术的迅速发展，２０００ 年 就 有 英 国 学 者 提 出 数码相机获得的照片可以用于亮度的近似测量， 中 国 科 学 院 、天 津 大 学 、重 庆 大 学 等 单 位 也 进 行 了 相关的研究，并取得了一定的进展［３］．利用数 码 相 机来获取亮度分 布 信 息 的 方 法 具 有 清 晰 度 高、定 位 准 确 、测 试 时 间 短 、重 复 性 好 、成 本 低 、携 带 方 便 以及测试范围广 等 优 势，而 且 可 以 实 现 测 试 和 亮 度数据处理分开 进 行．利 用 数 码 相 机 进 行 亮 度 分 布测试的关键是 对 数 码 相 机 进 行 光 学 标 定，传 统 的标定方法是在光学实验室里利用光强标准灯、 符合国家标准 ＧＢ３５５６—８３规定的标准灰板和 标 准亮度计进行 标 定［４］，标 定 过 程 复 杂 也 极 容 易 受 到外界环境的影 响．而 本 文 采 用 一 种 基 于 均 匀 亮 度源的标定方案，该 标 定 方 法 与 传 统 标 定 方 法 相 比 具 有 系 统 更 加 简 洁 ，操 作 更 加 方 便 ，准 确 性 更 高 的优点．数码相机 在 本 文 所 提 出 的 标 定 方 法 下 也 获得了很好的标定效果．
的与数码相机的像面照度Ｅ０ 存在如下关系［６］：
Ｈ ＝Ｅ０·Ｔ
（１）
其 中 ：Ｔ— 相 机 获 取 图 像 时 的 曝 光 时 间 ．
而像面照度 Ｅ０ 与目标亮度成一定的关系：
Ｅ０＝４Ｆπ２τＬ
（２）
其中：τ—相 机 物 镜 的 透 射 率，Ｆ—数 码 相 机