CN101907488A - 基于数码相机的图像亮度计及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于数码相机的图像亮度计及其测量方法，由CCD相机和亮度测量控制分析***通过数据线连接而成；亮度测量控制分析***的输入/输出模块与CPU连接；CPU中包括图像解码模块、用于像场均匀性校正的数据校正模块和用于判断所拍摄的拟测量场景图片各被测点的RGB通道数值是否均处于精确测量的区间内并将其转化为亮度数值的亮度计算分析模块；CPU与用于存储操作***、分析软件、测试精度与噪声变化曲线、测量图片、测量结果的存储模块连接；CPU还与显示模块连接。可提高亮度测试效率和在背景中明暗对比强烈的环境下的测试精度，具有一次获取视场内各部分的亮度数据的优点，解决了对于RAW格式文档的读取，扩大了相机测试的线性范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像亮度计及其测量方法，特别是一种基于数码相机的图像亮度计及其测量方法。
背景技术
通过利用照相进行光度学测量并不是一种新方法，早在二十世纪三十年代人们就已经开展了关于通过照相进行光度学测试相关研究工作，这种测试方法通过摄影底片乳胶层光密度或透射率推断被测光的强度。由于它能够在较短的时间内获得非常丰富的信息，从而使它在天文观测等领域得到广泛应用。在1941年Meyers.G.I通过这种方法开展了道路亮度测试工作。然而由于这种测试方法需要通过专门的光密度计或特殊的光学仪器如反射式干涉显微镜进行量化，且分辨率和精度都相对较低而导致未能得到进一步推广。
CCD（Charge coupled Device 电荷耦合元件）是20世纪70年底发展起来的新型半导体器件，是在1970年由贝尔实验室的W.S. Boyle和G.E. Smith发明，并于次年发表。由于它具有体积小、质量轻、灵敏度高、寿命长、低功耗、动态范围大等优点，而在许多领域得到广泛的应用。通过利用CCD相机迅速的捕捉图像，并将其转化为数字化电子图像，并进行亮度、色度学测试进一步得到广泛关注，近年来国内外开展了大量相关的研究：其中特别是宇宙观测等领域中，包括哈勃望远镜在内的众多天文望远镜都装备了CCD成像测量***，这一方面推动了CCD技术的高速发展，另一方面也使得在天文学领域很多研究人员很早的开展了利用相机进行观测夜晚天空光污染等方面的研究，更由于专业领域对于CCD研究的深入，因此其对于CCD噪声等方面研究十分深入，都取得了十分好的观测效果。然而由于天文观测往往关注的是图片中的某些要素，而与天文观测相比，建筑光环境的亮度变化范围更大，背景更为复杂，测试条件也更加多样，因此如何在现场测试中获得精确的测试结果成为了研究的重要课题。虽然当前市场上也出现了一些商业化的图像式亮度及，如由Photoresearch公司研制开发的PR920,然而由于它的高昂的价格而很难得到广泛应用，因此当前很多研究人员都试图使用市场上销售的相机进行标定，从而用来测试环境亮度分布。这方面研究得到了广泛的关注和重视，国内的陈仲林教授、詹庆旋教授、顾冰先生都在这个领域内作出诸多探索工作，而目前近年来主要的研究成果见下表：
| 研究人员 | 研究单位 | 研究成果发表日期 | 研究内容 |
| Georg Zotti | Vienna University of Technology | 2007.10 | measuring light pollution with a calibrated high dynamic range all-sky image acquisition system:利用高动态范围成像技术测试天空亮度，使用RAW文件格式，从而减少了由于相机白平衡、γ转化等过程带来的误差分析。 |
| Helke Gabele | University of Applied Sciences Cologne | 2006.2 | The usage of digital cameras as luminance meters：按照ISO14524关于光电转化函数(OECF)的测量要求，利用普通数码相机进行亮度测量，其中特别是分析了如光圈、曝光时间、数模转化、噪声、渐晕以及杂散光等在测量过程中影响测试精度要素。 |
| Pietro Fiorentin | Università degli Studi di Padova | 2005.2 | Characterization and calibration of a CCD detector for light engineering：渐晕效应、杂散光、像素间的相应不均匀性、暗流噪声、对焦不准等影响测量精度的因素进行了分析。 |
| Mehlika Inanici等 | Lawrence Berkeley National Laboratory | 2004.12 | Evaluation of High Dynamic Range Photography as a Luminance、analysis of visual comfort using high-dynamic range luminance images:多次曝光形成高动态范围图像精度分析、光谱对于测试精度分析、渐晕效应的影响分析以及提出了点扩散函数对于测试精度影响的分析。 |
| 沈天行 | 天津大学 | 2002 | 数码相机在光环境亮度和颜色测试中的应用：通过测试以及数据分析，从而获得某一光源照明下的某相机的校正函数,并考虑了镜头的渐晕效应。 |
| 上谷芳昭 | 福山大学 | 2001.5 | Measurement of CIE Tristimulus Values XYZ by Color Video Images：通过测试以及数据分析，从而获得某一光源照明下的某相机的校正函数,并考虑了镜头的渐晕效应。 |
这些研究中的一般方法都是通过在实验室中进行大量繁杂的物理测试以及数据分析，从而获得某一光源照明下的某相机的校正函数。通过这些校正公式，将图片中的RGB数值被转化为CIE三原色刺激值，当前这一方法已经得到了广泛认可，这些研究成果也在得到了一定的应用和推广。在这些研究中虽然多进行了镜头像场不均匀性方面的校正，也有研究提出了噪声、光圈、数模转化等因素对测试精度的影响，但仍有以下几个方面的问题仍需进一步解决，从而能够使得该方法能够真正满足照明实践的要求：
当前这些研究虽然也对测量误差进行了初步的定量化分析，但是由于未全面考虑噪声、光圈、数模转化等因素的影响，因此仍需开展深入工作，完善图像亮度测量方法的误差分析方法。
当前该研究多使用目前解码技术成熟的jpeg图像文件，这一方面使得图像数据经过了白平衡、γ转化等诸多非线性转化，既增加了不必要的误差，同时大大降低了相机的线性范围（一般为90：1甚至更低），从而使得CCD动态范围大等优点不能得到充分发挥。
基于数码相机的图像亮度测量方法利用的三原色理论，由于现实中三原色不能匹配出自然界中所有的颜色，而此前的研究中均未确定该测量方法在颜色空间中的能够精确测量的范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于数码相机的图像亮度计及其测量方法，要解决在降低产品成本的同时提高测量精度、降低测量误差和扩大亮度测量范围的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于数码相机的图像亮度计，其特征在于：由CCD相机和亮度测量控制分析***通过数据线连接而成；所述亮度测量控制分析***包括：一个用于接收图像数据的输入/输出模块，输入/输出模块的输出接口与CPU的输入接口连接；CPU中包括用于图像解码的图像解码模块、用于像场均匀性校正的数据校正模块；用于判断所拍摄的拟测量场景图片各被测点的RGB通道数值是否均处于精确测量的区间内并将其转化为亮度数值的亮度计算分析模块；上述CPU的一个信号输入输出接口连接用于存储操作***、分析软件、测试精度与噪声变化曲线、测量图片、测量结果的存储模块；上述CPU的一个信号输出接口与用于显示分析结果的结果显示模块连接。
一种基于数码相机的图像亮度测量方法，用数据线连接CCD相机和亮度测量控制分析***，有以下步骤：步骤（1），用CCD相机拍摄黑片，获得该待测CCD相机在测试时的背景噪声。
步骤（2），确定该CCD相机的精确测试范围，即确定满足测试精度要求的下限和上限。
步骤（3），将操作***、分析软件和测试精度与噪声变化曲线数据库输入亮度测量控制分析***的存储器。
步骤（4），用CCD相机拍摄拟测量场景图片，并存储为CR2图像文件。
步骤（5），CR2图像文件数据经数据线输入至亮度测量控制分析***。
步骤（6），亮度测量控制分析***对输入的CR2图像文件进行图像解码。
步骤（7），利用在本测试***预先校正时通过拍摄背景设置均匀面光源，得出该镜头在测试光圈下的像场均匀性校正数组对图像文件进行像场均匀校正。
步骤（8），亮度测量控制分析***将输入的CR2图像文件与测试精度的下限和上限进行比较，判断所拍摄的拟测量场景图片各被测点的RGB通道数值是否均处于精确测量的区间内，如果是则进行亮度计算。
步骤（9），如果不是，则判断高于还是低于限值，重新拍摄拟测量场景图片。
所述步骤（2）中，所述测试***精确测试范围的确定方法：1）测试***测试下限值的确定方法。
CMOS总噪声引起的误差由公式计算得出：
注：
当考虑到图像亮度、色度拟合计算公式等的影响，根据下公式：
从而可以计算出当
小于或等于0.1时
的最小数值，这就是准确测试区域的最小值。
2）测试***测试上限值的确定方法。
测试***测试上限值决定于光敏单元满势阱信号容量。当接近满阱时，由于光敏单元下耗尽区变窄，使量子效率下降，所以线性度变差。在很大的测量区间内内CMOS具有良好的线性，而当数值超出一定限值时由于其非线性响应的影响，误差会迅速增加，即为测试***测试上限值。
所述步骤（6）中，该图像亮度测试方法是基于对数码相机的RAW图像文件（本方法为佳能相机的CR2文件）的解码技术而开发完成。
一种基于数码相机的图像亮度计的使用方法，有以下步骤：a，将标定好的镜头安装在CCD相机上，并用数据线与亮度测量控制分析***相连接。
b，打开CCD相机。
c，打开亮度测量控制分析***，运行基于CCD相机的图像亮度计软件，在显示屏上选择所使用的相机类型和CCD相机相应的拍摄参数。
d，在亮度测量控制分析***的显示屏上显示可测量区域的图像，然后调整相机姿态，以覆盖拟测量区域，并点击“拍照”按钮，使CCD相机进行相应的拍摄。
e,并将图片传输到亮度测量控制分析***的软件根目录下。
f，测量前在镜头盖未打开的情况下，拍摄黑片。
g，打开拍摄的图片。
h，根据预存在测试***存储模块中对应相机型号及镜头参数的像场均匀性校正数组对图片进行像场照度均匀性校正。
i，根据校正授权文件中亮度计算参数进行亮度计算，计算出所拍摄区域各点亮度数值，将计算结果存储到所需目录下。
j，显示亮度等值线，相应选择所拍摄区域的亮度等值曲线。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：1、完成确定CCD暗流噪声校正，对于测试精度影响的分析方法；由于完成确定CCD暗流噪声校正，平场校正（flat-field correction）等技术方法，合理研究镜头衍射对于测试结果的影响，从而进一步提高测试技术，特别是在背景中明暗对比强烈的环境下的测试精度。
2、完成对于镜头像场均匀性校正方法研究，克服了各单反数码相机RAW格式图片文档，没有统一的存储格式的缺点，解决了对于RAW格式文档的读取工作的技术问题；并解决在背景中明暗对比强烈的环境下测试精度的问题。本方法基于佳能数码相机CR2图像文件开发了图像亮度测量方法，与传统亮度测试方法相比，不仅能有效地提高亮度测试效率，而且可操作性强。一次即可获取视场内各部分的亮度数据；较原基于JPEG文件格式的测试技术，提高了测试精度，扩大利用相机测试的线性范围和在颜色空间中确定其测量范围等（具体指标见下表）。这些为光环境及全天空亮度测量提供了有力的技术支撑，对建筑光学测试技术发展具有重要的技术价值。
3、利用统计分析方法深入合理的分析误差源对观测结果的影响，其中特别提出技术措施来减少由于镜头衍射对于测试精度的影响并进行了定量化研究，从而提出了合理的利用数码相机（佳能450D）进行图像亮度精确测量区间的上限和下限 。
4、本发明操作极其简便，价格更为低廉，可广泛应用于数码相机标定光度学测量，从而测试环境亮度分布的许多领域。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的模块示意图。
图2是像面照度均匀度试验装置示意图。
图3是本发明的测试流程图。
图4是测量误差随信号数值变化曲线图。
图5是佳能450D CMOS线性变化曲线。
附图标记：1-测试箱、2-乳白色PC板、3-CCD相机、4-拍摄视角区。
具体实施方式
参见图1所示，这种基于数码相机的图像亮度计，其特征在于：由CCD相机和亮度测量控制分析***通过数据线连接而成；所述亮度测量控制分析***包括：一个用于接收图像数据的输入/输出模块，输入/输出模块的输出接口与CPU的输入接口连接；CPU中包括用于图像解码的图像解码模块、用于像场均匀性校正的数据校正模块；用于判断所拍摄的拟测量场景图片各被测点的RGB通道数值是否均处于精确测量的区间内并将其转化为亮度数值的亮度计算分析模块；上述CPU的一个信号输入输出接口连接用于存储操作***、分析软件、测试精度与噪声变化曲线、测量图片、测量结果的存储模块；上述CPU的一个信号输出接口与用于显示分析结果的结果显示模块连接。
参见图3所示，这种基于数码相机的图像亮度测量方法，用数据线连接CCD相机和亮度测量控制分析***，有以下步骤：步骤（1），用CCD相机拍摄黑片，获得该待测CCD相机在测试时的背景噪声；动态范围是表征器件探测信号大小的相对范围，其上限决定于光敏单元满势阱信号容量，下限决定于器件能分辨的最小信号，即背景噪声信号。在CCD影像中的热噪声和读出噪声构成了CCD的背景噪声信号，背景噪声信号的大小限制了测试***的动态范围。
其中特别是热噪声是由导体中电子的热震动引起的，它存在于所有电子器件和传输介质中。它是温度变化的结果，因此在测试前首先需要通过拍摄暗幅确定热噪声，所谓暗幅是指CMOS不曝光的情况下，在一定快门时间（一般与测试时所用快门时间一致）下产生的图片。通过计算暗幅所有像素数值的方差，即可获得该相机在测试时的背景噪声。
步骤（2），确定该CCD相机的精确测试范围，确定测试精度的下限和上限。
1）测试***测试下限值的确定方法：
由于CMOS的背景噪声信号、信号的散粒噪声以及模拟-数字转化误差，均为CMOS自身特性所产生的噪声，它们的共同作用可以称为CMOS总噪声，而CMOS总噪声引起的误差可由公式计算得出：
注：
当考虑到图像亮度、色度拟合计算公式等的影响，根据下公式：
从而可以计算出当
小于或等于0.1时
的最小数值，这就是准确测试区域的最小值。
如图4所示，可得出随着相片数值增加与误差变化曲线（像素合并为8×8），可见当信号数值达到20时其测试误差小于10%，因此本测量方法能精确测试的最小值为20。
如图5所示，2）测试***测试上限值的确定方法：
器件探测信号的上限决定于光敏单元满势阱信号容量。当接近满阱时，由于光敏单元下耗尽区变窄，使量子效率下降，所以线性度变差。因此确定本测试方法的测试上限也就是研究CMOS线性曲线的上限。
从图5中可以看出在很大的区域内CMOS具有良好的线性，但是当数值小于13000时其测试误差仅为1.79%，而当数值大于13000时由于其非线性响应的影响，误差增加迅速。因此本测试方法的上限为13000。
步骤（3），将操作***、分析软件和测试精度与噪声变化曲线数据库输入亮度测量控制分析***的存储器。
步骤（4），用CCD相机拍摄拟测量场景图片，并存储为CR2图像文件。
具体实验装置参见图2所示，利用乳白色PC板2作为均匀面光源，将该装置在全阴天情况下（避免由于过于强烈的直射光对于测试结果精度产生不利影响）放置在四周没有遮挡的空旷环境下进行测量，测试箱1内用黑布作衬从而减少由于光线在箱体内反射引起的测量误差，该方法满足标准中关于测量像场用光源的要求。当需要获取某镜头（一般为定焦镜头）像场均匀性校正函数时，首先需要将CCD相机3的镜头对准乳白色PC板2，将拍摄视角区4至于PC板中央，并调整镜头到测试拟用光圈等级上，拍摄图片。
步骤（5），CR2图像文件数据经数据线输入至亮度测量控制分析***。
步骤（6），亮度测量控制分析***对输入的CR2图像文件进行图像解码。
步骤（7），利用在本测试***预先校正时通过拍摄背景设置均匀面光源，得出该镜头在测试光圈下的像场均匀性校正数组对图像文件进行像场均匀校正。
步骤（8），亮度测量控制分析***将输入的CR2图像文件与测试精度的下限和上限进行比较，判断所拍摄的拟测量场景图片各被测点的RGB通道数值是否均处于精确测量的区间内，如果是则将所拍摄的图片根据所使用镜头对应光圈的像场均匀性校正数组进行像场均匀性修正，然后再进行亮度计算；亮度转化公式为：
首先将各个R、G、B数据减去一个背景噪声平均值，然后将数组中所有小于准确测试区域的最小值的数值均设置为0，数组中所有大于13000的数据全部设置为65535（FFFF）。
此时如果没有选择曝光补偿，即测试的时候只拍摄了一张照片，则可直接对R、G、B三个数据利用亮度转换公式，转换为亮度数组。在显示结果的时候对于有一个为0，或为FFFF，则显示为低于或高于测试阈值。计算平均值时分别以R、G、B均为准确测试区域的最小值或均为13000算计算的亮度值来参与运算。
如果选择了曝光补偿，则首先需要将过曝光的图片和欠曝光图片均归算到正常曝光的曝光状态去，及过曝光的图片除以过曝的档位，如过曝3档即过曝图片的数组分别除以
，而相应的图片则需乘以欠曝的档位，最后对三个数组求平均（注意以上运算中所有数值为0或者FFFF的均不参与运算），平均后生成浮点型的R、G、B数组，并对该三个数据进行转换，求出亮度公式，结果显示同无曝光补偿。
步骤（9），如果不是，则判断高于还是低于限值，重新拍摄拟测量场景图片。
这种基于数码相机的图像亮度计的使用方法，有以下步骤：a，将标定好的镜头安装在CCD相机上，并用数据线与亮度测量控制分析***相连接。
b，打开CCD相机。
c，打开亮度测量控制分析***，运行基于CCD相机的图像亮度计软件，在显示屏上选择所使用的相机类型和CCD相机相应的拍摄参数。
d，在亮度测量控制分析***的显示屏上显示可测量区域的图像，然后调整相机姿态，以覆盖拟测量区域，并点击“拍照”按钮，使CCD相机进行相应的拍摄。
e,并将图片传输到亮度测量控制分析***的软件根目录下。
f，针对不同的相机在标定文件中，已经给出了默认的背景噪声大小，但是由于背景噪声受到温度的影响，当需要进行精确测量时，则需在进行测量前，在镜头盖未打开的情况下，拍摄黑片。
g，打开所拍摄的图片。
h，根据预存在测试***存储模块中对应相机型号及镜头参数的像场均匀性校正数组对图片进行像场照度均匀性校正。
i，根据校正授权文件中亮度计算参数进行亮度计算，计算出所拍摄区域各点亮度数值，将计算结果存储到所需目录下。
j，显示亮度等值线，相应选择所拍摄区域的亮度等值曲线或亮度直方图。
Claims (5)
1.一种基于数码相机的图像亮度计，其特征在于：由CCD相机和亮度测量控制分析***通过数据线连接而成；所述亮度测量控制分析***包括：一个用于接收图像数据的输入/输出模块，输入/输出模块的输出接口与CPU的输入接口连接；CPU中包括用于图像解码的图像解码模块、用于像场均匀性校正的数据校正模块；用于判断所拍摄的拟测量场景图片各被测点的RGB通道数值是否均处于精确测量的区间内并将其转化为亮度数值的亮度计算分析模块；上述CPU的一个信号输入输出接口连接用于存储操作***、分析软件、测试精度与噪声变化曲线、测量图片、测量结果的存储模块；上述CPU的一个信号输出接口与用于显示分析结果的结果显示模块连接。
2.一种基于数码相机的图像亮度测量方法，用数据线连接CCD相机和亮度测量控制分析***，其特征在于有以下步骤：
步骤（1），用CCD相机拍摄黑片，获得该待测CCD相机在测试时的背景噪声；
步骤（2），确定该CCD相机的精确测试范围，即确定满足测试精度要求的下限和上限；
步骤（3），将操作***、分析软件和测试精度与噪声变化曲线数据库输入亮度测量控制分析***的存储器；
步骤（4），用CCD相机拍摄拟测量场景图片，并存储为CR2图像文件；
步骤（5），CR2图像文件数据经数据线输入至亮度测量控制分析***；
步骤（6），亮度测量控制分析***对输入的CR2图像文件进行图像解码；
步骤（7），利用在本测试***预先校正时通过拍摄背景设置均匀面光源，得出该镜头在测试光圈下的像场均匀性校正数组对图像文件进行像场均匀校正；
步骤（8），亮度测量控制分析***将输入的CR2图像文件与测试精度的下限和上限进行比较，判断所拍摄的拟测量场景图片各被测点的RGB通道数值是否均处于精确测量的区间内，如果是则进行亮度计算；
步骤（9），如果不是，则判断高于还是低于限值，重新拍摄拟测量场景图片。
3.根据权利要求2所述的基于数码相机的图像亮度测量方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述测试***精确测试范围的确定方法：
1）测试***测试下限值的确定方法：
CMOS总噪声引起的误差由公式计算得出：
注：
当考虑到图像亮度、色度拟合计算公式等的影响，根据下公式：
从而可以计算出当
小于或等于0.1时
的最小数值，这就是准确测试区域的最小值；
2）测试***测试上限值的确定方法：
测试***测试上限值决定于光敏单元满势阱信号容量；当接近满阱时，由于光敏单元下耗尽区变窄，使量子效率下降，所以线性度变差；在很大的测量区间内内CMOS具有良好的线性，而当数值超出一定限值时由于其非线性响应的影响，误差会迅速增加，即为测试***测试上限值。
4.根据权利要求2所述的基于数码相机的图像亮度测量方法，其特征在于：所述步骤（6）中，该图像亮度测试方法是基于对数码相机的RAW图像文件（本方法为佳能相机的CR2文件）的解码技术而开发完成。
5.一种基于数码相机的图像亮度计的使用方法，其特征在于有以下步骤：
a，将标定好的镜头安装在CCD相机上，并用数据线与亮度测量控制分析***相连接；
b，打开CCD相机；
c，打开亮度测量控制分析***，运行基于CCD相机的图像亮度计软件，在显示屏上选择所使用的相机类型和CCD相机相应的拍摄参数；
d，在亮度测量控制分析***的显示屏上显示可测量区域的图像，然后调整相机姿态，以覆盖拟测量区域，并点击“拍照”按钮，使CCD相机进行相应的拍摄；
e,并将图片传输到亮度测量控制分析***的软件根目录下；
f，测量前在镜头盖未打开的情况下，拍摄黑片；
g，打开拍摄的图片；
h，根据预存在测试***存储模块中对应相机型号及镜头参数的像场均匀性校正数组对图片进行像场照度均匀性校正；
i，根据校正授权文件中亮度计算参数进行亮度计算，计算出所拍摄区域各点亮度数值，将计算结果存储到所需目录下；
j，显示亮度等值线，相应选择所拍摄区域的亮度等值曲线。
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