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【技术文章】光测量技术创新方法

原文：《Best of Two Worlds — Innovations in Light Measurement Technology》

作者：Chr. Schwanengel, Dr. Udo Krüger, Bob Liu

编译：屈鼎然，郭雨欣

指导：林燕丹

简介：本文集关注于实验室条件标准化和光评估的趋势，介绍 CIE 与 GTB 工作组的主要理论工作如何转变为生产性实验室，使汽车行业能够监测和发展其在测量技术方面的创新。

在 CIE TC2-67 -“道路车辆的道路照明装置、光信号装置和回射装置的光度测量”（目前处于委员会草案状态）中，对前照灯开发至关重要的基于摄像头的测量实验室被首次包含其中。使经典测角光度法与高对比度相机相结合。去年发布的技术报告 CIE244:2021 -“成像亮度测量设备 (ILMD) 的特性”首次描述了可用于对适合该应用的 ILMD 进行分类的扩展质量指标。合适的光度和几何 ILMD（称为 II 型）使带有额外测量屏幕的实验室能够更快地工作。VELAS在中国按照C-NCAP标准进行评估，是全球首家整车测角仪测量实验室。将高对比度相机与测角光度计相结合为 GTB 工作组奠定了基础。

立法与标准化趋势

制造商不断地进一步开发产品必须不断调整、进一步发展或创造新的法律和标准。通常，制造商自己有兴趣充分鉴定和量化他们的产品，以展示和命名他们在市场上的优势。需要超出现有标准的额外要求和质量标准，必须首先定义这些标准。需要来自不同学科的专家来制定合适的标准化。首先，需要熟悉产品的专家，即制造商。然后需要（测量）技术人员熟悉记录相关数据所需的设备或测量技术。最后但并非最不重要的一点是，法律方面的代表也应参与进来，以确保制定的标准化适合并符合现有法规。国家和国际标准化机构的报告和标准的制定需要 5 到 15 年，因此必须精心规划并及时开始，以便在标准化完成后仍然代表最先进的技术。

分类和特点

ILMD是空间分辨亮度测量设备，其将垂直于光轴的平面通过透镜成像到传感器阵列上。这里区分了两种类型：

ILMD I型:

针对亮度进行了校准的设备，即亮度图像的每个像素都包含在场景中看到的亮度信息。图像评估和校准都不需要几何信息。

ILMD II型：

亮度图像中的每个像素代表场景中的亮度值以及有关方向、位置和观察立体角的相关信息。这种类型的 ILMD 需要光度和几何校准。

为了能够评估和比较光度测量设备，CIE 出版物 CIE53:1982 首次引入了特性值，然后在 CIE69:1987 中引入了一个全面的特性值和评估系统（例如，众所周知的1 '用于描述光谱适应 V(λ) 函数的质量）。目前，此信息在 ISO/CIE19476:2014(E) 标准中有所描述。但是，对于许多应用，除了 ISO/CIE19476:2014(E) 中考虑的属性之外，其他参数也很重要。

为了缩小差距并扩大评估的可能性，特别是对于 ILMD，引入了各种新的质量指标。下表显示了新指数。

表1:CIE244:2021新质量指数

例如，这里提到了负对比度（24）和边缘函数（25）。在这里，蓝色区域中的结果测量值在定义的场景中发挥作用。

图 1：来自 CIE244:2021 的 f24 和 f25 测试图像

动态范围vs对比度

两者都是强度差异。在空间分辨传感器的情况下，差异可以是时间的或空间的。假设 ILMD 一方面可以准确测量非常暗的物体（例如，背光符号或显示器的背光），另一方面可以准确测量非常亮的物体（例如，大功率 LED、弧光或类似物），那么我们说这是动态的。因此，动态范围表示系统在不同时间点测量不同亮度物体的能力。好的设备可以达到1:10,000,000 甚至更大的动态范围。

有多种应用场景中存在强度差异（例如，近光灯、HDR 显示器）。在这里，我们谈到图像中的对比度。LMD 可以显示比 1:10,000,000 对比度范围低得多的对比度。标准 ILMD 在明暗边界处实现了 1:1000 的对比度（比较图 1 右图），在更不利的负对比度场景中（图1左图），它们的对比度仅为 1:100 或更糟糕。

这种标准系统不适用于必须测量高对比度的场景中。对于这种测量任务，需要专门针对应用进行优化。因此，将来用户应坚持使用制造商的这些规范，以便能够评估 ILMD 的适用性。

图 2：ILMD 对比度的相关质量指标示例

在 TC2-67 中，根据联合国各种法规的规定，定义了汽车行业中测量灯和信号设备的要求以及环境和操作条件。目前，未来标准处于“委员会草案”状态。在这里，对前照灯开发至关重要的基于摄像头的测量实验室也首次作为间接发光强度测量设备包括在内。通过额外的测量屏幕，这些实验室的工作速度可以比传统的顺序扫描测角光度法快许多倍。除了测量屏幕和相机系统属性的详细信息外，该标准还定义了相应的测量不确定度预算，并使用清晰的示例确定单个和总体贡献。

测量技术的挑战

从不同的视角考虑，一方面，时间起着重要作用。此外，挑战随着所需的分辨率、对比度和相关的测量不确定性而变化。

当观察一个复杂的现代聚光灯时，它不再只产生一个或两个光分布，而是产生数百个光分布，很快就会发现评估必须更快地完成，否则，对单个系统的评估将需要数天时间。

传统的测角光度法已经走到了尽头。测角光度计现在可以移动的速度已经高于当前测量对象的速度。由于光分布的陡峭梯度或调制频率导致的有限曝光时间，通常需要以远低于最大速度的速度进行扫描。因此，在过去的 20 年中，空间分辨测量技术越来越多地进入该领域。ILMD II 型检测光分布的速度比顺序方法快 100 倍以上。

下面的例子显示了一个近光灯分布，最大值约为。18,000 cd。在截止线上方的黑暗区域中，存在 3 cd 及以下的较大区域。因此，这里存在超过 1:6000 的最大与最小对比度。左图显示了使用标准 ILMD 进行的测量，根据 ISO/CIE19476:2014(E) 和当前的技术水平，对于均匀测量而言，其不确定性可能非常小，为 3% 或更低。

在 HDG 以下的亮光下的测量值与对比度优化的 ILMD 或光度计测量值基本一致。示例中的偏差仅为 2%。然而，它完全不适合 HDG 以上的测量，因为它的对比度限制，如本例所示，这意味着它的测量值约为。30 cd 而不是 3 cd，对应于 27 cd 或 900% 的偏移量。在这种情况下，测量的是测量设备的属性，而不是测量对象的属性。

对比度优化的 ILMD 可产生 10 倍甚至更高的对比度（见图 3）。然而，这种对比度测量能力仅被新的质量指标考虑在内。

图 3：左侧标准 ILMD；对比度优化的 ILMD 右

对于前照灯的评价，多年来实验室主要采用两种方法。一种是测角光度法，其中至少一个光敏传感器（光度计、色度计）位于距待测量对象的定义距离处，并用其依次扫描光分布。另一种是基于相机的间接测量方法——带有反射屏的 ILMD Type II。

虽然经典测角光度法在光谱匹配方面具有优势，尤其是由于顺序单次测量而具有对比优势，但基于相机的技术的最大优势在于速度。

几个实验室已经表明，不必牺牲任何优势，通过结合这两种技术可以获得额外的优势。

基于快速摄像头的屏幕测角仪，即使在测量对象不倾斜的静态测量设置中，也可以在使用相机的测量实验室中通过单次拍摄来捕获发光强度分布的大子段。根据房间和屏幕尺寸，测量前照灯的角度范围可以是水平范围，例如 ±20°。对于某些应用来说，这已经足够了，这就是为什么在实践中已经有大量这样的实验室。获取具有例如 0.01° 分辨率的这种 LID 段只需几秒钟。对于这种测量技术来说，测量室本身，尤其是测量屏幕都是测量系统的一部分，并对测量产生相应的影响，这一点很重要。两者都必须考虑在内，并相应地进行细致的表征。

如果受屏幕尺寸限制的部分LID不足，可以通过相应的移动单元扩展实验室，从而组合多个LID段。图 6 显示了一个具有多种可能组合和扩展的示例实验室。

图 4：基于相机的组合屏幕测角光度法实验室

如果水平增量足够，则可以使用简单的一维处理系统根据需要加宽 LID。如果还需要更多垂直信息，则必须围绕两个轴进行旋转，并且必须使用机器人或测角仪。如果使用后者，则可以为实验室配备更多的、顺序操作的传感器。这提供了最高的灵活性和其他优势，例如基于相机的数据与光度计读数的同步/校准。

三大优势：

• 比标准测角光度法快 100 倍

• 可实现快速 PWM 模式

• 传感器讨论（同步/校准）

三个重要指标：

• ILMD II 型，对比度质量指数 <1e-3

• 搬运系统的定位精度必须至少与目标图像分辨率相对应

• 充分且充分表征的反射屏幕和空间

图5: VELAS车辆照明评估系统

VELAS 也是一个与相机和光度计一起使用的组合系统。在该系统中，车辆放置在转盘上，使整车水平旋转，因此还允许组装水平摄像头 LID。对于 3.5 吨以下的车辆，该平台的定位精度为 ≤ 0.01° 或 ≤ 1 mm。

光度计安装在距离为 25 m 的独立式 8 m 高线性轴上，因此可以覆盖与标准测角光度计等效的垂直扫描方向。这里的定位精度也小于1毫米。将车辆放在转盘上后，触觉系统会准确记录前照灯和灯的位置。