Praktické příklady měření a hodnocení jasových poměrů

Praktické příklady měření a hodnocení jasových poměrů

dipl. Ing. Aleš Markytán, TU Ilmenau,
Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Lichttechnik, Německo
doc. Ing. Jiří Plch, CSc., Světelná technika Brno,

Úvod

Problematika hodnocení jasových poměrů byla předmětem velkého počtu vědeckých prací. V současné době existuje snad čtrnáct výrobců, kteří nabízejí různé přístroje pro fotometrii. Mezi těmito přístroji existují určité rozdíly, dané především aplikací druhu čidla, měřícími rozsahy, způsobem odečtu měřené veličiny, měřicím úhlem, stupnicí, třídou přesnosti, celkovým výkonem, délkou propojovacích kabelů, celkovými rozměry měřicího přístroje, jejich hmotností a v neposlední řadě cenou nabízeného přístroje. Přitom klíčovou otázkou byla a je kvalita čidla (snímače) a jeho funkční vlastnosti z hlediska spektrálního přizpůsobení.

Integrální přístroj, který je schopen zhodnotit reálné jasové poměry v daném časovém okamžiku a daném prostoru, je nyní k dispozici (obr. 1).

1. Základní charakteristika přístroje LMK mobile

Jak je ze zkratky tohoto přístroje zřejmé, jde o kameru pro měření jasů vycházející z principu digitálního fotoaparátu ROLLEI. Toto zařízení umožňuje měřit jasy a určit jasové rozložení v libovolném prostoru (interiér a exteriér).

Výhodou je možnost vyhodnotit a analyzovat jasové poměry bez časového omezení (určení minimálních, maximálních a středních hodnot stanovených objektů apod.) s využitím PC nebo notebooku, popř. i nezávislost na napájecím zdroji.

2. Měřící princip

Pozitivní vlastnosti, které má dnes klasický digitální fotoaparát, se staly základem pro vývoj nové technologie a zpracování digitálního obrazu tak, aby byly získány reálné jasové poměry na podkladě základních zákonitostí, popsaných vztahy:

kde X_c je veličina proporcionální hodnotě jasu, K_m maximální světelný účinek záření pro denní vidění (683 lm/W), H_el spektrální dávka ozáření (W·s/m²), S´(l) spektrální citlivost čipu digitálního fotoaparátu, L jas (cd/m²), R(l), G(l), B(l) spektrální citlivosti senzorů R, G, B kamery, K_R, K_G, K_B matriční koeficienty senzorů pro V(l) přizpůsobení.

3. Stanovení jasu

Ke stanovení jasové hodnoty je nutné určit váženou hodnotu signálu kanálů (R, G, B) jednotkového čipu (něm. Matrizierung) barevné matice s rozlišením 1 300 × 1 030 (obr. 2). K tomu jsou použity odpovídající čtyři pixely, které se skládají v jednu makrobuňku. Ta je tvořena tak, že její součástí jsou jeden modrý, jeden červený a dva zelené pixely. Tím se dosáhne jednak odpovídajícího přizpůsobení a jednak možnosti stanovit požadovanou hodnotu jasu této makrobuňky. Uvedené makrobuňky jsou základem pro stanovení jasové analýzy měřené scény (digitální fotografie) o celkové velikosti 630 × 615 obrazových bodů.

Takto pojaté V(l) přizpůsobení není provedeno pomocí jediného filtru, jak je běžné u mnoha fotometrů (v němčině Voll-filtru), ale určením středních hodnot z dat kanálů R, G, B (Matrizierung), jak bylo již popsáno.

LMK mobile (jasový analyzátor) je kalibrován pro normalizovaný světelný zdroj A. Odchýlením od spektrálního složení tohoto zdroje mohou za určitých okolnosti vzniknout i velké chyby měření. Jako korekční faktor je možné dodatečně zavést tzv. činitel CCF (Color Correction faktor) a daný systém s využitím produktu Software LMK rekalibrovat. Zmíněné údaje jsou uživateli dodány podle specifikace firmou TechnoTeam. Jedná se hlavně o zdroje s úzkým spektrem, jako jsou např. LED.

Do korekce jasových dat jsou zahrnuty signál za temna, vinětace objektivu, nelinearita, rovněž jako hodnoty nastavení času integrace, clony, zaostření a úhlu snímání (zoom).

Tab. 1. Technické údaje digitální měřicí kamery LMK mobile 2000

Snímač CCD	Sony ICX 085 AK
Počet efektivních pixelů	1 280 (hor.) × 1 024 (vert.)
Rastr	6,7µm × 6,7 µm
Aktivní plocha čipu	8,71 mm² × 6,90 mm²
Čtecí režim	progresivní Scan
Jasová rozlišitelnost (počet obrazových bodů)	640 (hor.) × 512 (vert.)
Videosignál	10 bit (digitální)
Rozlišitelnost bodu v režimu Standard (1)	1 : 500
Rozlišitelnost bodu v režimu High-Dyn (2)	1 : 50 000

4. Druhy měření

Měřicí sytém LMK může byt použit ve dvou speciálních režimech.

P-Fast se vyznačuje tím, že má menší měřicí jasový rozsah a je udělán jen jeden snímek.

Naproti tomu u režimu High-Dyn jsou udělány čtyři snímky s různou dobou integrace. Pomocí programu LMK jsou pak sloučeny v jediný měřicí snímek jasu, a to s vyšším rozsahem (tab. 1).

5. Použití a možnosti produktu Software LMK 2000

Software LMK pro vyhodnocení jasového rozdělení a dalšího zpracování jasových snímků standardně pracuje pod operačním systémem Windows a velmi dobře spolupracuje s MS Office (Word, Excel a jiné). Základní technické údaje digitálního přístroje pro analýzu rozložení jasu jsou uvedeny v tab. 1. Technické údaje objektivu jsou v tab. 2.

Přehled parametrů měření, technických údajů kamery a aplikačních oblastí digitální analýzy jasových poměrů jsou uvedeny v tab. 3 až 5.

Tab. 2. Technické údaje objektivu

Typ	D-Vario-Apogon
Ohnisková vzdálenost	zoom, 10 až 30 mm
Obrazový úhel záběru	2u = 82° × 69° (f = 10 mm) 2u = 32° × 26° (f = 30 mm)
Vzdálenost	autofokus – od 0,6 m do Ą manuálně od 7 cm do Ą, pro (f = 10 mm) od 2 cm do Ą, pro (f = 30 mm)
Clona	K = 2,8; 4,0; 5,6; 8,0; 11,0

Tab. 3. Parametry měření

Parametr	Hodnota/rozsah
měřicí rozsah jasů	1 až 200 000 cd/m²÷
odchylka přizpůsobení V(l)	teplotní zdroje a D 65 < 5 % zářivky, MHN-T < 10 %
chyba způsobená parazitním světlem	f_2,u < 1,5 %
kalibrační jistota	<3,0 %
aplikační oblasti	prostorová analýza jasů interiéry, exteriéry, ostatní aplikace

Tab. 4. Provozní údaje kamery

Zdroj	7 × 1 800 mA, 1,3 V, AA, AAA
Doba provozu	kolem 1,5 h
Typ paměťové karty	smart Media Card(PCMCIA-ATA-adaptér) CompactFlash Card (PCMCIA-ATA-adaptér), PCMCIA-ATA-Cards, typ I, II o, III PCMCIA-ATA Testplatte 360 MB
Kapacita pro měření	1,8 MB (Standard) jeden snímek 9,0 MB(High-Dyn) čtyři snímky
Operační systém	Windows
Software	LMK 2000

6. Ukázky některých aplikací

Takovým příkladem může být i posuzování a hodnocení jasových poměrů ulice v klidové zóně (obr. 5 a obr. 6).

Je pochopitelné, že jde o konečný pohled na vyhodnocení reálných hodnot jasu této části ulice s jednostrannou osvětlovací soustavou. To nejdůležitější v daném systému hodnocení je ovšem přiřazení odpovídající jasové stupnice. Ta je uvedena na přilehlé barevné stupnici.

Závěr

Naznačený postup posuzování a hodnocení jasových poměrů s využitím digitálního přístroje LMK 2000 mobile ukazuje, že v mnoha aplikačních oblastech umožní přesné posouzení reálných jasových poměrů. Tento přístroj využívající moderní způsob měření se tak stane nepostradatelným pomocníkem ve všech případech, kdy bude zapotřebí rychlá (s dostatečnou přesností) analýza jasových poměrů, tak jak je vnímána lidským zrakem při výkonu různorodých činností.

Tab. 5. Přehled aplikačních oblastí digitální měřicí kamery LMK mobile 2000

Aplikační oblasti	Charakteristika použití
interiéry	hodnocení a posuzování jasových poměrů pracovišť s výpočetní technikou, konstrukčních kanceláří, operačních sálů, učeben, všech prostorů s vyšší zrakovou náročností
exteriéry	hodnocení a posuzování jasových poměrů silnic, dálnic (podle DIN 50 44), tunelů (podle DIN 67 524) a silničních značek
ostatní aplikace	hodnocení a posuzování jasových poměrů ovládacích panelů velínů a dozoren, přístrojových panelů, kontrastů displejů, reklamních panelů a poutačů, kontrastů symbolů prohlížečů, znalecké posuzování dopravních nehod na podkladě jasové analýzy
denní osvětlení	hodnocení a posuzování jasových poměrů pracovišť při slunečním svitu a úprav interiéru pro zamezení oslnění

Uvedený výčet možných aplikací je jen orientační, aplikační oblasti jsou podstatně širší. V zásadě jde o nejmodernější způsob rychlého integrálního posouzení jasových poměrů, který dnes se stávajícím technickým a měřicím vybavením není v praxi uskutečnitelný.

Literatura:

[1] KRÜGER, U.: Technological aspects of spectral correction adjustment of space resolved radiation dedectors. Light & Ingineering, 2001, Vol. 9, No. 3, pp.61–71.

[2] KRÜGER, U. – SCHLICHTING, B.– SCHMIDT, F.– WEYH, S. Digitale CCD-Kameras mit hoher Quantisierungsauflösung – Analyse und Design. Jahrbuch für Optik und Feinmechanik, 1998 (45. Jhrg.), Herausgeber: Prenzel, W.-D.

[3] SCHMIDT, F.– KRÜGER, U. Einsatz von Standard-CCD-Matrizen für photometrische Meßzwecke – Analyse und Design von Kameras mit hoher Auflösung und Genauigkeit. Framos CCD-Forum ‚99, München, 10.–11. 6. 1999. auszugsweise veröffentlicht in: SCHMIDT, F. – KRÜGER, U.: Fotometrie mit CCD-Matrizen. Design&Elektronik Optoelektronik, 8/1999, S. 83–87.

[4] SCHMIDT, F. – FISCHBACH, I. – GALL, D.– WOLF, S.: Möglichkeiten und Probleme der bildaufgelösten Leuchtdichtemessung mittels CCD-Kamera. In: 41. IWK, 1996.

[5] SCHMIDT, F.: Einsatz der CCD-Technik für bildauflösende Lichtmeßtechnik. In: Lux-Junior, 2. Internationales Forum für den lichttechnischen Nachwuchs. Dörnfeld, 1995.

[6] TechnoTeam, GmbH: Technické podklady Mobile LMK vario 2000. Ilmenau, 2002.

[7] PLCH, J.: Vývojové tendence v technice osvětlování. In: XXIV. mezinárodní konference KART a VII. mezinárodní konference CART. Brno, Praha, 1999, s. 73–76, ISBN-80-7060-482-1.

[8] PLCH, J. – MARKYTÁN, A.: Aplikace jasového analysátoru. In: Mezinárodní konference s výstavou SVĚTLO 2000. Ostrava, 2000, s. 257–263. ISBN 80-7078-789-9.