UGR测量技术之智能曝光

一、引言

合理曝光时间的设定对于以面型亮度测量为基础的眩光测量非常重要，一不小心就过曝或者欠曝，而过曝和欠曝都会极大影响测量结果，特别是亮度对比度较大的场合。那么，要如何合理的设定曝光时间呢？

本文从CMOS传感器的线性度出发，详细讲解眩光测量时曝光时间该如何设定，以及GM-1000系统的智能曝光功能是如何保证系统测量精度的。

二、感光材料的线性度

CCD/CMOS传感器的像素是量子井，井的容量有限，当井里的光子数超过它的容量时，就无法测准光子数了；而若井里的光子数太少，信号可能会被井自身的噪声所淹没，也无法准确测量了。这就是传感器的线性和非线性度特性。

CMOS传感器的线性度如下图，AB段是曝光不足段，CD段为曝光过度段。直线段BC线性度最好，就是测量时用的那一段。只有当光子数在BC段对应的范围内才能获得准确的结果。

三、曝光时间

在其他条件不变时，CMOS传感器量子井光子数与物体表面亮度和曝光时间成正比。

相机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体将在传感器上成像。GM-1000曝光时间1/4000s能准确测量的亮度范围是35000~380000 cd/m²，曝光时间1s能测量的亮度范围是8.6~93 cd/m²。测量时，需要根据场景的亮度分布选择合适的曝光时间，以保证不同亮度水平都能落在线性范围内，从而保证测量准确度。

四、曝光时间对测量结果的影响

标准亮度为102.6 cd/m²的标准A光源，分别采用1/1600、1/10、0.8和1.6测量该光源，得到结果如下：

1/1600，测量结果83.3 cd/m²，误差-16.7%

1/10，测量结果102.1 cd/m²，误差-0.5%

0.8，测量结果103.1 cd/m²，误差0.5%

1.6，测量结果75.9 cd/m²，误差-24.1%

1/1600              1/10                 0.8s                1.6s

这是因为测量100cd/m²最好的曝光时间是1/10~0.8s，1/1600s曝光不足，噪声大，信号被噪声掩盖；1.6s又太长，过曝了。

实际测量时，光源有很多种，亮度也不定，手动设定曝光时间误差很大。

此外，眩光场景通常亮度对比比较大，一个曝光时间通常无法既测量灯具发光面、又准确测量背景，必须要进行多次曝光、高动态范围合成。

五、高动态范围

如上文所述，假设黑板亮度水平为10cd/m²，可以选择的快门1~8s；灯具亮度水平约为5000cd/m²，应选择快门1/500~1/60s。没有哪个曝光时间能既测量黑板又测量灯具。

解决方案是分别用合适的曝光时间测量黑板亮度和灯具亮度，然后将它们合成为一张。合成时，分别摒弃欠曝的黑板部分和过曝的灯具部分，这样就能得到灯具和黑板都准确的结果。这就是高动态范围合成。

理论上来说，只要采用的曝光时间足够多，可以达到无穷大的动态范围。实际上当然是达不到的。GM-1000最多支持6张不同曝光时间的图像合成，覆盖0.5~380,000cd/m²亮度范围，保证测量准确度。

1/500s              1/60s                   1/10s             0.6s

HDR合成图像

六、      智能曝光

智能曝光功能是软件智能根据场景的亮度水平，设定最合适的一组曝光时间、并进行测量。避免曝光时间设定不合理带来的欠曝、过曝等导致亮度测不准的问题。

上图是会议室中，分别关闭和打开距离最近的那盏灯，用GM-1000智能设定曝光时间组、测量得到的亮度分布：

左图：关闭了距离最近的灯，场景内亮度和亮度比较低，软件智能设定曝光时间为1.3s和1/6s，并进行了HDR合成；

右图：打开了距离最近的灯，场景内亮度和亮度比较高，软件智能设定曝光时间为0.6s，1/10s，1/60s，1/500s，同样HDR合成。

对比两图中的同一盏灯的亮度值，左图测量的结果是183.4 cd/m²，右图是185.5 cd/m²，结果差值1.2%。这表明：

①    软件两次设定的曝光时间都很合理，因此没有过曝或者欠曝，亮度结果稳定；

②    GM-1000系统线性度较好，不同曝光时间测量重复性也很好。

七、      AEB包围曝光

有些厂家采用相机自带的AEB包围曝光功能进行亮度和眩光测量。

AEB包围曝光是手动设定一个快门、在设定快门基础上分别增加和减少8级快门，共3个快门来获得3张不同曝光水平的图像进行HDR合成。假设中间快门为1s，则增加8级快门到8s、减少8级快门到0.125s。

因此，AEB包围曝光实际上是限定了上下限的小范围高动态范围合成。相比较GM-1000而言，AEB包围曝光主要有以下缺点：

①    只支持三个不同曝光时间进行测量；

②    最多只能增加或减少8级快门，使得它的动态范围被限制在1:32000；

③    最重要的是，它的曝光时间是手动设置的，设置得合理与否直接决定了测量精度。