孫 澄，劉 蕾，孔 哲

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，黑龍江省寒地建筑科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee, WI 53201,USA)

HDR-I技術(shù)應(yīng)用于光環(huán)境性能實(shí)測的方法

孫 澄1，劉 蕾1，孔 哲2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，黑龍江省寒地建筑科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee, WI 53201,USA)

本文研究HDR-I技術(shù)用于光環(huán)境性能實(shí)測的方法流程。通過多曝光時(shí)間場景圖像的獲取、相機(jī)亮度反應(yīng)函數(shù)的確定、HDR-I合成、相機(jī)刻度校準(zhǔn)以及鏡頭漸暈校準(zhǔn)的五步驟技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)了HDR-I的準(zhǔn)確合成，并在合成圖片的基礎(chǔ)上，利用HDR Scope軟件對光環(huán)境性能進(jìn)行分析。解決了光環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算時(shí)間長，所需環(huán)境信息多以及與實(shí)際誤差大等問題，為光環(huán)境實(shí)測、評(píng)價(jià)及軟件修正提供技術(shù)支持。

HDR-I；光環(huán)境性能；實(shí)測；技術(shù)流程

引言

隨著綠色建筑理念的普及和現(xiàn)代建筑理論的發(fā)展，自然采光在建筑設(shè)計(jì)中的重要性愈加彰顯，這對光環(huán)境性能的實(shí)測及評(píng)價(jià)提出了更高的要求，快捷、準(zhǔn)確地實(shí)測光環(huán)境性能這一問題亟待解決。本文在Malika 和Debevec關(guān)于HDR-I技術(shù)合成誤差的研究基礎(chǔ)上，提出HDR-I技術(shù)用于光環(huán)境性能實(shí)測的方法，確定HDR圖片的獲取及合成流程，為建筑自然采光設(shè)計(jì)提供一種便捷可靠的實(shí)用工具。

1 HDR-I概念及優(yōu)勢

1) HDR-I概念。HDR-I是High-Dynamic Range image的英文縮寫，本文譯作高動(dòng)態(tài)范圍圖像。所謂動(dòng)態(tài)范圍，是數(shù)碼圖像中記錄的最亮值與最暗值的相對比值。動(dòng)態(tài)范圍代表了數(shù)碼圖像所能記錄的 “最亮”到“最暗”之間亮度等級(jí)數(shù)。計(jì)算公式如下：

(1)

式中RDynamic為動(dòng)態(tài)范圍，Imax為最大光信號(hào)強(qiáng)度值，Imin為最小光信號(hào)強(qiáng)度值。比值的大小表示動(dòng)態(tài)范圍的大小。比值越大，動(dòng)態(tài)范圍越大，顯示的亮度級(jí)別就越多，包含的場景亮度信息越多。 高動(dòng)態(tài)范圍就是從“最亮”到“最暗”之間的亮度等級(jí)多，能顯示豐富的層次。為了達(dá)到提高圖像動(dòng)態(tài)范圍的目的，學(xué)者們通過研究采取了以下兩種方法：一是增加存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寬度(16 bit、32 bit 等)以提高像素?cái)?shù)據(jù)的精度；二是采用浮點(diǎn)值存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，大大提高圖像所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。

一直以來，HDR-I在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中頻繁應(yīng)用，起到了重要作用。 HDR-I技術(shù)相比于傳統(tǒng)圖像技術(shù)，在圖像建模、繪制、拼接以及圖像處理(例如運(yùn)動(dòng)模糊)等領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)圖像只能使用256個(gè)亮度級(jí)別來區(qū)分表示， 而實(shí)際自然場景中動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100 000 000∶1[1]， 這就意味著傳統(tǒng)圖像中有很多信息丟失；與傳統(tǒng)圖像不同，HDR-I用浮點(diǎn)數(shù)來表示像素值，可以將自然場景中的動(dòng)態(tài)范圍全部信息表示出來。HDR-I像素值與實(shí)際場景亮度值是線性映射的關(guān)系，且許多圖像處理算法中假定像素值和實(shí)際亮度值呈線性關(guān)系[2]，這為HDR-I后期數(shù)據(jù)處理帶來極大方便。

2)HDR-I的獲取方法。HDR-I的獲取方法主要有三類: 人工合成法，將模擬光線和基于物理光照模型的合成圖像[3]， 早期HDR圖像的來源主要是這一類；多次曝光法，用多張不同曝光度的普通圖像計(jì)算實(shí)際亮度，得到HDR圖像；圖像傳感器捕獲法，使用專用設(shè)備來直接拍攝HDR 圖像[4-5]。

第一類方法中都是人工合成的圖像， 不能處理自然圖像；第三類方法需要特殊的設(shè)備；第二類只需普通相機(jī)拍攝幾張不同曝光度的圖像就可以得到HDR圖像，其原理為采用較短的曝光時(shí)間獲取場景亮區(qū)的細(xì)節(jié)，較長的曝光時(shí)間獲取場景暗區(qū)的細(xì)節(jié)；通過合理的分布多張圖像的曝光時(shí)間，涵蓋整個(gè)真實(shí)場景的所有亮度信息， 因此具有較好的應(yīng)用價(jià)值。 為解決多次曝光法的合成誤差，Malika和Debevec提出改進(jìn)方法，在精確知道連續(xù)8～10張圖像曝光度的情況下，解決了當(dāng)?shù)s束條件精度設(shè)置較高時(shí)有可能出現(xiàn)的發(fā)散情況，校正了當(dāng)曝光度比的預(yù)期值偏離正確值較大時(shí)會(huì)收斂到錯(cuò)誤結(jié)果的問題[6]。對比驗(yàn)證結(jié)果表明， 測試中使用的全部圖像都能順利收斂，從而得到最優(yōu)解。

表1 三種高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取方式的比較Table 1 Comparison of three HDR-I capture methods

3)HDR-I技術(shù)的使用性能：目前國際上對光環(huán)境的測試方法主要有兩種，一種是傳統(tǒng)方法：使用光度、亮度儀器進(jìn)行測試，獲取光環(huán)境參數(shù)；另一種即HDR-I技術(shù)：利用數(shù)碼相機(jī)拍攝光環(huán)境場景，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)成像及其他光學(xué)原理獲取光環(huán)境參數(shù)。兩種方法的比較見表2。通過表2對比可知，對大多數(shù)光環(huán)境性能實(shí)測，HDR-I技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)測試方法。

2 HDR-技術(shù)設(shè)備選用

所選設(shè)備(如圖1所示)包括：相機(jī)，Canon EOS 5D Mark II；鏡頭Sigma 8 mmf/3.5 Fisheye Lens；三腳架，Benro A1580F Tripod；對照灰卡，18% Grey Card。使用相機(jī)和魚眼鏡頭連續(xù)拍攝，將光圈固定在5.6的位置，改變快門的速度，連續(xù)拍攝10～13張，以取得不同曝光程度的照片，同時(shí)用測光儀器測試景框中的灰卡亮度并記錄，留作軟件矯正使用。

表2 傳統(tǒng)測試方法與HDR-I技術(shù)對比表Table 2 Comparison of traditional and HDR-I measurement methods

圖1 拍攝高動(dòng)態(tài)范圍圖像所選設(shè)備Fig.1 Equipment for capturing HDR-I

1)相機(jī)選擇。市場上的數(shù)碼相機(jī)可以分為卡片相機(jī)、微單/單電、單反相機(jī)等幾大類。卡片相機(jī)手動(dòng)功能及鏡頭性能相對較差且無法更換鏡頭。為保證測試的精度，選擇更恰當(dāng)?shù)溺R頭，選用微單/單電、單反相機(jī)。單反相機(jī)分辨率都很高，相機(jī)有多種感光度，可以拍攝各種場景；光圈和焦距都有較大可選范圍，因此可拍攝的環(huán)境亮度、視野和距離較大，可以滿足測試要求。在本研究中，選用Canon EOS 5D Mark II作為測試設(shè)備。

2)鏡頭選擇。比較魚眼鏡頭視野與人眼視野可發(fā)現(xiàn)，魚眼鏡頭的視野可以含納該角度下的人眼視野范圍及敏感區(qū)域，采集到的環(huán)境信息較多，免去了多次拍攝的麻煩，避免合成中的誤差，故本研究使用Sigma 8 mmf/3.5 Fish eye Lens進(jìn)行HDR-I的拍攝。

3)合成軟件選擇。選用高動(dòng)態(tài)范圍圖像的合成軟件PhotoSphere，該軟件由Greg Ward 編寫，支持HDR-I 格式，有先進(jìn)的偽彩圖映射操作。將多張不同曝光度的LDR-I合成為一張HDR-I的功能簡單、精確。在 PhotoSphere 中，選擇適當(dāng)?shù)南袼刂担湍苤谱鞒霰Ａ敉暾猸h(huán)境信息的 HDR 圖像；且可生成偽彩圖映射。在比較了目前常見軟件的可操作性和功能后，選用 PhotoSphere 作為合成軟件。

3 HDR-I合成技術(shù)流程

HDR-I技術(shù)應(yīng)用流程可細(xì)分為五步: 多曝光時(shí)間場景圖像的獲取、相機(jī)亮度反應(yīng)函數(shù)的確定、HDR 圖像合成、相機(jī)刻度校準(zhǔn)以及鏡頭漸暈校準(zhǔn)。

3.1 多曝光時(shí)間場景LDR圖像的獲取

LDR是Low-Dynamic Range 的英文縮寫，本文譯作低動(dòng)態(tài)范圍，多曝光時(shí)間場景圖像即指拍攝多張不同曝光度的圖片，具體的照片張數(shù)，可以通過數(shù)碼相機(jī)調(diào)整不同的曝光量，采集場景圖像來確定，盡量完整的反映待實(shí)測光環(huán)境的各個(gè)細(xì)節(jié)。這樣得到的照片即原始的LDR 圖像，通過合理的分布各圖像的曝光時(shí)間，即可涵蓋整個(gè)場景的光環(huán)境信息。本文按此方法連續(xù)拍攝的10張LDR-I見圖2，這些圖片涵蓋了由最亮到最暗的場景全部信息。

對于該技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性，MN Inanici 曾將同場景HDR圖像與物理測試作過比較，他采用Nikon CoolPix 5400 和FC-E9 魚眼鏡頭獲得LHR圖像，通過Photosphere軟件合成HDR 圖像，其亮度數(shù)值與物理測試數(shù)值的誤差在全陰天條件下為5.8%，自然光條件下為7.2%。

由于相機(jī)對不同程度色彩的反應(yīng)不同，不同的光源條件會(huì)影響HDR的亮度數(shù)值。MN Inanici對處于自然光條件及其他不同光源條件下的485個(gè)實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)比較，統(tǒng)計(jì)得出的亮度誤差率平均值為7.3%[7]，該研究證明：只要操作正確，HDR-I技術(shù)誤差非常小。

圖2 HDR-I原始多曝光時(shí)間LDR 圖像的采集Fig.2 Multiple LDR photographs(fixed aperture, varying shutter speed)

3.2 相機(jī)亮度響應(yīng)函數(shù)的確定

在相機(jī)拍攝的圖像中，像素亮度與實(shí)際亮度并非線性對應(yīng)關(guān)系，相機(jī)亮度響應(yīng)曲線可將相機(jī)拍攝的數(shù)字圖像的像素亮度恢復(fù)到場景中實(shí)際點(diǎn)亮度。確定相機(jī)亮度響應(yīng)曲線的方法是：拍攝一組曝光量變化范圍較大的照片，將其導(dǎo)入Photosphere 軟件中即可得到“亮度響應(yīng)曲線”，該曲線可以按以下路徑查找：MYMHOME/Library/Preferences/Photosphere。不同型號(hào)相機(jī)對亮度的響應(yīng)不同，相機(jī)亮度響應(yīng)函數(shù)不同，更換相機(jī)應(yīng)重新確定相機(jī)亮度響應(yīng)曲線。

圖3 Canon EOS 5D Mark II相機(jī)亮度響應(yīng)函數(shù)Fig.3 Camera response curve for Canon EVS 5D Mark Ⅱ

3.3 HDR圖片的合成

在基于MAC系統(tǒng)的Photosphere軟件中導(dǎo)入拍攝的10張LDR圖像，并疊加所使用相機(jī)的亮度響應(yīng)函數(shù)即可生成HDR圖像。圖4是經(jīng)合成得到的HDR-I。

圖4 合成得到的HDR-IFig.4 HDR-I from assemble

3.4 相機(jī)刻度校準(zhǔn)

首先相機(jī)光孔是通過鏡頭里的光圈來調(diào)節(jié)大小的，光圈值通過光圈撥桿或觸點(diǎn)傳給機(jī)身，其構(gòu)造是有限次的完全重復(fù)性，因此每次采集圖像時(shí)的實(shí)際光孔大小會(huì)略有不同，并因此帶來一定的誤差。另外，相對相機(jī)上表示的快門速度與真實(shí)曝光時(shí)間也存在一定誤差，例如1/500 s的快門速度，在Canon EOS 5D II 上為1/531 s。這些誤差加在一起使得相機(jī)的曝光量并不完全準(zhǔn)確。HDR-I 技術(shù)所涉及的圖像曝光量來自相機(jī)顯示的參數(shù)，因此其像素亮度在疊加了亮度反應(yīng)曲線之后，僅是調(diào)整了相機(jī)感光裝置在整體線性上的誤差，而無法改變HDR 圖像單個(gè)像素亮度的準(zhǔn)確性。這就要求我們采用實(shí)際的亮度測試儀進(jìn)行同位置點(diǎn)校正，像素亮度與實(shí)際亮度的比值也被稱為刻度校準(zhǔn)系數(shù)(calibration factor)，可使用相機(jī)生產(chǎn)廠家提供的刻度校準(zhǔn)軟件或數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.5 鏡頭校準(zhǔn)

sigma魚眼鏡頭產(chǎn)生圖像采用的是等距投影的原理，等距魚眼鏡頭會(huì)表現(xiàn)出明顯的由中心軸發(fā)散的像素漸暈效果(如圖5所示)，因此為了得到準(zhǔn)確的亮度分布，等距魚眼鏡頭漸暈效果校準(zhǔn)是必要的。由于每個(gè)鏡頭的漸暈函數(shù)是確定的?？砂慈缦路椒ㄐ?zhǔn)：首先，在沒有自然采光的情況下，使用恒定電氣照明，以目標(biāo)灰卡為對象，拍攝多曝光時(shí)間場景圖像，經(jīng)軟件合成HDR-I。相機(jī)每次旋轉(zhuǎn)5度，直至覆蓋全部視角(如圖6所示)每次拍攝都會(huì)得到一張HDR-I以及目標(biāo)灰卡的亮度；然后，將灰卡的亮度值輸入Radiance工具箱 pcomb 中，查找漸暈函數(shù)，并將其輸入Photosphere中，以校正該鏡頭拍攝的HDR-I。圖7為光圈大小為f/3.5的sigma魚眼鏡頭的漸暈函數(shù)校準(zhǔn)，圖中紅色為校正后。其漸暈函數(shù)為

y=-1.871 3x6-10-10X5+1.507 2X4+
9×10-9X3-2.486 8X2-3×10-8X+20.656

(2)

圖5 漸暈效果示意圖Fig.5 Diagram of vignetting effect

圖6 以灰板為對象，以5度為增幅的HDR圖像Fig.6 HDR images with a 5 degree increase, and gray board as the object

至此，HDR-I的拍攝、合成及校準(zhǔn)工作全部完成，HDR-I技術(shù)應(yīng)用于光環(huán)境性能實(shí)測流程見圖8，光環(huán)境照度偽彩圖見圖9。

圖8 HDR-I技術(shù)應(yīng)用于光環(huán)境性能實(shí)測流程圖Fig.8 Procedure of applying HDR-I technology in daylighting analysis

圖9 應(yīng)用HDR-I技術(shù)分析室內(nèi)光環(huán)境照度Fig.9 Application of HPR-I technology to analyze induor illumination

4 結(jié)語

本文從HDR-I技術(shù)的圖片獲取方式、合成技術(shù)流程、文件格式、相機(jī)及鏡頭選擇、高動(dòng)態(tài)范圍圖像合成軟件等方面進(jìn)行詳細(xì)探討，總結(jié)HDR-I技術(shù)應(yīng)用于光環(huán)境性能實(shí)測的具體方法流程。

根據(jù)研究對象的光環(huán)境特點(diǎn)，比較分時(shí)曝光和同時(shí)曝光兩種獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像方法的區(qū)別，綜合考慮其便利性及成本，選擇多次曝光法作為本研究中HDR圖片的獲取方法；根據(jù)Malika的研究確定了通過多曝光時(shí)間場景圖像的獲取、相機(jī)亮度反應(yīng)函數(shù)的確定、HDR-I合成、相機(jī)刻度校準(zhǔn)以及鏡頭漸暈校準(zhǔn)的五步驟技術(shù)流程；為研究選擇了獲取低動(dòng)態(tài)范圍圖像的相機(jī)(佳能 EOS 5D II)及魚眼鏡頭(Sigma 8 mmf/3.5 Fisheye Lens)確定采用 PhotoSphere 作為HDR-I的合成軟件。所得到的HDR圖片可利用HDR Scope軟件進(jìn)行場景的照度偽彩圖、眩光等一系列光環(huán)境性能的實(shí)測分析。

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The Application of HDR-I Technology in Reflecting and Recording the Daylighting Performance

SUN Cheng1, LIU Lei1， KONG Zhe2

(1.SchoolofArchitecture,HarbinInstituteofTechnology;HeilongjiangColdRegionArchitecturalScienceKeyLaboratory,Harbin150001,China;2.UniversityofWisconsin-Milwaukee,Milwaukee,WI53201,USA)

The HDR-I technology is used to reflect and record the daylighting performance of real environment. The five steps of the technical procedure are as follows: The exposure time of scene image acquisition, camera brightness response function determination, camera calibration, HDR-I synthesis and lens vignetting calibration. This paper realize the accurate synthesis of HDR-I, and on the basis of image synthesis, daylighting performance was analyzed by HDR Scope software. This resolved the long time calculation, the detailed environment information and the large error of the daylighting simulation. This paper provide technical support for the daylighting environment measurement, evaluation and software correction.

high dynamic range-Image； daylighting performance； field work measurement； procedure of the technology

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)寒地區(qū)可持續(xù)辦公建筑多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究”(編號(hào)：51578172)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.014