一种用于路灯用摄像机的防眩光方法与流程

本发明属于摄影装置领域，尤其涉及一种专用于与固定式照明装置设置为一体的摄影装置的防眩光方法及装置。

背景技术：

随着信息感知智能化、便捷化、高效化时代的来临，“智慧路灯”作为一个可扩展、可增值的城市智慧网络系统，在车联网、城市环境监测、城市便民服务、政府公告等平台的建设上发挥巨大的作用。“智慧路灯”解决方案的成功发布和商用，可有力地推动智慧城市的建设，为城市居民带来无缝的无线网络使用体验，加速无线全连接时代的到来。

“智慧路灯”同时集成了微基站、Wi-Fi、LED、摄像头、充电桩、电子发布屏幕等功能，从而使普通的路灯变身成为一个信息化和网络实现的载体。

现今，多数智慧型路灯都是灯头与灯杆相连的一体式结构的路灯，多数智能模块(Wi-Fi、音响、摄像头、显示屏、各种传感器等)均集成在灯杆上，或采用智能模块抱杆的方式加载。

由于上述智慧型路灯的智能模块通常是集成、固定在灯杆上的，对灯杆的技术条件和制造要求较高，灯杆需在满足正常支撑灯具的功能的同时，具备单独的供电回路，才能保证设置在灯杆上的智能模块正常工作。特别对于城市内现有路灯的改造工程，需要同时更换灯杆和灯头，使得现有路灯改造工程的成本较高，给城市智慧网络系统额建设带来较高的成本和较长的施工周期，不利于“智慧路灯”的推广和实施。

授权公告日为2015年12月09日，授权公告号为CN 204853221U的中国实用新型专利，公开了“一种具有摄像功能的LED照明灯”，其包括：由多个拱形臂围构形成的支架；连接于支架的顶端的安装头；位于支架底端并与拱形臂对应固定的多个LED模组；多个LED模组排列围成圆状结构；装配于由支架和多个LED模组排列围成的圆状结构共同形成的镂空结构处的摄像机；每一个LED模组上还装配有遮光罩和排水孔；每一个LED模组均包含两组不同色温的LED灯珠。该技术方案实现了LED灯具在照明的同时又具备摄像功能。在城市内现有路灯的改造工程中，采用该技术方案后，只需要更换灯头部分，即可使得现有路灯同时具有照明和安防功能，有助于降低现有路灯改造工程的成本。

在上述技术方案中，通过在每个LED模组外设置遮光罩的结构形式，来减少外部干扰光线进入摄像机，减少摄像机镜头内部的折射和反射，降低摄像机周围LED灯光对摄像机成像质量的影响，以解决摄像机位于灯光下容易产生的眩光和白化的问题。

但是，在上述技术方案中，如何根据灯具的不同机械结构参数，快速选定合适的遮光罩结构和参数，以有效的减少图像传感器像敏单元的杂散关和反射光，减少眩光，提高视频画面质量，一直没有一个理想的解决方案，其遮光罩的结构和参数只能通过实际人工实验的方式来确定，效率低下，尤其是当灯具结构或LED模组的布局结构或机械结构尺寸发生变化时，难以迅速找到最合适的遮光罩结构和参数，给路灯灯具设计和制造带来困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于路灯用摄像机的防眩光方法，其在确定的挡光环个数和高度范围内，可迅速获得一系列遮光罩的长度和内径参数，再通过仿真模拟，根据摄像机的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值，即可迅速确定遮光罩的最佳结构和参数，可有效地减少图像传感器像敏单元的杂散关和反射光，减弱了干扰光线在像面的成像，从而大大减少眩光，提高视频画面质量。

本发明的技术方案是：提供一种用于路灯用摄像机的防眩光方法，包括在LED模组或待测摄像头的周围设置遮光罩，用以对位于待测摄像头周围的LED模组进行遮光处理；其特征是所述用于路灯用摄像机的防眩光方法，通过下述步骤来确定遮光罩的机械结构和尺寸：

A、根据灯具的结构、LED模组与待测摄像头之间的位置关系以及LED模组出光中心距待测摄像头的距离，选定所述遮光罩结构类型，包括遮光罩的高度和倾角；

B、通过CAD软件，对选定的遮光罩结构进行3D建模，得到遮光罩的3D模型；

C、将遮光罩的3D模型与摄像头光学结构相组合，得到待测摄像头的散射模型；

D、对待测摄像头的散射模型进行散射模拟，计算照射在待测摄像头像敏元件上的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值；

E、通过对散射模拟得到的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值，判断所选定遮光罩的结构类型、遮光罩的高度和倾角是否符合要求；

F、若通过散射模拟得到的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值超出预定的数值范围，修改所选定遮光罩的高度和倾角，藉此改变选定遮光罩的光通量口径；

G、返回B步骤；

H、若通过散射模拟得到的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值在预定的数值范围内，则散射模拟结束；

I、根据所选定的遮光罩结构类型、遮光罩的高度和倾角，确定遮光罩结构的类型、遮光罩的高度和倾角，并将其产品化。

具体的，所述遮光罩结构类型包括圆柱状且挡光环等高布置、圆柱状且挡光环梯度布置、锥状且挡光环等高布置和锥状且挡光环梯度布置。

具体的，所述照射在待测摄像头像敏元件上的光强照度按照下列公式确定：

其中，E_v为光强照度，τ₀为摄像物镜的透射比，D为通光孔径，f为像距/焦距，D/f为相对孔径，M₀为景物表面光出射度。

具体的，所述的散射模拟按照下述公式进行：

其中，σ_pq为散射系数，R为接收面半径，P_pq为非相干散射功率，下标p表示入射光和散射光的水平极化方式，下标q表示入射光和散射光的垂直极化方式，E₀为入射场强，A₀为照射面积。

具体的，对于所述的积分散射能量TIS，散射能量占入射光能量的比例为：

其中，E_TIS为积分散射能量，v为垂直于物体表面的方位角，f_BSDF(θ_r,v_r,θ_i,v_i)为散射能量占入射能量比例函数，θ_r、θ_i为水平方向反射角、入射角，v_r、v_i为垂直表面方向反射角、入射角，dθ_idv_i为二重积分面元。

具体的，所述摄像机的PST值按照下列公式确定：

其中，θ为视场角，E_d(θ)为像面产生的辐射强度，E_i为射入瞳处辐射强度。

进一步的，所述光强照度、摄像机的图像对比度或PST值的预定数值范围分别为：

光强照度：0.05lx～10^-5lx；

摄像机的图像对比度：10％～30％；

摄像机的PST值：9.2×10^-2～1.1×10^-11。

进一步的，所述的遮光罩的高度和倾角范围分别为：

遮光罩的高度范围：35～60mm；

遮光罩的倾角范围：25°～45°；

遮光罩内口径尺寸：250～300mm；

遮光罩外口径尺寸：290～350mm。

进一步的，所述LED模组与待测摄像头之间的位置关系包括所述的LED模组位于待测摄像头的一侧，以及所述的LED模组环绕待测摄像头的四周。

进一步的，所述的LED模组位于待测摄像头的一侧时，所述的遮光罩结构类型选用挡光环梯度布置；

所述挡光环梯度布置的含义为上层到底层或者高点到低点的挡光环涂料逐梯均匀分布。

进一步的，当所述的LED模组环绕待测摄像头四周时，所述的遮光罩结构类型选用挡光环等高布置；

所述挡光环等高布置含义为每一梯度等高。

进一步的，所述的LED模组的出光中心距待测摄像头的距离大于300mm时，所述的遮光罩结构选用圆柱状挡光环。

进一步的，当述的LED模组的出光中心距待测摄像头的距离小于300mm时，所述的遮光罩结构选用锥状挡光环。

进一步的，所述的遮光罩设置在LED模组的周围。

进一步的，所述的遮光罩设置在待测摄像头的周围。

本发明的技术方案所述的用于路灯用摄像机的防眩光方法，通过增加遮光罩从物理上消除一部分杂散光的成像干扰，以确保摄像机的对比度控制在30％左右，以获得最佳的图像拍摄效果。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.可根据灯具的结构、LED模组与待测摄像头之间的位置关系以及LED模组出光中心距待测摄像头的距离，快速选定所述遮光罩结构类型；

2.通过散射模拟，可迅速、准确地获得选定遮光罩结构对待测摄像头摄像效果的保障，以获得最佳的图像拍摄效果。

3.通过计算机进行相关分析和计算，速度快，实验结果由原来的定性分析转化为定量分析，参数调整方便，可重复性好，实验结果更加准确。

附图说明

图1是本发明的步骤流程方框示意图；

图2是本发明挡光环等高梯度布置的示意结构；

图3a是本发明积分散射能量TIS的示意图；

图3b是遮光罩面元杂散光的吸收反射能力与遮光罩梯度分布的挡光环的涂料之间的抑制关系示意图；

图4a是本发明安防款路灯的立体结构示意图；

图4b是本发明安防款路灯的仰视结构示意图；

图4c是本发明安防款路灯的侧视结构示意图；

图5a是本发明遮光罩的侧视结构示意图；

图5b是本发明遮光罩的仰视立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1中，本发明防眩光方法的步骤包括：

A、根据灯具的结构、LED模组与待测摄像头之间的位置关系以及LED模组出光中心距待测摄像头的距离，选定所述遮光罩结构类型，包括遮光罩的高度和倾角；

B、通过CAD软件，对选定的遮光罩结构进行3D建模，得到遮光罩的3D模型；

C、将遮光罩的3D模型与摄像头光学结构相组合，得到待测摄像头的散射模型；

D、对待测摄像头的散射模型进行散射模拟，计算照射在待测摄像头像敏元件上的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值；

E、通过对散射模拟得到的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值，判断所选定遮光罩的结构类型、遮光罩的高度和倾角是否符合要求；

F、若通过散射模拟得到的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值超出预定的数值范围，修改所选定遮光罩的高度和倾角，藉此改变选定遮光罩的光通量口径；

G、返回B步骤；

H、若通过散射模拟得到的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值在预定的数值范围内，则散射模拟结束；

I、根据所选定的遮光罩结构类型、遮光罩的高度和倾角，确定遮光罩结构的类型、遮光罩的高度和倾角，并将其产品化。

图2中，给出了挡光环等高布置的示意结构；

所述挡光环梯度布置的含义为所涉及挡光环的间距大小相同；

所述挡光环梯度布置的含义为杂散光的吸收图层等间距的均匀布置。

采用挡光环梯度布置的优点在于：杂散光线的调制灵活度高。

图3(a)中，各个参数的含义如下：

dE_i为从dA_s面上入射照度；

dL_s为从dA_s面上辐射出去的能量；

dA_s为杂散光辐射面元；

dΩ_s为散射截面元；

为水平方位角；

θ为极角，以待测平面法线为基准开始计算。

由图可知，利用在粗糙表面不同杂散入射光线的角度不同可产生不同的散射性质，可有效的规避掉多余散射光线到摄像机成像面元，从而提升成像质量。

图3(b)中，各个参数的含义如下：

r、r₀、r_i为镜面反射方向，其中r₀＝r_i；

n为折射率；

β、β₀为散射波矢投影矢量；

v、v₀为投射极角。

该图说明了遮光罩面元杂散光的吸收反射能力与遮光罩梯度分布的挡光环的涂料之间的抑制关系，在反射光线中心±4.56°之间。

图4a是本发明安防款路灯的立体结构示意图；

图4b是本发明安防款路灯的仰视结构示意图；

图4c是本发明安防款路灯的侧视结构示意图；

图5a是本发明遮光罩的侧视结构示意图；

图5b是本发明遮光罩的仰视立体结构示意图。

由于上述图均按照机械结构国标绘制，故本领域的技术人员，可以毫无疑义地确定其所表示的含义，故具体图面内容，在此不再叙述。

本技术方案基于散射模型进行摄像头外遮光罩结构和参数的设计，可以大大提升外遮光罩对杂散光的抑制水平，并且在仿真分析时提高仿真精度。

遮光罩的遮光效果，与还与遮光罩的材料、遮光罩表面平整度有关，散射能量集中程度的降低，需要的过度抑制角会增大，挡光环数量也就会增加。

但是挡光环数量的增加，可能会带来如上面反射模型中离轴角30°时的情况，使其发生几率增大，此时可以通过增加遮光罩的上开口口径来减少环数。实际应用时口径增大会导致体积和重量增加。

为了保证图像质量所需景物的最高照度与最低照度之比。对安防系统要求具有全天候工作能力，既可以在夜间无星或无月光下(≤10-5lux)使用，又可以在太阳光下(＞105lux)工作，需要满足大的动态范围，若不采取必要的物理遮光技术手段，只靠改变光圈的方法和改变的积分时间、改变光圈面积的办法来实是不行的。同时对比度一般只有10％～30％，通过遮光罩模拟最佳的图像对比度，对比度高，图像效果很硬，过度区太明显，图像观看效果不舒适。对比度太低，图像灰蒙蒙地也不舒适。通过大量实验在对比度在30％左右观看时，图像效果最佳。

采用本发明的技术方案，通过仿真模拟，根据摄像机的光强照度、积分散射能量(TIS)、摄像机的图像对比度或PST值，即可迅速确定遮光罩的最佳结构和参数，可有效地减少图像传感器像敏单元的杂散关和反射光，减弱了干扰光线在像面的成像，从而大大减少眩光，提高视频画面质量。

本发明的技术方案，可广泛应用于各种安防款路灯的设计和制造领域。