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用图象数字化处理系统研究天空亮度分布
重 庆 建 筑 工 程 学 院 学 报 , , 第1 卷第1期 . IOURNAL 0F CHONGO1KG INSTITUTE 0F V01.15 N0.1 O 1993年 3月 ARCH1TECTURE AND ENGINEERING Mareh 1993 一 用图象数字化处理系统研究天空亮度分布。 陈仲林 张青文 郑奠一 (建筑系) 《机电系)—丁u lf3. 』 摘 要 拳文建议了一种确定天空亮度值的新方法,它的优点是同时性好,因 而也是一种研完天空亮度分布的好方法。 关键词 墼主旦 ,翟 天空亮度分布是影响建筑物天然采光的重要因素,也是天空分类的主要依据,因而是天 然采光的主要研究对象。由于天空亮度及其分布是随时变化的,所以,同时测量天空上各处 亮度值的问题就成为研究该问题的焦点。有不少学者曾提出了许多新的测试方法,如Rohbin HiI1和Plejel l 的照相法、美国Florida太阳能中心 和德国科学家TregeIlZa 。 的天空 亮度扫描系统等。我们通过大量实验发现,为了达到同时测量天空上各处亮度值这个目的, 采用摄影——图象处理并同时铡量天空上17处亮度值的方法是一种研究天空亮度分布的好方 法。它是用带有180。鱼眼镜头的相机对天空拍照,将天空亮度分布的信息记录下来,并测量 2个特定方位上每隔10。的天空亮度值,再利用图象数字化处理系统确定整个天空亮度值。 1 天空亮度图象处理 逐点测试法曾是测量天空亮度分布的主要方法,但由于测点较多,列量整个天空亮度需 要较长时问。后来随着计算机科学的发展,美国Florida太阳能中心等用沿高度角方向间隔 10 o排列的九个光探测头扫描天空,并将天空亮度信息送至计算机进行数据处理,缩短了测 量时间,但扫描一周乃需1分多钟。 对天空亮度实测表明,天空亮度值随时都在变化,尤其是有云天空更是瞬息万变,就是 在1分钟内,天空亮度分布早巳面目全非了,这时天空亮度实测值已失去意义。 随着计算机图象识别和图象处理技术的发展,人们常用带有180。鱼眼镜头的照相机对天 空拍照的方法研究天空亮度分布,它可以瞬时将天空亮度分布信息记录在胶片上,这与扫描 法相比优越性是显著的。我们知道,为了把记录在胶片上的天空亮度信息变换成计算机能够 丰文lgg|年 ‘月I3B收封。 ·凰皋目抟科学基金种盎j殳都城建基金单}音夤助]哽目. 第1期 陈仲林等; 用图象数字化处理系统研究天空亮度分布 7 处理的数字信号,即变换为数字图象,就必须使图象在空问和幅度上数字化,也就是说把模 拟连续图象变换为数字离散图象,这就是采样和量化“ 。为了既要保证图象清晰,又要便 于微型计算机进行处理,量化级数多采用8 bit,即量化为0至255个灰度级,它表示了图象 由自到黑的浓淡程度。我们采用测光曝光法正确地将天空亮度信息记录在高质量的美国柯达 27。全色胶片上,然后将冲冼后的胶片放置在一个均匀的发光面上,通过摄象头将胶片的透 射光信号转换为视频信号,再由计算机中的图象处理卡将其数字化,并使这一数字图象具有 256个灰度级的512×512个象素。然后确定胶片灰度值和天空亮度值之问的关系,这将是天 空亮度图象处理的关键。 我们用测光曝光方法拍摄了大量试片,经研究表明,可用指数函数来表示灰度值和亮度 值之间的函数关系。当曲线拟合的自由度为5时,相关系数的平均值为0.996,由相关系数 检验表得出:选用指数函数关系来表示灰度值和亮度值之间的关系是合适的,所配的曲线是 有意义的。 在天空亮度图象处理过程中,会产生这样一个问题,由于天空亮度值和天空扩散光的颜 色变化,以及胶片中的窗化银颗粒大小和胶片冲洗条件难以准确地控制,所以要求每一张天 空亮度图象都要确定指数函数的回归系数。如果将在可见光400~700nm范围内保持中性的 漫反射灰板作为标准,那来可在天空拍照之前,首先测定灰板的亮度,然后在天空拍照时, 一 起记录在胶片上,作为确定回归系数的标准。这种方法只有当标准灰板的亮度值范围与天 空亮度一致时才是有效的,但是在自然界中,物体表面的可见光反射率总是小于1
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