中間視覺條件下亮度對視力清晰度影響的“E”方法測定

關(guān)雪峰 趙海天 胡姍姍

(深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，深圳 518000)

引言

道路照明設(shè)計(jì)從最初以照度作為標(biāo)準(zhǔn)，到后來采用照度和亮度雙重指標(biāo)體系，因?yàn)轳{駛員直接感受的是路面亮度而不是照度，而照度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)沒有被完全摒棄是因?yàn)槠湓诮档腿诵械赖慕煌ㄊ鹿?，減少犯罪危害，促進(jìn)城市夜晚活動等方面有長［1］。但隨著對道路照明理論和實(shí)踐的深入研究，亮度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也具有一定的缺陷，它主要考慮三個(gè)因素:路面的反射特性、燈具的光分布和燈具或燈桿的幾何布局，它沒有考慮路面上物體與背景的亮度變化及二者的對比度。實(shí)踐證明這些因素對于道路照明至關(guān)重要:Box在研究了紐約 Syracuse地區(qū)城市街道的時(shí)候發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的夜間事故率和道路照明水平呈現(xiàn)出一個(gè)“U”形的曲線，即在一定水平上增加照明水平將使夜間事故率下降，但下降到某一最低值后，增加照明水平反而會使夜間事故率提高［2］;Scott在英國做了類似的研究，發(fā)現(xiàn)亮度均勻度增加反而提高了閾值，使目標(biāo)物變得更難發(fā)現(xiàn)［3］。于是提出可見度①可見度就是指能看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物的輪廓和形體的難易程度。客觀上說，就是看物體的清晰程度。設(shè)計(jì)方法以彌補(bǔ)亮度設(shè)計(jì)的不足之處。目前國際上普遍采用小目標(biāo)可見度STV作為可見度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)指標(biāo)，小目標(biāo)可見度設(shè)計(jì)方法能綜合反應(yīng)路面上目標(biāo)物表面亮度Lt、緊鄰的背景亮度Lb、目標(biāo)物與背景亮度對比度②亮度對比度C:是目標(biāo)物表面亮度與背景亮度的差與背景亮度的比值，即C=△L/Lb=(Lt—Lb)/Lb。等影響因素［4］。但STV的函數(shù)表達(dá)式相當(dāng)復(fù)雜，且只有在一些假設(shè)的前提下，才能表達(dá)成實(shí)用的計(jì)算式;而且對于小物體具體尺寸和表面反射系數(shù)的選擇理由不夠充分［5，6］。這對于想了解亮度與視力清晰度的關(guān)系，是不利的。因此本文的作者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單、能直觀反映人視力感覺效果的實(shí)驗(yàn)，探尋目標(biāo)物亮度、背景亮度、△L以及亮度對比度C對視力清晰度的影響。

在日常生活中，眼睛的視力評價(jià)、駕駛員的視力考試都是通過“視力表”來檢驗(yàn)的?！耙暳Ρ頊y試”通常是在一定的條件下，利用視力表來測試人眼分辨物體的能力等級。其優(yōu)點(diǎn)在于能正確地表達(dá)視力和視力的增減幅度［7］;可以對所測視力結(jié)果進(jìn)行比較和統(tǒng)計(jì)學(xué)處理［8］，這對于所測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析是十分必要的;視力表的幅面、格式、視力測量的方式都有統(tǒng)一的國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此保證了實(shí)驗(yàn)的可靠性。由此可見，視力表可以作為評價(jià)可見度的一種客觀尺度。本文的實(shí)驗(yàn)便是利用“視力表”這一評價(jià)尺度，在模擬的中間視覺①中間視覺:按照國際照明協(xié)會規(guī)定，亮度水平在幾個(gè)cd/m2以上的視覺叫明視覺，亮度水平在10－3cd/m2以下的視覺叫暗視覺。介于明視覺和暗視覺之間的叫中間視覺，其亮度水平范圍為0.001～3cd/m2，道路照明是其中最典型的例子。條件下，探尋亮度與視力清晰度之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在模擬的中間視覺條件下，探尋目標(biāo)物亮度、背景亮度、△L以及亮度對比度C對視力清晰度的影響，并從中尋求出視力清晰度等級變化規(guī)律。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

光學(xué)實(shí)驗(yàn)室

佳能450D單反相機(jī):像素1200萬

國家標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表 (GB 11533－1989)

單向調(diào)壓器:動態(tài)范圍0～250V，全自動交流穩(wěn)壓器;

XYI－Ⅲ照度計(jì):動態(tài)范圍0.1～100klx，儀器精度 ±4%

XYL－V全數(shù)字亮度計(jì):動態(tài)范圍0.1～100kcd/m2，儀器精度 ±5%

白熾燈:功率100W，光效7～19lm/W，色溫2800K，顯色指數(shù)95～99Ra

1.3 背景亮度與目標(biāo)亮度對比分類的確定

圖1

視力表中黑色“E”字定位目標(biāo)物，目標(biāo)物周圍的白色區(qū)域 (白紙)定位背景。目標(biāo)物與背景相互獨(dú)立，自由調(diào)節(jié)，按灰度劃分，共分成0～255個(gè)亮度級。為了節(jié)省工作量，以及對亮度級中灰度差級的把握，將255個(gè)亮度級分為四個(gè)大等級:Ⅰ級(對應(yīng)的灰度是0)、Ⅱ級 (對應(yīng)的灰度是85)、Ⅲ級 (對應(yīng)的灰度是 170)、Ⅳ級 (對應(yīng)的灰度是255)，為了方便說明，用 (α，β)表示，α表示目標(biāo)物灰度等級，β表示背景灰度等級。α∈ {0，85，170，255}，β∈ {0，85，170，255}，將這些灰度等級作用在目標(biāo)物和背景之上，共產(chǎn)生12組灰度等級。如圖2，3。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)校正

此實(shí)驗(yàn)誤差主要來自目標(biāo)顯示誤差。目標(biāo)顯示誤差是由目標(biāo)物亮度和其周圍臨界的背景亮度的分布均勻性決定的。為了技術(shù)上便于計(jì)算，在小視角情況下通常假設(shè)背景亮度是緊鄰目標(biāo)物上下邊界的中點(diǎn)的亮度平均值［9］。因此在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段需要對目標(biāo)背景亮度分布均勻性進(jìn)行校對實(shí)驗(yàn):選取目標(biāo)物的中點(diǎn)和四周的角點(diǎn)，測量并記錄其亮度值 (如圖5)。然后繼續(xù)調(diào)節(jié)光源亮度，重復(fù)以上操作5次。為了計(jì)算亮度測量誤差的大小，采用樣本標(biāo)準(zhǔn)差S來衡量:

圖2 正對比

圖3 負(fù)對比

式中:Li——第i次亮度測量值;

樣本標(biāo)準(zhǔn)差S計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

表1 不同電壓下不同測點(diǎn)的亮度變化

圖4 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

圖5

從表1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)差值很小，因此變動性很小，平均數(shù)的代表性很大。屏幕的亮度分布比較均勻，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為兩部分，第一部分實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同背景灰度等級分為四個(gè)階段，每個(gè)階段根據(jù)目標(biāo)灰度等級又分為三組 (如圖2)。由于中間視覺亮度水平范圍是在0.001～3cd/m2［10］，而一般的道路照明亮度最低值是 0.03cd/m2［11］，所以測量范圍采用0.05～4cd/m2，亮度調(diào)節(jié)以0.05cd/m2為單位遞增。每一次調(diào)節(jié)背景亮度的同時(shí)，都要對目標(biāo)物進(jìn)行拍照并測量其中心表面垂直照度 (照度的測量采用求平均值的辦法)，然后讓觀察者對目標(biāo)物——視力表進(jìn)行評價(jià) (如同駕駛員進(jìn)行視力檢查的方法)，并記錄看到的等級范圍——視力表中的第幾行。重復(fù)以上操作，直到不同灰度等級視力表全部測量完畢 (目標(biāo)中心表面垂直照度只測試一次即可)。需要特殊說明的是:相機(jī)所拍攝的所有相片的參數(shù)設(shè)置都是固定不變的，這樣可以保證拍出來的照片在同一條件下，彼此之間的相對值是準(zhǔn)確的。

第二部分實(shí)驗(yàn)是通過接觸式調(diào)壓器改變光源亮度，測試不同背景灰度以及不同目標(biāo)物灰度的視力清晰度等級。根據(jù)全自動穩(wěn)壓器0～255的量程，將其分成從12.5伏～250伏20等分，分別對12種不同灰度對比的視力表進(jìn)行測量，操作步驟和第一部分實(shí)驗(yàn)相同，只是不再需要亮度計(jì)進(jìn)行測量。 (因?yàn)椴煌叶鹊燃壍谋尘斑_(dá)到相同的亮度，所需的光源亮度是不一樣的，如果還用目標(biāo)或背景亮度作為基本變量，是無法將以上12種不同灰度對比等級的回歸曲線納入一個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行比較，因此沒有可比性。)

最后便是將拍攝的照片放到電腦上進(jìn)行等級判斷。需要特殊說明的是:判斷所有照片等級是在相同的條件下 (同樣的屏幕亮度、放大倍數(shù)以及視距)進(jìn)行的，這樣可以保證所有判斷的視力等級的相對值是確定不變的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

第一部分實(shí)驗(yàn)主要是研究在相同背景下不同灰度目標(biāo)物對視力清晰度等級的影響。對測量得出的數(shù)據(jù)和判斷后的視力等級進(jìn)行回歸分析，其數(shù)值、趨勢等如圖6～9;第二部分實(shí)驗(yàn)主要是研究目標(biāo)物與背景亮度差△L相等時(shí)，不同灰度的視力表 (不同目標(biāo)亮度與背景亮度)對視力清晰度等級的影響，以及正、負(fù)對比對視力清晰度的影響。將結(jié)果進(jìn)行回歸分析，其數(shù)值、趨勢等如圖10～13。

圖6 不同灰度目標(biāo)物視力等級對比 (255等級背景)

圖7 不同灰度目標(biāo)物視力等級對比 (170等級背景)

由圖6～9得知:無論何種灰度等級的背景，隨著背景亮度從0開始增加，曲率也從無窮大逐漸趨近于0，回歸曲線逐漸趨于平緩。開始的時(shí)候視力清晰度顯著增加，但隨著背景亮度繼續(xù)增加，清晰度增加幅度逐漸減弱，最后趨于0;隨著背景亮度的不斷提高，視力清晰度等級變化范圍主要集中在4.8～5.2之間。在滿足國家道路照明亮度標(biāo)準(zhǔn)1.5cd/m2［12］前提下，視力清晰等級基本都能達(dá)到5.0以上，符合國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也達(dá)到視力表測試的標(biāo)準(zhǔn)線。

因此，對于道路照明來說，增加光源的輸出功率固然可以提高路面的背景亮度和視力清晰等級，但當(dāng)背景亮度達(dá)到某一區(qū)域以后，繼續(xù)增加光源的輸出功率，盡管路面背景亮度也會隨之增加，但視力清晰度增加幅度很小，視覺效果不明顯。

由圖10可知:光源電壓與目標(biāo)物垂直照度成指數(shù)增長，且曲線相關(guān)比R2=0.9978，接近于1，擬合度非常理想。

圖8 不同灰度目標(biāo)物視力等級對比 (85等級背景)

圖9 不同灰度目標(biāo)物視力等級對比 (0等級背景)

圖10 光源電壓與目標(biāo)物表面垂直照度對比

圖11 目標(biāo)物與背景灰度等級 (即△L)相差3倍的視力表視力清晰等級對比

圖12 目標(biāo)物與背景灰度等級 (即△L)相差2倍的視力表視力清晰等級對比

圖13 目標(biāo)物與背景灰度等級 (即△L)相差1倍的視力表視力清晰等級對比

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.在同一背景灰度 (背景亮度)下，目標(biāo)物與背景灰度對比強(qiáng)烈的 (即亮度差△L大的)，亮度對比度C大，視力清晰度等級高。(如圖6～9)

2.在目標(biāo)物與背景亮度差絕對值相同的情況下(即︱△L︱相等)，隨著背景灰度等級的增加，背景亮度增加，亮度對比度C減少，視力清晰等級增加。(如圖11～13)

3.在其他條件不變的情況下，正對比的視力清晰度等級明顯低于負(fù)對比的視力清晰度等級。此結(jié)論說明人眼在亮背景上看暗物體的能力比在暗背景上看亮物體的能力要強(qiáng)。(如圖11～13)

因此，對于道路照明來說，在其他條件相同的情況下，當(dāng)路面背景亮度高于目標(biāo)物亮度時(shí)比路面背景亮度低于目標(biāo)物亮度時(shí)，目標(biāo)物更容易被發(fā)現(xiàn)。

在此實(shí)驗(yàn)中，為了便于測量，沒有對視角的選取進(jìn)行細(xì)分，只是選取理想狀態(tài)下視角為零的情況。實(shí)際上駕駛員在行車時(shí)，一般均是注意正前方車道線上情況。但是對于交通流量大、交通分隔狀況和控制情況較差的快速路，人或動物有可能會橫穿道路，目標(biāo)物就會偏離駕駛員的中心視線，此時(shí)會對辨識物體清晰度產(chǎn)生影響;從路面反射到小目標(biāo)的反射光可占小目標(biāo)總亮度的15%，如不考慮路面反射的話，這將會較大地改變可見度水平值，因此還需要對此影響進(jìn)行修正［13］。

［1］李鐵楠.城市道路照明設(shè)計(jì).2007年1月

［2 ］Box，P.C.， “Relationship between Illumination and Freeway Accidents” Illuminating Engineering，Vol.66，No.5，May/June1971

［3］Scott，P.P.，Cobb，J.，Hargroves，R.A.，and“Road Marsden，A.M.，Lighting and Accidents”Proceedings of the C1E，Kyoto，Japan，August 1979

［4］顧九春，楊占鵬，吳凱，武娜.“基于Tarvip的城區(qū)道路照明可見度評價(jià)的思路與方法”.城市照明，2007年11卷，第四期

［5］CIE Technical Report.115－1995《Recommendations for the Lighting of Road for motor and pedestrian traffic》

［6］Merle E.Kech，F(xiàn)IES.A New Visibility Criterion for Roadway Lighting.Journal of the Illuminating Engineering Society，Winter，2001

［7］劉家琦.“實(shí)用眼科學(xué)”，實(shí)用眼科學(xué)，2008年3月

［8］李爽樂，李觀富.中國實(shí)用眼科雜志第13卷 (1995)第7期

［9］Olkan Cuvalci.Bugra Ertas.Roadway Lighting Design Methodology and Evaluation

［10］林燕丹，陳大華，邵紅.“基于視覺功能法的中間視覺光度學(xué)模型及其在道路照明中的應(yīng)用”，照明工程學(xué)報(bào)，2006年9月，第三期

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［12］張紹綱，趙建平.綠色照明工程實(shí)施手冊 ［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2003

［13］司徒寧儉.城市道路照明設(shè)計(jì)