LED光源的光譜能量分布(SPD)對(duì)步行空間障礙物探測的影響研究

楊 秀，郝洛西，林 怡

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092)

引言

人行道路照明的主要目的是保證行人具有一定的視看能力，從而躲避危險(xiǎn)、減少犯罪，提高步行空間的安全性和行人的安全感[1-2]。步行道路的活動(dòng)特點(diǎn)有別于機(jī)動(dòng)車道，其人行速度較為緩慢，對(duì)步行空間內(nèi)障礙物的探測也與機(jī)動(dòng)車道內(nèi)不盡相同。在中間視覺條件下對(duì)障礙物探測方面的研究，主要涉及被看物體的可見度和被探測程度等方面。有研究說明機(jī)動(dòng)車道內(nèi)的光源SPD對(duì)于小目標(biāo)物體的可見度與探測具有一定的影響，這些研究多采用反應(yīng)時(shí)間這一指標(biāo)來衡量[3-5]，然而人行道路與車行道路中的視覺作業(yè)完全不同，相對(duì)于反應(yīng)時(shí)間來說，人行道路內(nèi)的障礙物探測率更為重要。有研究采用室內(nèi)抽象的實(shí)驗(yàn)裝置的方法來研究障礙物探測的問題，結(jié)果顯示在0.2lx時(shí)障礙物探測受到光源類型的影響，且隨著光源S/P值的增加，探測能力也隨之提高[6]。 但是，該實(shí)驗(yàn)的照明場景忽略了步行空間內(nèi)照明方式與光分布特點(diǎn)等因素，而且光源的S/P值不足以準(zhǔn)確描述光源的SPD，特別是當(dāng)LED光源漸漸取代傳統(tǒng)光源而被大量應(yīng)用于城市照明時(shí)更為不準(zhǔn)確。因此，針對(duì)LED光源室內(nèi)模擬照明場景下障礙物探測的實(shí)驗(yàn)值得開展，采用符合步行空間照明特點(diǎn)的研究方法，探討LED光源SPD對(duì)人行道路照明場景中的障礙物探測影響[7]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)場景中，模擬步行道路照明的光照方式。讓被試觀察正前方距離4m遠(yuǎn)處的觀察點(diǎn)，并在三分之一秒[6，8]的場景探測后，說明探測到的不同偏離角度的障礙物情況，如圖1～圖2所示。目的是了解不同SPD的LED光源對(duì)于障礙物探測的影響。在不同的SPD光源和地面平均照度條件下，實(shí)驗(yàn)人員在不同位置放置障礙物，讓被試觀看觀察點(diǎn)時(shí)說出是否探測到障礙物的存在及大約位置。

注：S為被試；L1為模擬場景提供照明，光源相關(guān)色溫分別是2700K，4000K，6500K；觀察點(diǎn)為白色紙質(zhì)圓點(diǎn)。圖1 障礙物探測實(shí)驗(yàn)場景平面示意圖Fig.1 The plan of experiment scene for obstacle detection

圖2 障礙物探測實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場景Fig.2 Experiment scene for obstacle detection

1.1 實(shí)驗(yàn)光源

實(shí)驗(yàn)用光源采用了XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1光源前分別增設(shè)了46.7°光學(xué)透鏡。實(shí)驗(yàn)選用了三組不同SPD的LED，其具體參數(shù)見表1和圖3。

表1 2700K、4000K和6500K色溫LED光源的基本參數(shù)Table 1 The parameter of LED with 2700K，4000K，6500K CCTS

注：表中的L1-1，L1-2，L1-3代表三個(gè)不同SPD的L1光源。

1.2 實(shí)驗(yàn)被試

在實(shí)驗(yàn)中，選擇的被試具有相似的專業(yè)背景和相近的年齡段。經(jīng)過眼科醫(yī)學(xué)的嚴(yán)格篩選，所有的被試無色盲、色弱以及其他眼部疾病史。最終入組被試人數(shù)為23人，其中男性11人、女性12人，年齡為18～22歲。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3.1 障礙物探測裝置

障礙物探測裝置主要用于控制被試在三分之一秒內(nèi)探測障礙物，并保證所有被試在相同位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該裝置包括裝置平臺(tái)、下顎托架、可旋轉(zhuǎn)視線擋板、場景擋板、障礙物以及視察點(diǎn)等，詳見圖4。

圖3 2700K、4000K和6500K色溫LED光源的光譜分布圖Fig.3 Spectral power distribution of LEDs with 2700K,4000K,6500K CCTS respectively

注：1為裝置平臺(tái)；2為下顎托架；3、4、5為可旋轉(zhuǎn)視線擋板；6為場景擋板；7為被試；8為障礙物；9為觀察點(diǎn)。圖4 障礙物探測裝置示意圖Fig.4 Schematic drawing of installation for obstacle detection experiment

裝置平臺(tái)主要用于將被試抬高，使被試在坐姿的狀態(tài)下，眼部的高度達(dá)到150cm，以模擬人站立時(shí)眼部的高度。

下顎托架用于控制被試眼睛視看的位置，通過該托架微調(diào)被試眼部的高度位置，使眼睛與“3”的位置達(dá)到預(yù)設(shè)狀況，僅可以看到觀看點(diǎn)，而無法看到其正前方障礙物，并且保證被試在所有的實(shí)驗(yàn)場景中保持相同的位置。

可旋轉(zhuǎn)視線擋板是該裝置最重要的部分之一，通過滑輪實(shí)現(xiàn)對(duì)場景中障礙物的探測，如圖4中，在實(shí)驗(yàn)開始前，實(shí)驗(yàn)操作人員將“5”舉起至水平位置，此時(shí)“3”正好遮擋被試視線，讓其僅能看到觀察點(diǎn)，而不能看到障礙物，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始后，放開“5”，讓其在重力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直狀態(tài)，此時(shí)遮擋被試視線的擋板變成了“4”，而在此轉(zhuǎn)變過程中，保證被試的視線觀看障礙物的時(shí)間為三分一秒時(shí)間，實(shí)驗(yàn)過程分解見表2。三分之一秒時(shí)長的測量通過視頻拍攝的方法加以確定和控制。

場景擋板：實(shí)驗(yàn)照明場景切換時(shí)，用該擋板遮擋被試的視線。同時(shí)，操作人員按照隨機(jī)的方式放置障礙物于相應(yīng)的位置。

障礙物：一個(gè)灰色的立方體盒子作為實(shí)驗(yàn)探測的障礙物，以模擬實(shí)際場景中類似地磚等凸起障礙物。

視察點(diǎn)：視察點(diǎn)為紙質(zhì)白點(diǎn)，位于被試正前方，與其前方障礙物位置的水平距離是15cm，距離地面高度也為15cm。實(shí)驗(yàn)開始前后被試始終保持觀看該觀看點(diǎn)，并探測視野內(nèi)障礙物的存在與否。

表2 障礙物實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)中的不同階段圖示Table 2 Schematic drawing of installation for obstacle detection experimental status

1.3.2 障礙物及位置

在本實(shí)驗(yàn)中采用凸起的障礙物做為探測目標(biāo)。結(jié)合前期對(duì)步行道路的實(shí)際調(diào)研情況，選擇了5cm(h)×10cm×10cm的方形障礙物，其表面材料反射率為0.24。障礙物的擺放位置，如圖1所示，選擇了五個(gè)位置，與視線方向水平夾角依次為0°、10°、15°、20°、30°。此時(shí)，而與被試觀看視線的實(shí)際夾角依次為2.5°、9.7°、14.3°、19°、28.5°。實(shí)驗(yàn)中被試將接受所有的五個(gè)位置的實(shí)驗(yàn)處理，其呈現(xiàn)順序采用抽簽法隨機(jī)出現(xiàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值

實(shí)驗(yàn)中采用三種色溫光源，結(jié)合三個(gè)不同的路面平均照度環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共有九個(gè)場景。因此，在該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，光源色溫、路面平均照度為自變量，被試獲得的對(duì)障礙物探測的準(zhǔn)確率為因變量。

1.4.1 LED光源的色溫

商業(yè)化的功能型白光LED主要是由藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉的白光技術(shù)生成[9-10]，此類白光光譜特征呈現(xiàn)為雙波峰形態(tài)，即是藍(lán)光波峰與黃光波峰。根據(jù)“富含藍(lán)光”白光概念的描述，即采用可見光光譜中小于500nm光譜能量的百分比來描述LED光源的SPD特征[11]。這個(gè)定義描述的SPD作為一個(gè)控制指標(biāo)不具有易操作性。相同色溫的光源理論上可以具有不同的SPD，即同色異譜，但由于商業(yè)化的白光LED的制備方式使其異譜間的差異不大，如果光源的顯色性相近，那么這個(gè)差異會(huì)更小。因此，當(dāng)顯色指數(shù)一定時(shí)，采用光源色溫來表征LED光源的SPD特征具有一定的可行性。實(shí)驗(yàn)中選用的光源相關(guān)色溫分別是2700K，4000K，6500K，其可見光光譜中小于500nm光譜能量的百分比分別為9.7%、21.4%、32.8%，對(duì)應(yīng)的S/P值分別為1.12、1.66、2.16。

1.4.2 路面平均照度

環(huán)境適應(yīng)亮度是影響中間視覺視覺特性的最重要指標(biāo)，以往的中間視覺研究多采用較大的亮度范圍，然而較低的環(huán)境亮度在實(shí)際照明應(yīng)用中涉及較少，且在真實(shí)場景中如何測量環(huán)境適應(yīng)亮度還具有一定的爭議[12]。因此，實(shí)驗(yàn)中采用路面平均照度表征不同的環(huán)境適應(yīng)亮度，相關(guān)取值根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(CJJ 45—2006)》的3.5.1中人行道路照明標(biāo)準(zhǔn)值，并參考國際照明委員會(huì)CIE115—2010、英國BS EN13201-2：2003、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等推薦的步行道路照度水平，選擇具有代表性的三個(gè)地面平均照明值：5lx、10lx和20lx，其中5lx和20lx是現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的人行道路平均照度最小值和最大值。[13]

1.5 實(shí)驗(yàn)順序設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，LED光源的色溫、路面平均照度二個(gè)變量組合共有九個(gè)場景，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)方法(within-subjects design)，對(duì)場景呈現(xiàn)順序采用平衡拉丁方設(shè)計(jì)(Latin-square design)來消除或減弱由于位置效應(yīng)、延續(xù)效應(yīng)和差異延續(xù)效應(yīng)等帶來的額外變量。[14]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

該實(shí)驗(yàn)的目的是判斷光源SPD對(duì)障礙物探測的影響程度，且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，設(shè)置了五個(gè)探測角度。數(shù)據(jù)分析不僅需要討論不同色溫條件下整體探測準(zhǔn)確率的影響，還要分別討論五個(gè)探測角度條件下光源色溫對(duì)于探測準(zhǔn)確率的影響。在分析不同角度的判斷準(zhǔn)確率時(shí)，視軸上的障礙物最容易判別，偏離角度越大的障礙物越難以判別，因此分析中對(duì)不同的角度增加了難度系數(shù)。分析中采用數(shù)學(xué)建模的方法建立了5個(gè)障礙物的難度系數(shù)，從而建立判斷障礙物的準(zhǔn)確指標(biāo)(取值越接近1越好)。數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 20軟件。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

障礙物探測實(shí)驗(yàn)獲得在不同色溫和地面平均照度條件下，障礙物探測的準(zhǔn)確率均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)結(jié)果，見表3所示。

表3 不同色溫對(duì)障礙物探測的準(zhǔn)確率均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 3 Mean of accuracy rate and standard deviation for obstacle detection under different CCT scenes

2.2 色溫對(duì)障礙物探測的影響

分析光源色溫對(duì)障礙物探測的影響可知(見表4)：在5lx的地面平均照度下，光源色溫對(duì)判斷障礙物的準(zhǔn)確率有一定的影響(P值接近0.05)；在10lx時(shí)，光源色溫對(duì)判斷障礙物的準(zhǔn)確率有顯著的影響(P值<0.05)；在20lx時(shí)，光源色溫對(duì)判斷障礙物的準(zhǔn)確率有非常顯著的影響(P值<0.01)。因此，步行道路照明中光源色溫對(duì)障礙物探測的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這一結(jié)果與以往的研究結(jié)論一致。

表4 光源色溫對(duì)障礙物探測影響的分析結(jié)果Table 4 Analysis results of the impact of CCT to obstacle detection

從均值的分析可知，隨著光源色溫的提高判斷障礙物的準(zhǔn)確率也會(huì)提高，即高色溫的光源對(duì)于障礙物的探測更有利，如圖5所示。在地面平均照度為5lx時(shí)，光源色溫的提高使得探測率有較為明顯的提高，在10lx和20lx時(shí)，色溫越高對(duì)于探測也越有利，但是在4000K提高到6500K時(shí)，探測準(zhǔn)確率的提高幅度很小，甚至隨著照度提高到20lx時(shí)幾乎沒有變化。因此，LED光源的色溫越高，即光源SPD中500nm以下的藍(lán)光的含量越高，障礙物探測的能力就越強(qiáng)。

圖5 不同地面平均照度場景中探測準(zhǔn)確率隨著色溫的變化情況Fig.5 Detectivity with the change of CCT under experimental scenes with different average illuminance of ground

2.3 色溫對(duì)不同角度時(shí)的探測能力影響

在5lx、10lx、20lx地面平均照度時(shí)，不同光源色溫條件下各探測角度判斷障礙物準(zhǔn)確率，見圖6～圖8。從圖中可知，在探測角度為0度和10度時(shí)，無論在5lx、10lx或20lx的地面平均照度下，不同色溫對(duì)探測準(zhǔn)確率都沒有影響，而且準(zhǔn)確率幾乎達(dá)到100%。但在大于15度，色溫對(duì)障礙物探測的影響有差異，探測角度越大，影響越明顯，而且色溫越高探測準(zhǔn)確率也越高。一定程度上說明光源色溫對(duì)線上視覺沒有影響，對(duì)于周邊視覺有影響，而且隨著探測角度的變大，色溫的影響作用越明顯。這說明在實(shí)際的場景中，高色溫更有利于提高對(duì)路面障礙物、周邊行人或者其他存在潛在危險(xiǎn)物體的探測。

圖6 5lx條件下各探測角度的準(zhǔn)確率Fig.6 Accuracy rate of each view angle under 51x

圖7 10lx條件下各探測角度的準(zhǔn)確率Fig.7 Accuracy rate of each view angle under 10lx

圖8 20lx條件下各探測角度的準(zhǔn)確率Fig.8 Accuracy rate of each view angle under 20lx

3 結(jié)論

中間視覺條件下，不同視覺作業(yè)涉及人眼視網(wǎng)膜中不同的感光細(xì)胞，不同的照明場景下被激活感光細(xì)胞的種類和數(shù)量也不盡相同。視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞隨著偏離視軸的角度，錐狀細(xì)胞迅速減少，桿狀細(xì)胞漸漸增多，特別在20度左右時(shí)桿狀細(xì)胞數(shù)量最多，障礙物探測的視覺作業(yè)主要依靠人眼的周邊視覺，該視覺作業(yè)主要與被激活桿狀細(xì)胞的分布與數(shù)量有關(guān)。[7,15-16]人眼的這些生理特征解釋了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即隨著探測角度的增大，色溫對(duì)障礙物的探測影響越大，而且色溫越高障礙物探測能力越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一定程度上也說明了色溫對(duì)桿狀細(xì)胞有影響，而對(duì)錐狀細(xì)胞沒有影響。該實(shí)驗(yàn)獲得以下結(jié)論：

(1)在步行空間照明中，色溫對(duì)障礙物探測的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性。且隨著光源色溫的提高探測障礙物的準(zhǔn)確率也提高，即6500K色溫的LED光源對(duì)于障礙物的探測最有利，4000K次之，2700K最不利。這一結(jié)果說明LED光源SPD中500nm以下藍(lán)光的含量越高，越有利于障礙物的探測；

(2)探測角度越大，色溫的影響作用越明顯，而且色溫越高探測準(zhǔn)確率也越高。一定程度上說明光源色溫對(duì)線上視覺沒有影響，對(duì)于周邊視覺有影響。在探測角度為0度和10度時(shí)，無論在5lx、10lx或20lx的地面平均照度下，色溫對(duì)探測準(zhǔn)確率都沒有影響，但在大于15度時(shí)，色溫對(duì)障礙物的探測有影響，探測角度越大，影響越明顯，而且色溫越高探測準(zhǔn)確率也越高。

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