LED光源的光譜能量分布(SPD)對步行空間顏色識別的影響研究

郝洛西，楊 秀，林 怡

(同濟大學(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，如辨別行人動機、發(fā)現(xiàn)障礙物、閱讀標識信息等，從而減少犯罪、躲避危險，提高步行空間的安全性和行人的安全感[1-2]。然而完成這些視覺作業(yè)，多會涉及到顏色信息的問題。在中間視覺條件下，人眼視網(wǎng)膜內(nèi)的錐狀細胞依然活躍。三種錐狀細胞的不同分光敏感性決定著三種視覺通道，使得光源SPD成為影響人眼顏色視覺的重要因素。這三種視覺通道包括一個非顏色無拮抗通道和兩個顏色拮抗通道，即非顏色通道、紅-綠拮抗通道和黃-藍拮抗通道。這些顏色視覺系統(tǒng)的拮抗結(jié)構(gòu)決定了視覺作業(yè)中對顏色的感知[3-4]。研究表明影響人行道路照明顏色識別的主要照明因素是照度水平、光源的顯色性[5]，以及色溫等。

Boyce PR， Bruno(1999)[6]的研究發(fā)現(xiàn)在中間視覺條件下照度水平的增加有助于顏色識別準確率的提高,金鹵燈和緊湊型熒光燈比鈉燈對顏色辨識更精準。英國標準BS5489-1(2003)甚至允許輔助街道上的照明在顯色性與照度之間進行取舍，規(guī)定如果使用具有高顯色性的光源，可以選擇更低一級別的照度水平。Knight C， Van Kemenade J， Deveci Z(2007)[7]的戶外真實場景中的顏色識別實驗，在高壓鈉燈(2000K、顯色指數(shù)25)和兩個金鹵燈(2800K，顯色指數(shù)大于60)的照明場景進行比較，讓被試者距離15m的位置行進并辨認燈前1.5m處的8塊不同顏色的毛巾，結(jié)果顯示白光更有利于顏色的辨認。姚其等人(2007)[8]在高壓鈉燈與金鹵燈的道路上進行顏色識別的實驗，結(jié)果顯示對紅色、黃色、藍色的辨認，金鹵燈優(yōu)于高壓鈉燈，高壓鈉燈在黃綠色上的辨認優(yōu)于金鹵燈，但總體來說白光的金鹵燈更具優(yōu)勢。

總結(jié)以往的研究可知，在人行道路照明場景中的顏色識別方面，白光的金鹵燈比黃光的高壓鈉燈具有更高的顏色辨識能力和正確率，這似乎可以得出黃光含量較高的光源對于顏色辨識不利。但是我們同樣知道高壓鈉燈的顯色性遠不如金鹵燈，在顏色辨識方面的差異很可能是由于顯色性的不同造成的。那么對于顯色性相同的不同SPD光源來說，他們之間對于顏色辨認是否存在差異，還不得而知，需要開展更多具有針對性的研究來驗證這一問題。[9-10]

1 顏色識別實驗

顏色識別實驗的目的是了解在不同SPD的光源條件下，行人對步行空間照明中被照物的顏色辨識能力。如圖1、圖2實驗設(shè)計方案，被試在距離色樣4m的距離下，觀察立于L1光源前1m處的四對NCS色卡，并讓被試從NCS對比色環(huán)中選出認為最接近的顏色。四對NCS色卡為NCS色彩體系中色彩飽和度最高的色環(huán)上四對典型色樣：紅色(-R)—橙色(-Y50R)；黃色(-Y)—黃綠色(-G50Y)；綠色(-G)—藍綠色(-B50G)；藍色(-B)—紫色(-R50B)。

注：S為被試；L1為場景提供空間照明，其相關(guān)色溫分別是2700K，4000K，6500K；L2是與L1具有相同SPD的光源，為NCS色卡提供垂直照度。且與模擬步道軸線夾角為6.3°，以模擬相鄰近步道燈照射角度；NCS色卡為四對色樣：紅色(-R)—橙色(-Y50R)、黃色(-Y)—黃綠色(-G50Y)、綠色(-G)—藍綠色(-B50G)、藍色(-B)—紫色(-R50B)。NCS色環(huán)為對比色樣。

1.1 實驗光源

實驗用光源采用了XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1和L2光源前分別增設(shè)了46.7°和15°的光學(xué)透鏡。實驗選用了三組不同SPD的LED，其具體參數(shù)見表1和圖3。

1.2 實驗被試

在實驗設(shè)計中，選擇的被試具有相似的專業(yè)背景和相近的年齡段。所有的被試無色盲、色弱以及其他眼部疾病史，并經(jīng)過眼科醫(yī)學(xué)的嚴格篩選。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 實驗裝置

顏色識別實驗中，選取了NCS色環(huán)(NCS color circle)中的四對飽和度最高的顏色作為視看目標，并以色環(huán)作為對比色樣使用。實驗中，將四對顏色成對的組合黏貼在黑色背板上，放置在實驗指定位置(如圖4所示)。四對NCS色卡的尺寸是150mm×105mm。

對比色環(huán)為NCS標準色環(huán)，為了防止被試在實驗中記憶色環(huán)上的顏色，以色環(huán)為基礎(chǔ)，制作了色樣對比圓盤。用黑色的卡紙遮擋色環(huán)上顏色的編號，僅將色環(huán)上的顏色呈現(xiàn)出來供被試選擇。并制作一個具有1～40數(shù)字序號的黑色卡紙，在每次被試辨認前，記錄顏色與數(shù)字序號的對應(yīng)關(guān)系，完成每個場景的實驗后，改變數(shù)字序號與色樣的對應(yīng)關(guān)系，用于下一個實驗場景，如圖5所示。色環(huán)上對比色樣的尺寸大小為50mm×30mm。被試觀看的對比色環(huán)采用D65標準光源照射，并且通過遮光的方式控制照射范圍僅能照射色環(huán)上幾個顏色的區(qū)域，避免過高的照度和過大的照射范圍影響被試視看的環(huán)境亮度，如圖2所示。

1.4 實驗參數(shù)取值

實驗中采用三種色溫，結(jié)合三個不同的路面平均照度環(huán)境進行實驗設(shè)計，共有九個場景。因此，在該實驗設(shè)計中，光源色溫、路面平均照度為自變量，被試獲得的對顏色識別的準確率和判斷誤差為因變量。

圖5 NCS標準色環(huán)及實驗中的對比圓盤Fig.5 NCS standard color circle and compared color circle in experiment

1.4.1 LED光源的色溫

商業(yè)化的功能型白光LED主要是由藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉的白光技術(shù)生成[11、12]，此類白光光譜特征呈現(xiàn)為雙波峰形態(tài)，即是藍光波峰與黃光波峰。根據(jù)對“富含藍光”白光的描述，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[13]。這個定義描述的SPD作為一個控制指標不具有易操作性。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，那么這個差異會更小。因此，當顯色指數(shù)一定時，采用光源色溫來表征LED光源的SPD特征具有一定的可行性。實驗中選用的光源相關(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%，它們對應(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，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)境亮度在實際照明應(yīng)用中較少涉及，且在真實場景中如何測量環(huán)境適應(yīng)亮度還具有一定的爭議[14]。因此，實驗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)計標準(CJJ 45—2006)》的3.5.1中人行道路照明標準值，并參考國際照明委員會CIE115—2010、英國BS EN13201-2：2003、日本工業(yè)標準等推薦的步行道路照度水平，選擇具有代表性的三個地面平均照明值：5lx、10lx和20lx，其中5lx和20lx是現(xiàn)行國家標準規(guī)定的人行道路平均照度最小值和最大值。[15]

在實驗中，根據(jù)地面平均照度的取值，嚴格控制了四對色卡的表面平均垂直照度。參照國家標準對應(yīng)地面平均照度為5lx、10lx、20lx時色卡的平均垂直照度分別取1lx、2lx、4lx。[15]

1.5 實驗順序設(shè)計

在實驗設(shè)計中，LED光源的色溫、路面平均照度二個變量組合共有九個場景，實驗設(shè)計采用被試內(nèi)設(shè)計方法(within-subjects design)，對場景呈現(xiàn)順序采用平衡拉丁方設(shè)計(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。[16]

2 實驗結(jié)果及分析

在對顏色辨識結(jié)果的整體分析以及對單個顏色的分析中，都引入了準確率與判斷誤差作為衡量指標，以評價識別顏色的準確性和偏離程度。數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 20軟件。

2.1 色溫對顏色識別的影響

色溫對顏色識別影響程度的整體分析中，引入的準確率u和判斷誤差σ作為主要衡量指標。表2顯示的是在顏色識別實驗中，準確率u和判斷誤差σ的描述性統(tǒng)計量以及光源色溫對因變量的影響程度。

表2 光源色溫對顏色判斷的準確率u和判斷誤差σ及其影響程度Table 2 Accuracy rate (u) and error in judgement (σ) of color naming under different CCT

從表2中的P值可知，在地面平均照度為5lx條件下，色溫對準確率的影響沒有顯著性，但對判斷誤差的影響具有一定的顯著性；當為10lx時，色溫對準確率的影響具有非常的顯著性，但對于判斷誤差沒有影響；當為20lx時，對準確率和判斷誤差的影響都有顯著性。無論在哪個地面平均照度的分組條件下，都顯示了色溫對于顏色識別影響的顯著性。在步行空間照明中，顏色識別與物體的固有色以及與光源SPD共同作用下的表觀色有關(guān)，這使得不同SPD的LED光源對于顏色的識別存在差異。

從判斷顏色的準確率和判斷誤差的均值來看，無論在哪個照度條件下，4000K色溫時的準確率總是高于2700K和6500K，且判斷誤差也最小，見圖6、圖7。這說明4000K色溫對于顏色識別更有利，而2700K和6500K均次之。

圖6 顏色識別的準確率隨色溫的變化Fig.6 Accuracy rate (u) of color naming changed according to CCT

圖7 顏色識別的判斷誤差隨色溫的變化Fig.7 Error in judgement of color naming changed according to CCT

2.2 色溫對單個顏色識別的影響分析

在分析單個顏色的識別能力時，建立了新的兩個指標：準確率a和判斷誤差d。雖然準確率對顏色識別具有一定的意義，但在步行道路中判斷一個顏色時的偏離程度則更能反應(yīng)顏色識別的能力。因此在分析色溫對單個顏色識別是否有影響時，主要針對每個顏色時的判斷誤差。數(shù)據(jù)分析可知：

(1)藍綠色

色溫對藍綠色識別的影響具有顯著性意義，且隨著色溫增加顏色識別能力有所提高。但在不同地面平均照度場景下存在一些差異，其中在5lx時，2700K時偏離程度最大，4000K次之，6500K最小；在10lx時，2700K時偏離程度最大，6500K次之，4000K最??；在20lx時，2700K時偏離程度最大，6500K次之，4000K最小。這說明2700K的低色溫時對藍綠色的識別最不利。

(2)綠色

在地面平均照度為5lx時，色溫對綠色的識別影響具有顯著性意義，且隨著色溫增加顏色識別能力顯著提高，即6500K時對顏色的識別最有利，4000K次之，2700K最差。但在10lx和20lx條件下，色溫對綠色的識別影響不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

(3)紅色

無論在哪個照度條件下，色溫對紅色的識別影響均不具顯著性。

(4)橙色

無論在哪個照度條件下，色溫對橙色的識別影響均不具顯著性。

(5)紫色

在地面平均照度為5lx時，色溫對紫色的識別影響不具有顯著性意義。但在10lx和20lx時，色溫對紫色的識別均有顯著影響。且6500K時對顏色的識別最不利，4000K和2700K之間沒有明顯的差別。

(6)藍色

色溫對藍色識別具有非常顯著的影響。在地面平均照度為5lx和10lx時，對顏色的識別能力隨著色溫的增加而增加，即6500K時對藍色的識別最有利，4000K次之，2700K最不利。但在20lx時，4000K對藍色識別最有利，6500K和2700K之間沒有明顯差別。

(7)黃色

色溫對黃色的識別具有顯著影響，且不論在哪個照度場景下，均顯示了4000K對黃色的識別最有利，2700K次之，6500K最不利。

(8)黃綠色

在地面平均照度為20lx時，色溫對黃綠色的識別具有顯著影響，且6500K時對顏色的識別最有利，4000K次之，2700K最不利。但在5lx和10lx時，色溫對黃綠色的識別影響不具有顯著性意義。

結(jié)合準確率與判斷誤差均值對八個顏色的識別分析，見圖8。結(jié)果顯示，若不考慮色溫影響，對藍綠色識別的準確率最低，且判斷誤差最大；紅色的準確率最高，且判斷誤差最小。因此，對于實驗用的八種顏色來說，紅色最容易識別，而藍綠色最難識別。

圖8 不同色溫時八種顏色識別的準確率與判斷誤差Fig.8 Accuracy rate (u) and error in judgement (σ) of color naming under different CCT

3 結(jié)論

顏色識別能力的強弱與人眼的視覺生理特征直接相關(guān)。人眼視網(wǎng)膜內(nèi)存在著三種視覺通道，這取決于三種錐狀細胞對于不同波長光的分光敏感性特征，使得光源SPD對顏色識別具有重要意義。而在步行空間照明中，顏色識別與物體的固有色以及與光源SPD共同作用下的表觀色有關(guān)。這使得不同的照明場景下對于不同顏色的識別具有很大的差異。通過顏色識別實驗研究，得到以下結(jié)論：

(1)在不同的亮度環(huán)境分組中，色溫對顏色識別的影響具有統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著性。在地面平均照度為5lx條件下，色溫對準確率的影響沒有顯著性，但對判斷誤差的影響具有一定的顯著性；在10lx時，色溫對準確率的影響具有非常的顯著性，但對于判斷誤差沒有影響；在20lx時，對準確率和判斷誤差的影響都有顯著性；

(2)從判斷顏色的準確率和判斷誤差的均值來看，4000K色溫時對顏色識別的準確率均為最高，且判斷誤差也最小，即4000K色溫對于顏色識別更有利，而2700K和6500K次之；

(3)對于每種顏色的分析中，也獲得了不同地面平均照度分組條件下，不同色溫對每種顏色辨認能力的差別：

① 藍綠色：色溫對藍綠色識別的影響具有顯著性意義，且2700K的低色溫時對藍綠色的識別最不利；

② 綠色：地面平均照度為5lx時， 6500K時對顏色的識別最有利，4000K次之，2700K最差；

③ 紅色與橙色：無論在哪個照度條件下，色溫對顏色的識別均沒有影響；

④ 紫色：地面平均照度為10lx和20lx時，色溫對紫色的識別均有顯著影響。且6500K時對顏色的識別最不利，4000K和2700K之間沒有明顯的差別；

⑤ 藍色：色溫對藍色識別的具有非常顯著的影響。地面平均照度為5lx和10lx時， 6500K時對藍色的識別最有利，4000K次之，2700K最不利。但在20lx時，4000K對藍色識別最有利，6500K和2700K之間沒有明顯差別；

⑥ 黃色：色溫對黃色的識別具有顯著影響，且4000K對黃色的識別均為最有利，2700K次之，6500K最不利；

⑦ 黃綠色：地面平均照度為20lx時，色溫對紫色的識別具有顯著影響，且6500K時對顏色的識別最有利，4000K次之，2700K最不利。

(4)若不考慮色溫的影響，對于實驗用的八種顏色的識別來說，紅色最容易識別，而藍綠色最難識別。

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