隧道環(huán)境下中間視覺模型的對比及應(yīng)用

童孟勝，張 馳，張?zhí)旌?，錢登朝，康 誠，吳 珂

(1.寧?？h交通重點工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315600；2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；3.溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000；4.寧海縣交通運輸局，浙江 寧波 315600)

隧道環(huán)境下中間視覺模型的對比及應(yīng)用

童孟勝1，4，張 馳2，張?zhí)旌?，錢登朝3，康 誠2，吳 珂2

(1.寧?？h交通重點工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315600；2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；3.溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000；4.寧?？h交通運輸局，浙江 寧波 315600)

從視覺功效試驗參數(shù)角度出發(fā)，分析USP、S、MOVE、MES2等中間視覺光度學(xué)模型計算結(jié)果的差異及成因，并討論了各模型在隧道照明中的適用性。結(jié)果表明，在隧道中間段亮度水平范圍內(nèi)，四種中間視覺模型獲得的亮度增益幅度為MOVE>MES2>S>USP?；谝曈X功效的各中間視覺模型主要區(qū)別在于亮度適應(yīng)系數(shù)x，有色差、高對比度和大偏心角的視覺任務(wù)會增大中間視覺函數(shù)Vm(λ)中暗視覺函數(shù)V′(λ)的權(quán)重；而無色差、低對比度和小偏心角的視覺任務(wù)會使得明視覺函數(shù)V(λ)的權(quán)重更大。隧道行車過程多為目標(biāo)有色差、<5°偏心角和包含正負(fù)對比度的視覺任務(wù)，MOVE模型更適用于評價隧道中間段的人眼實際感受。

隧道照明；中間視覺模型；視覺功效試驗；光度學(xué)

引言

隧道照明、夜間道路照明等環(huán)境下，亮度水平一般在(1.0～4.5)cd/m2之間[1-2]，屬于中間視覺狀態(tài)，此時，以明視覺狀態(tài)為基準(zhǔn)的傳統(tǒng)評價方法及指標(biāo)難以準(zhǔn)確反映人眼對亮度的感知能力[3-4]。因此，基于中間視覺光度學(xué)理論，對隧道照明進(jìn)行合理設(shè)計與優(yōu)化顯得尤為重要。

20世紀(jì)60年代以來，中間視覺光度學(xué)一直被國際照明委員會(CIE)、美國照明工程學(xué)會(IES)、中國照明學(xué)會(CIES)等國內(nèi)外照明組織持續(xù)關(guān)注[5-6]。早期研究主要采用視亮度匹配法獲取中間視覺光譜光視效率函數(shù)[7]，但該方法難以解決中間視覺狀態(tài)下的相加性和顏色通道問題。近年來，以視標(biāo)探測、辨認(rèn)以及反應(yīng)時間等視覺功效指標(biāo)為基礎(chǔ)，建立描述中間視覺光譜光視效率函數(shù)模型的視覺功效法，被國內(nèi)外學(xué)者所廣泛應(yīng)用[8]，CIE為此專門設(shè)立了TCI-58技術(shù)委員會以促進(jìn)該方向的研究[9]。目前，USP、S、MOVE、MES2是國內(nèi)外主流的中間視覺光度學(xué)模型，對上述模型的合理應(yīng)用已成為當(dāng)前的研究熱點。文獻(xiàn)[10-11]分別基于S模型和MOVE模型，計算了不同光譜分布、s/p值的LED光源在中間視覺環(huán)境下的實際照明亮度，建立了隧道、夜間道路環(huán)境下的中間視覺亮度增益指標(biāo)。文獻(xiàn)[12]分析了USP、MOVE、MES1、MES2模型的構(gòu)建條件及亮度適用范圍，并對比了各模型中間視覺亮度修正隨明視覺亮度的變化規(guī)律，指出USP模型在低亮度范圍內(nèi)的精度較高，而MES2模型則主要適用于高亮度范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對基于視覺功效法的中間視覺模型，視覺功效試驗條件和環(huán)境參數(shù)是影響模型構(gòu)建和適用性的重要因素，但已有研究鮮有從該角度對比分析各模型的特點與差異。

我們從視覺功效試驗參數(shù)角度出發(fā)，系統(tǒng)分析USP、S、MOVE、MES2等中間視覺光度學(xué)模型計算結(jié)果的差異及成因，并討論了各模型在隧道照明中的適用性。

1 基于視覺功效法的中間視覺模型

1996年，He等人首次嘗試以反應(yīng)時間為指標(biāo)建立中間視覺模型，Hurden A將這種建立中間視覺光度學(xué)系統(tǒng)的方法稱為視覺功效法(Performance-based method)[13]。2004年Rea等人基于He的研究，提出了USP模型[14]，其中間視覺亮度Lm計算式為

式中Lp為明視覺亮度，Ls為暗視覺亮度。

TCI-58技術(shù)委員會負(fù)責(zé)人Halonen聯(lián)合歐洲五所研究機(jī)構(gòu)，分別進(jìn)行有色差視標(biāo)辨認(rèn)視覺任務(wù)的功效試驗，匯總各自的試驗結(jié)果建立MOVE模型[15]，對應(yīng)的Lm的計算式如下：

式中，V′(λ0)=683/1 699是暗視覺光譜光視效率函數(shù)V′(λ)在波長λ0=555 nm處的值，x為亮度適應(yīng)系數(shù)。

2007年，Viikari[16]在MOVE模型的試驗基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了無色差視覺任務(wù)，且綜合了MOVE和USP模型的中間視覺亮度范圍，將其定義為(0.005～5)cd·m-2，提出了MES2模型對MOVE模型進(jìn)行修正，對應(yīng)的Lm的計算式如式(3)所示。

式中，Lm,n通過迭代求解，n為迭代步數(shù)，常數(shù)a，b分別為0.767 0和0.333 4。

2008年，陳文成在荷蘭HUT照明試驗室(構(gòu)建MOVE模型的五所研究機(jī)構(gòu)之一)基于無色差視覺任務(wù)，進(jìn)行了不同Lp和目標(biāo)對比度C下的4組視覺功效試驗，并基于Lp=0.1 cd·m-2、C=0.1工況的Lm-Lp關(guān)系曲線建立了S模型[4]，其Lm的計算式如下：

式中，r為暗視覺與明視覺光通量的比值。

2 中間視覺模型差異性分析

盡管上述中間視覺模型的Lm計算式各不相同，但基于視覺功效法的中間視覺光度學(xué)研究，均將中間視覺光譜光視效率函數(shù)Vm(λ)定義為明視覺視效函數(shù)V(λ)和暗視覺函數(shù)V′(λ)的線性組合：

式中，k1(L)為Vm(λ)的歸一化函數(shù)。

應(yīng)當(dāng)指出，亮度適應(yīng)系數(shù)x表征相同亮度條件下V(λ)所占的權(quán)重，其差異是不同中間視覺模型的主要區(qū)別。而造成x差異的原因在于各模型所基于的視覺功效試驗方法、條件和評價指標(biāo)有所不同。其中，試驗條件是至關(guān)重要的影響因素之一。表1為各模型試驗參數(shù)匯總。

表1 視覺功效試驗參數(shù)Table 1 Visual efficacy test parameter

由表1可以看出，S、MOVE、MES2模型試驗參數(shù)的主要差異在于目標(biāo)與背景是否有色差，而USP、S模型則在于對比度和目標(biāo)偏心角。可見，目標(biāo)背景色差、對比度和偏心角是影響視覺功效試驗結(jié)果的重要參數(shù)。

中間視覺模型對亮度水平的修正可采用亮度修正系數(shù)R表示[4]，如式(6)所示。

目標(biāo)光斑的光譜分布與背景一致時稱為無色差的視覺任務(wù)，不一致稱為有色差。以4 079 K的LED光源為例，S、MOVE、MES2模型的x和R隨Lp的變化如圖1所示。

圖1 目標(biāo)背景色差對x、R的影響Fig.1 Effect of background color difference on x、R

由圖1可以看出，隨著Lp的提高，x逐漸增大，R則逐漸變小，表明隨著環(huán)境亮度的提升，各模型的明視覺權(quán)重均逐漸提高，中間視覺亮度趨近于明視覺亮度。在隧道中間段亮度范圍內(nèi)，相同Lp下，MOVE模型的x最小、R最大；S模型的x最大、R最??；MES2模型則介于兩者之間?？梢?，在相同的明視覺亮度下，S模型的明視覺權(quán)重更大，MOVE的暗視覺權(quán)重更大。當(dāng)Lp=2 cd·m-2時，相比于S模型，MOVE模型的x降低了14 %、R由4.8 %提高到12.7 %。

結(jié)合表1和圖1可知，S、MOVE、MES2模型視覺任務(wù)的目標(biāo)對比度、張角和偏心角較為一致，主要區(qū)別在于三者視覺任務(wù)的目標(biāo)背景色差。相比于無色差的S模型，主要考慮有色差視覺任務(wù)的MOVE模型的x最小，R最大；MES2在MOVE的基礎(chǔ)上增加了無色差任務(wù)，從而使得x、R介于S模型和MOVE模型之間。可見，在中間視覺狀態(tài)下，無色差視覺任務(wù)會使得Vm(λ)中V(λ)的權(quán)重更大，有色差視覺任務(wù)會使得V′(λ)的權(quán)重更大。

圖2為S模型、USP模型x、R隨Lp的變化曲線。其中，S1、S2分別為S模型在C=0.1和C=0.15工況下的x、R-Lp關(guān)系變化曲線。

圖2 目標(biāo)對比度、偏心角對x、R的影響Fig.2 Effect of target contrast and eccentricity angle on x、R

由圖2可以看出，在相同的Lp下，S1的x最大，S2次之，USP模型最??；各模型R值變化則與x相反?？梢?，在相同亮度水平下，S1的明視覺權(quán)重更大，USP的明視覺權(quán)重最小，S2則介于兩者之間。

結(jié)合圖2和表1可知，S1、S2和USP模型視覺任務(wù)的目標(biāo)背景色差、張角均相同，目標(biāo)對比度與偏心角有所差別。S1和S2視覺任務(wù)采用的目標(biāo)偏心角均為10°，而對比度不同；USP模型的偏心角、對比度均較大，分別達(dá)到15°、2.3。在相同的目標(biāo)偏心角下，相比于C=0.1的S1曲線，采用C=0.15視覺任務(wù)的S2曲線的x較小、R較大。相比于S模型，USP模型視覺任務(wù)的目標(biāo)對比度更高、偏心角更大，x最小、R最大。可見，在中間視覺狀態(tài)下，高目標(biāo)對比度、大偏心角的視覺任務(wù)會增大Vm(λ)中V′(λ)的權(quán)重，而低目標(biāo)對比度、小偏心角視覺任務(wù)會使得V(λ)的權(quán)重更大。

3 隧道行車視覺特性

基于視覺功效法的中間視覺模型，視覺任務(wù)的目標(biāo)背景色差、對比度、偏心角等參數(shù)均會直接影響x，進(jìn)而影響模型對人眼真實感受亮度的評價。試驗參數(shù)與實際應(yīng)用場景越匹配，則模型對該場景下人眼真實感受的表征越準(zhǔn)確。

車輛在隧道行駛中，駕駛員的注視區(qū)間主要集中于正前方較遠(yuǎn)處，且隨著車速的增大，注視區(qū)間位置逐漸前移[17]。以三車道隧道為例，路面寬度約為13.5 m。當(dāng)行駛速度分別為40、72 km·h-1時，駕駛員注視位置約為車前183 m、366 m，此時駕駛員的視張角分別為4.7°、2.34°。由于視認(rèn)目標(biāo)均在視張角范圍內(nèi)，因此駕駛員視認(rèn)目標(biāo)的偏心角應(yīng)小于5°，且隨著車速提高、隧道寬度變小，目標(biāo)偏心角將進(jìn)一步減小?？梢?，隧道行車環(huán)境下，視覺任務(wù)的目標(biāo)偏心角集中在5°以內(nèi)。結(jié)合表1可知，相比于偏心角為15°的USP模型，基于10°偏心角視覺任務(wù)構(gòu)建的S、MOVE、MES2模型顯然更貼合實際隧道駕駛環(huán)境。

此外，隧道交通事故中約60%為車輛追尾[18]。車輛紅色尾燈與隧道中間段白色(LED)或黃色(高壓鈉燈)背景存在較大的色差，準(zhǔn)確辨識汽車尾燈等有色差目標(biāo)是隧道行車過程重要的視覺任務(wù)。因此，基于有色差視覺任務(wù)構(gòu)建的MOVE模型，理應(yīng)更適用于評價隧道環(huán)境下駕駛員的人眼實際感受。

應(yīng)當(dāng)指出，除辨識汽車尾燈這類正對比度的視覺任務(wù)外，隧道行車還包括辨識碎石、拋灑物等負(fù)對比度障礙物[19]，而已有模型的視覺功效試驗均未考慮負(fù)對比度視覺任務(wù)。同時，當(dāng)前模型的視覺任務(wù)目標(biāo)偏心角均在10°以上，超出了隧道中駕駛員視認(rèn)目標(biāo)的視張角范圍(<5°)。因此，基于小偏心角(<5°)和正、負(fù)對比度的有色差視覺任務(wù)構(gòu)建中間視覺模型，將更適用于評價隧道行車環(huán)境下的人眼實際感受。

4 結(jié)論

1)在隧道中間段亮度水平范圍內(nèi)，本文討論的四種中間視覺模型獲得的亮度增益幅度為MOVE>MES2>S>USP。

2)基于視覺功效法的各中間視覺模型主要區(qū)別在于亮度適應(yīng)系數(shù)x，而目標(biāo)背景色差、對比度和偏心角等參數(shù)是造成x差異的主因。中間視覺狀態(tài)下，有色差、高對比度和大偏心角的視覺任務(wù)會增大Vm(λ)中V′(λ)的權(quán)重；而無色差、低對比度和小偏心角的視覺任務(wù)會使得V(λ)的權(quán)重更大。

3)隧道行車過程多為目標(biāo)有色差、<5°偏心角和包含正負(fù)對比度的視覺任務(wù)，與MES2、S、USP相比，MOVE模型的視覺功效試驗參數(shù)與實際隧道環(huán)境更為匹配，更適用于評價隧道中間段的人眼實際感受。

[1] 王建平,嚴(yán)曉龍,徐曉冰.基于反應(yīng)時間的中間視覺道路照明功率密度分析及顯色性能研究[J].發(fā)光學(xué)報,2015,36(5):595-603.

[2] 梁波,崔璐璐,陳蔚,等.基于S/P值的隧道蓄反光側(cè)壁材料輔助節(jié)能照明的光學(xué)性能試驗研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2016,53(6):196-201.

[3] 張曉芹,胡江碧,王猛,等.基于駕駛視認(rèn)需求的隧道中間段路面亮度需求[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,42(5):768-773.

[4] 林燕丹，陳大華，邵紅，等.中間視覺研究的動態(tài)及研究模式的剖析[J].照明工程學(xué)報，2002，13(4):9-13.

[5] Recommended system for mesopic photometry based on visual performance：CIE 191：2010.

[6] PALMER D A.The definition of a standard observer for mesopic photometry[J].Vision Research，1967,7(7)：619-628.

[7] IKEDA M，SHIMOZONO H.Mesopic luminous-efficiency functions[J].Journal of the Optical Society of America，1981，71(3)：280.

[8] 徐曉冰,張勇,王建平,等.一種道路照明光源的光視光效模型研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,38(2):161-165.

[9] 楊勇,韓文元,嚴(yán)明,等.基于視覺功效法的公路照明光源性能分析[J].光譜學(xué)與光譜分析,2015,35(10):2686-2690.

[10] 楊勇，關(guān)麗，朱傳征，等.中間視覺條件下光源光譜分布對人眼視亮度的影響[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012，32(10)：2629-2631.

[11] 楊超，范士娟.中間視覺對隧道照明的影響[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2013(1)：22-25.

[12] 莊鵬.CIE中間視覺光度學(xué)模型的分析和應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報，2012，23(3)：35-41.

[13] HE Y.Evaluating light source efficacy under mesopic conditions using reaction times[J].Journal of the Illuminating Engineering Society，1997，26：125-138.

[14] REA M S，BULLOUGH J D，F(xiàn)REYSSINIER-NOVA J P，et al.A proposed unified system of photometry[J].Lighting Research & Technology，2004，36(2)：85-109.

[15] GOODMAN T，F(xiàn)ORBES A，WALKEY H，et al.Mesopic visual efficiency IV：A model with relevance to nighttime driving and other applications[J].Lighting Research & Technology，2007，39(4)：365-392.

[16] VIIKARI M.Analysis of the existing visual performance based mesopic models and a proposal for the basis of mesopic photometry[R].Espoo：Helsinki University of Technology，Lighting Laboratory，2007,1-46.

[17] 趙炳強(qiáng).駕駛員動態(tài)視覺特征及其影響[J].公路交通科技，1998(a01):102-104.

[18] 賴金星，張鵬，周慧,等.高速公路隧道交通事故規(guī)律研究[J].隧道建設(shè)，2017，37(1):37-42.

[19] 關(guān)雪峰，趙海天，胡姍姍.中間視覺條件下亮度對視力清晰度影響的“E”方法測定[J].照明工程學(xué)報，2010，21(3)：17-24.

ComparisonandApplicationofMesopicModelsundertheTunnelEnvironment

TONG Mengsheng1，4，ZHANG Chi2，ZHANG Tianhang2，QIAN Dengchao3，KANG Cheng2，WU Ke2
(1.HeadquartersofNinghaiMajorTrafficProjectConstruction，Ningbo315600，China；2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China；3.WenzhouHighwayAdministration，Wenzhou325000，China;4.NinghaiTransportBureau，Ningbo315600，China)

The present research analyzes the differences between the luminance calculated using the USP，S，MOVE，MES2 model and its causes，as well as discusses the applicability of each model in tunnel lighting from the perspective of visual conditions.Results show that in the interior zone of the tunnel，luminance calculated by MOVE ranks the highest，followed by MES2 and S model，and USP ranks the lowest.The major difference among visual performance based systems is adaptation coefficientx.Meanwhile，visual tasks with chromatic，high contrast and large eccentricity can enhance the weight of photopic functionV(λ) in mesopic functionVm(λ)；while visual tasks with achromatic，low contrast and small eccentricity can strengthen the weight of scotopic functionV′(λ).The chromatic，eccentricity below 5 degrees，negative and positive contrast target is more frequently encountered in tunnel.Thus，MOVE model is more applicable to describe the actual vision in the tunnel driving environment.

tunnel lighting；mesopic models；vision function experiment；photometry

寧波市交通運輸科技項目(201702)，浙江省公路科技計劃項目(2016-2-7)

吳珂，E-mail：wuke@zju.edu.cn

O432

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.022