行人道路不同LED照明條件下的三維人臉表情識(shí)別能力

李天宇，江 昕，楊 彪

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)建筑學(xué)院，廣東 深圳 518000)

引言

隨著 LED 照明技術(shù)的發(fā)展，其在道路照明應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢(shì)引起了廣泛的關(guān)注，但由于缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，LED光源在視覺(jué)功效學(xué)方面的節(jié)能潛力尚未完全發(fā)揮。國(guó)家發(fā)改委在2017年發(fā)布的《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄(2016版)》中，重點(diǎn)列入了“高效低成本LED替代光源”，包括高效低成本筒燈、射燈、路燈、隧道燈、球泡燈等替代型半導(dǎo)體照明光源和新型LED照明應(yīng)用產(chǎn)品。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)標(biāo)準(zhǔn)CIE 115—2010[1]和英國(guó)道路照明標(biāo)準(zhǔn)BS 5489-1:2013[2]指出：行人道路照明旨在確保其安全的夜間步行環(huán)境，滿足視覺(jué)信息的需求，其中對(duì)他人的意圖識(shí)別被認(rèn)為是安全步行中的關(guān)鍵視覺(jué)任務(wù)。目前亟需針對(duì)行人在步行環(huán)境中的視覺(jué)功效開(kāi)展研究，解決 LED 光源在道路照明節(jié)能應(yīng)用中的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，為提供行人安全步行環(huán)境和實(shí)現(xiàn) LED 照明節(jié)能提供理論依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)逐步開(kāi)展了關(guān)于行人道路照明的工作。楊秀和郝洛西[3]對(duì)LED光源的光譜能量分布對(duì)行人視覺(jué)作業(yè)的影響進(jìn)行了較為全面的綜述，并運(yùn)用視覺(jué)功效法分析視覺(jué)辨認(rèn)時(shí)人眼的光譜能量分布響應(yīng)特征，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬照明場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)和真實(shí)照明場(chǎng)景中的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果揭示了光譜功率分布對(duì)周邊視覺(jué)的影響作用，且影響程度隨著角度的增加更加顯著[4]。宋佳音等[5]探索了不同道路亮度等級(jí)下行人被識(shí)別的反應(yīng)時(shí)間，并擬合了兩者之間的視覺(jué)功效函數(shù)，結(jié)果表明同等亮度時(shí)LED光源下的反應(yīng)時(shí)間比高壓鈉燈下的更短，揭示了光譜對(duì)視覺(jué)反應(yīng)時(shí)間的補(bǔ)償作用。

復(fù)旦大學(xué)林燕丹等[6,7]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，探討了亮度、光譜、觀察時(shí)間和視覺(jué)任務(wù)(身份識(shí)別和表情識(shí)別)等因素對(duì)行人面部辨識(shí)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)觀察時(shí)間作為變量會(huì)影響識(shí)別能力，實(shí)驗(yàn)中如果觀察時(shí)間不固定，則會(huì)增加實(shí)驗(yàn)誤差，并與英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Fotios和Yang[8,9]合作探討了面部識(shí)別實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)劣。Fotios和Raynham[10]對(duì)過(guò)去關(guān)于行人照明和人臉識(shí)別的研究所使用的實(shí)驗(yàn)方法和視覺(jué)任務(wù)都提出了質(zhì)疑，他們認(rèn)為，針對(duì)光譜的精密心理學(xué)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該在固定距離、固定觀察時(shí)間的條件下完成，而且將人臉識(shí)別作為唯一的視覺(jué)任務(wù)是否合適也值得商榷。

Yang和Fotios[11]首次將狹義的人臉身份識(shí)別(facial recognition)擴(kuò)展到了廣義的人際判斷(interpersonal judgement)，并指出身體語(yǔ)言、人臉表情和視線方向等表達(dá)他人意圖的視覺(jué)線索(visual cue)是行人照明的關(guān)鍵視覺(jué)任務(wù)之一。Yang、Fotios和Cheal[12,13]在明確了觀察距離(15 m)和觀察時(shí)間(500 ms)的基礎(chǔ)上，對(duì)青年組和老年組分別進(jìn)行了實(shí)證實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明人臉表情50%辨識(shí)率時(shí)的閾值亮度為1.0 cd/m2，但其使用的視覺(jué)刺激物為接近單色的二維人臉表情照片。隨后，F(xiàn)otios等[14]又進(jìn)一步研究了彩色人臉表情圖像的顏色和光譜的關(guān)系，但由于所使用的視覺(jué)刺激均為人臉表情二維(2D)圖像，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性還需要使用三維(3D)人臉進(jìn)一步驗(yàn)證。

近幾年CIE更新的道路照明標(biāo)準(zhǔn)中增加了關(guān)于光譜和顏色方面的建議內(nèi)容：當(dāng)顯色指數(shù)(Ra)大于60時(shí)，由于其對(duì)周邊視覺(jué)的補(bǔ)償作用，最低照度要求可以降低一級(jí)[15]。然而包括美國(guó)、英國(guó)和中國(guó)等大多數(shù)國(guó)家的道路照明標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有包含關(guān)于光譜補(bǔ)償照度的內(nèi)容，主要原因是現(xiàn)有研究提供的科學(xué)依據(jù)尚未達(dá)成共識(shí)，有待針對(duì)具體視覺(jué)任務(wù)進(jìn)行深入研究。Uttley等[16]的研究結(jié)果表示，具有較高S/P值(scotopic/photopic ratio)的光源可以提高低照度下識(shí)別障礙物的能力，這一結(jié)論是否同樣適用于人臉表情識(shí)別需要進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

我們主要針對(duì)LED的照度、光譜功率分布(spectral power distribution, SPD)和S/P值對(duì)三維人臉表情識(shí)別能力的影響開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)性研究，為進(jìn)一步完善基于LED的行人道路照明標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本次研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)了行人所經(jīng)歷的不同道路光環(huán)境，來(lái)研究行人對(duì)三維人臉表情的識(shí)別能力。在實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)調(diào)節(jié)“全光譜多通路 LED 模擬光源”，設(shè)置了15種光照環(huán)境，具體包括3種不同SPD的LED光源：模擬HPS(CCT=2 000 K，S/P=0.57，Ra=25)，模擬MH(CCT=4 200 K，S/P=1.77，Ra=92)，和自主調(diào)配出的具有極高S/P值的HIGH-SP(S/P=25.13，Ra=4.8)；每種SPD都使用了5個(gè)照度級(jí)別: 0.33，1.00，3.33，10.0 lx和30.0 lx，實(shí)驗(yàn)變量及條件如表1所示。

本實(shí)驗(yàn)所用視覺(jué)刺激物為陶塑人臉模型，上述照度的測(cè)量位置為目標(biāo)刺激物的正面面部的垂直照度，所使用的三維人臉模型的四個(gè)側(cè)面具有四種的標(biāo)準(zhǔn)表情(喜怒哀樂(lè))：驚喜(surprise)、憤怒(angry)、悲哀(sad)和快樂(lè)(happy)，如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)光環(huán)境與視覺(jué)刺激物的變量選取Table 1 Selection of variables in experimental light environment and visual stimuli

圖1 3D人臉視覺(jué)刺激物及四種表情實(shí)物圖Fig.1 3D visual stimuli and four kinds of expressions

三維人臉表情模型放置在自主研制的“視覺(jué)刺激物呈現(xiàn)與響應(yīng)自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”上，距離被試者1.3 m左右，按模型大小比例計(jì)算，符合真實(shí)場(chǎng)景中4.0 m的觀察距離[12]。該平臺(tái)可使多個(gè)視覺(jué)刺激物(驚喜、憤怒、悲哀和快樂(lè)四種表情)以隨機(jī)且均等機(jī)會(huì)的方式(counter-balanced)出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)要求被試者在不同光照條件下，對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的視覺(jué)刺激物進(jìn)行表情識(shí)別，并通過(guò)與電腦連接的按鍵在四個(gè)備選項(xiàng)中做出選擇。

被試者將在每種LED與照度的組合條件下，進(jìn)行16次(4×4)表情識(shí)別選擇，總共需進(jìn)行240(16×3×5)組實(shí)驗(yàn)，每位被試均有充足的練習(xí)時(shí)間以便其充分熟悉實(shí)驗(yàn)流程。所有被試者的識(shí)別選擇和反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)將被自動(dòng)記錄存儲(chǔ)用以統(tǒng)計(jì)分析。本次實(shí)驗(yàn)共有30名被試者參與(15男、15女)，年齡均在18～25歲范圍內(nèi)，視力及色覺(jué)正常。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置及全光譜多通路 LED 模擬光源如圖3所示。

圖2 視覺(jué)刺激物呈現(xiàn)與響應(yīng)自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Automatic acquisition experiment platform for visual stimuli presentation and response

圖3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置及全光譜多通路 LED 模擬光源Fig.3 Setup of experimental scene and all-optical spectrum multipath LED simulation light source

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)中，被試者每次對(duì)表情的識(shí)別選擇將以得分“1”(正確)或“0”(錯(cuò)誤)記錄。在每種光環(huán)境下，被試者需要進(jìn)行16(4×4)次試驗(yàn)，全部識(shí)別正確將得到16分，全部錯(cuò)誤將得到0分。由此可獲得30名被試者分別在3種光源、5種照度(共15組數(shù)據(jù))下的得分情況，對(duì)這15種燈光環(huán)境下所有人的得分取均值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同照度和SPD下的3D人臉表情識(shí)別的平均效率(滿分為16)Table 2 Average efficiency of 3D facial expression recognition under different illuminance and SPD (full score is 16)

依據(jù)表2可以畫(huà)出不同照度和SPD下的3D人臉表情識(shí)別效率曲線，如圖4所示。

圖4 不同照度和SPD下的3D人臉表情識(shí)別效率曲線Fig.4 Efficiency curves of 3D facial expression recognition under different illuminance and SPD

由圖4可得到初步結(jié)論：隨著照度值的增加，被試者在三種不同光源下對(duì)表情的識(shí)別得分顯著提升；當(dāng)照度高于10.0 lx時(shí)，人臉表情識(shí)別的得分達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)照度高于1.00 lx時(shí)，被試者的識(shí)別正確率達(dá)到50%；當(dāng)照度高于3.00 lx時(shí)正確識(shí)別率達(dá)到75%；如果以50%或75%作為夜間道路照明條件下人臉表情識(shí)別需要達(dá)到的最低正確率，則1.00 lx 或3.00 lx 可以被認(rèn)為是最低的照明等級(jí)。對(duì)比三種LED光源的三條應(yīng)代表曲線可知，被試者在HPS和MH光源下的人臉表情識(shí)別正確率稍高于HIGH-SP，但HPS和MH光源之間的識(shí)別正確率基本接近。以上觀察結(jié)果需要通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)和驗(yàn)證。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了三個(gè)方面的統(tǒng)計(jì)分析：正態(tài)性檢驗(yàn)，相同光源SPD下相鄰照度的配對(duì)檢驗(yàn)，以及相同照度下不同光源SPD的兩兩對(duì)比檢驗(yàn)。

1)正態(tài)性檢驗(yàn)。為了確定下一步使用參數(shù)或非參數(shù)分析方法，對(duì)于3種光源和5種照度下得到

的15組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，以判斷這15組數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布。檢驗(yàn)結(jié)果表明，15組數(shù)據(jù)中共有12組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，數(shù)據(jù)整體的正態(tài)分布符合率達(dá)到了80%(12/15)，可以認(rèn)為這15組數(shù)據(jù)服從或近似服從正態(tài)分布，適合使用參數(shù)統(tǒng)計(jì)的分析方法。

2)相同光源相鄰照度的配對(duì)t檢驗(yàn)。對(duì)于每種光源5種照度下的數(shù)據(jù)，我們將所有同光源相鄰照度下的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)相同光源相鄰照度下各組數(shù)據(jù)的均值是否存在顯著差異，共進(jìn)行12次檢驗(yàn)，分別得到t統(tǒng)計(jì)量的概率p值如表3所示。

表3 三種光源SPD下相鄰照度的配對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Paired test results under adjacent illumination of three illuminant SPD

*——p<0.05

給定顯著性水平α=0.05，與概率p值作比較可以發(fā)現(xiàn)，在照度0.33 lx和1.00 lx對(duì)比、照度1.00 lx和3.33 lx對(duì)比以及照度3.33 lx和10.0 lx對(duì)比的p值中，只有HPS光源在照度1.00 lx和3.33 lx對(duì)比時(shí)的p值大于α，其余概率p值均小于α。因此可以認(rèn)為3種光源在照度0.33 lx和照度1 lx、照度1 lx和照度3.3 lx、照度3.3 lx和照度10 lx的數(shù)據(jù)均值是存在顯著差異的。

而在照度10 lx和30 lx的對(duì)比檢驗(yàn)中，HPS和MH光源的概率p值均大于α，只有HIGH-SP光源的概率p值小于α，因此可以近似認(rèn)為，在照度達(dá)到10.0 lx或30.0 lx時(shí)，數(shù)據(jù)的均值不存在顯著差異。

3)相同照度下不同光源的配對(duì)t檢驗(yàn)。為了研究光源SPD對(duì)人臉表情識(shí)別能力結(jié)果的影響，我們?cè)賹?duì)每種照度下3種光源的數(shù)據(jù)兩兩進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，共進(jìn)行15次檢驗(yàn)，分別得到t統(tǒng)計(jì)量的概率p值結(jié)果如表4所示。

表4 五種照度下三種光源SPD兩兩對(duì)比的配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Paired t test results of pairwise contrast of three illuminant SPD under five illuminance conditions

*——p<0.05

從表4中可以看到，在照度0.33 lx下，HPS和HIGH-SP、HIGH-SP和MH的p值均小于給定顯著性水平α(0.05)，在照度1.00 lx下，HPS和HIGH-SP、HPS和MH的p值均小于給定顯著性水平α。因此可認(rèn)為，在0.33 lx和1.00 lx這兩組較低的照度水平下，不同光源的數(shù)據(jù)結(jié)果存在顯著差異。

而在照度3.33 lx和照度10.0 lx下，都只有HIGH-SP和MH的p值小于顯著性水平α，在照度30 lx下，3組p值均大于顯著性水平α，因此可以認(rèn)為，在照度為3.33、10.0 lx和30.0 lx的情況下，不同光源的數(shù)據(jù)結(jié)果不存在顯著差異。

4 結(jié)論與展望

步行環(huán)境的照明需要兼顧安全性和節(jié)能性兩個(gè)方面，LED照明技術(shù)的普及及其靈活的連續(xù)光譜為保持視覺(jué)功效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能提供了新的途徑。本文主要針對(duì)LED的照度、光譜功率分布(spectral power distribution, SPD)和S/P值對(duì)3D人臉表情識(shí)別能力的影響開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)性研究，并得到了照明參數(shù)與識(shí)別效率的關(guān)系曲線。研究結(jié)果將為行人道路照明的標(biāo)準(zhǔn)制定提供科學(xué)基礎(chǔ)和實(shí)證依據(jù)。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，當(dāng)觀察距離為4 m時(shí)，3D人臉表情的識(shí)別正確率隨面部處的照度增加而提升，且當(dāng)照度增加到10.0 lx左右時(shí)，識(shí)別正確率將趨于飽和。因此垂直照度10 lx可以作為行人道路照明最低照度水平的參考閾值，與先前基于2D人臉表情的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致[12-14]。通過(guò)比較HIGH-SP和其他光源條件下的關(guān)系曲線可知，相同照度下具有較高S/P值的LED并不能提高人臉表情的識(shí)別效率。有兩個(gè)可能的原因：①人臉表情識(shí)別是基于中央視覺(jué)(central vision)的視覺(jué)任務(wù)，主要依賴于視錐細(xì)胞，而S/P值的影響主要作用于依賴視桿細(xì)胞的周邊視覺(jué)(peripheral vision)；②具有高S/P值的HIGH-S/P光譜中的藍(lán)光成分較多，顯色性較差，而陶泥材料制成的人臉表情模型主色調(diào)為棕色，被HIGH-S/P照亮的效率低，該自主調(diào)制的光譜和3D人臉表情的組合并不能完全代表行人在真實(shí)場(chǎng)景中所遇到的視覺(jué)任務(wù)。

在未來(lái)的研究工作中，我們將會(huì)調(diào)制更具有真實(shí)性的高S/P值白光LED光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究S/P值對(duì)行人視覺(jué)任務(wù)的影響。同時(shí)隨著3D打印技術(shù)的成熟發(fā)展，將會(huì)使用更貼近真實(shí)外觀及膚色的3D人臉模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以獲得更加精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。