基于不同視覺范圍的逆光照明質(zhì)量研究

梁 波，陳 凱，何世永，黃友林,3,張 逸

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074； 3. 重慶工商職業(yè)學院 城市建設工程學院，重慶 400052)

0 引 言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的公路建設日益加快，公路隧道越來越多。截至2017年底，全國公路隧道為16 229處，1 528.51萬米。公路隧道的增多對隧道的照明質(zhì)量也提出了新的要求。隧道照明的目的是提供良好的可見度，將光線投向障礙物正面并提高路面的整體亮度，達到提高駕駛員辨識障礙物能力的目的。目前的研究常通過改變隧道照明布燈參數(shù)等方式來提高隧道的照明質(zhì)量。逆光照明即是優(yōu)化布燈參數(shù)的一種形式，它能夠提高背景亮度和對比度，減小光線的散射和反射，降低隧道照明功耗[1-2]，很早就被應用于國外的工程實踐中[3]。但國內(nèi)對逆光照明的試驗研究很少，主要是通過軟件模擬[4-6]，以規(guī)范中的亮度等物理指標評價逆光布燈的照明質(zhì)量。

隨著對隧道照明環(huán)境質(zhì)量研究的深入，發(fā)現(xiàn)在相同物理指標的照明環(huán)境下，面對突然出現(xiàn)的障礙物，不同生理狀態(tài)的駕駛員反應快慢不一樣。而影響駕駛員反應速度的因素是視覺功效，因此越來越多的學者采用更合理的視覺功效指標來評價隧道照明質(zhì)量[7-9]?？梢姸人阶鳛橐环N視覺功效評價指標，被國際照明委員會CIE納入技術報告中。小目標可見度作為可見度水平的加權平均值，考慮了物理亮度和人眼的適應水平等多種因素，也被美國照明協(xié)會推薦用來評價隧道內(nèi)的照明質(zhì)量。但除了徐昕[10]利用模型試驗研究了雙側(cè)對稱布燈的逆光照明角度對小目標可見度的影響之外，基于STV值的隧道逆光照明研究很少。

小目標可見度雖然能夠很好地評價隧道照明質(zhì)量，但對不同視野范圍內(nèi)的測點也只考慮了物理視角的影響[11]，并未考慮不同視野范圍對應的視網(wǎng)膜分辨能力的差異性。人眼視覺是通過視錐細胞和視桿細胞對亮度、顏色等視覺信息的接收和傳達形成的。視錐細胞主要集中在視網(wǎng)膜中央，視桿細胞主要集中在視網(wǎng)膜邊緣。由于不同的視覺細胞對視覺信息的分辨能力不同，使得駕駛員識別不同視覺范圍內(nèi)的物體的反應快慢不一樣。將進一步考慮人眼視網(wǎng)膜分辨能力的影響因素，通過逆光照明模型試驗研究不同視野范圍內(nèi)測點的STV值變化規(guī)律，為修正小目標可見度計算模型和更合理地評價隧道照明質(zhì)量提供新思路。

1 逆光照明和小目標可見度

1.1 逆光照明

逆光照明是指燈具光線投向汽車行進的反方向，集中照向障礙物的背面，達到提高障礙物與背景亮度對比度的目的[4]。障礙物與背景的對比度越高，駕駛員越容易發(fā)現(xiàn)目標[12]。因此在合理的范圍內(nèi)降低隧道的照明亮度，逆光照明也能保證良好的視看環(huán)境，對提高隧道照明質(zhì)量具有重要的意義。逆光照明示意圖如圖1。

圖1 逆光照明示意Fig. 1 Schematic diagram of backlighting

1.2 小目標可見度

一個障礙物要被看見需要一定的亮度和對比度。對比度越大，物體的可見度越高。目前常用可見度水平來評價物體的可見度，表示為

ΔL=Lt-Lb

(1)

式中：VL為可見度水平；ΔL為目標物和其背景亮度的亮度差值；Lt和Lb分別為目標中心亮度和目標的背景亮度；ΔL0為一定大小的目標剛剛能被看見時的目標與其背景的亮度差閾值，與背景亮度、對比度和人眼適應水平等因素有關，同時還需要對其進行觀測者的年齡、負對比等相關系數(shù)的修正，最終的亮度差閾值修正模型為

(2)

式中：k為統(tǒng)計數(shù)據(jù)：α為物體對人眼的張角；φ和L為與背景亮度Lb相關的經(jīng)驗公式計算值；AF和Fcp分別為年齡和負對比修正系數(shù)。

由此可見，可見度水平綜合考慮了照明質(zhì)量的物理評價指標和人的生理心理參數(shù)，但其計算非常復雜，只有經(jīng)過合理的簡化之后才能形成實用的計算式。小目標可見度STV值即是路面測點可見度水平的加權平均值，如式(3)～式(5)：

RWVL=10-0.1×|VL|

(3)

(4)

STV=-10×lg(ARWVL)

(5)

式中：RWVL為加權可見度水平；ARWVL為加權可見度水平的平均值。

觀察者距離路面1.45 m高，從1°觀察角注視前方83.07 m處垂直放于地面的小目標。按此方法測量，通過式(1)～式(5)計算即得到小目標可見度。由逆光照明的特點可以發(fā)現(xiàn)，逆光照明具有更高的對比度，小目標可見度更大。但由以上各式可以看出，對于不同視野范圍內(nèi)的測點，VL只考慮了物理視角的影響，并且ARWVL是所有計算測點的等權重平均值，忽略了不同視野范圍對應的視網(wǎng)膜分辨能力的差異性。

1.3 中央視覺和周邊視覺下的STV值

人眼的視覺根據(jù)視野范圍分為中央視覺和周邊視覺。視網(wǎng)膜中央窩的直徑大約為2.5 mm，對應的視野角度大約為2°，稱為中央視覺。中央窩以外的視網(wǎng)膜對應的視覺范圍稱為周邊視覺。駕駛員能直接識別中央視覺下的障礙物，對周邊視覺探測到的運動物體只能通過轉(zhuǎn)動眼球，利用中央窩來分辨具體的細節(jié)[13]。在亮度、顏色等視覺信息的接收和傳達速度方面，中央視覺與周邊視覺都存在明顯的區(qū)別[14]。因此在不同的視野范圍中，面對具有相同可見度水平的目標，駕駛員的反應快慢不一樣。為了更準確地用小目標可見度來評價隧道照明質(zhì)量，需要對可見度水平進行視網(wǎng)膜分辨能力差異的修正，并在加權計算STV值時考慮不同視野范圍的影響權重。即分別考慮中央視覺和周邊視覺下的小目標可見度，記為STVf和STVp，測點數(shù)n修正為中央視覺和周邊視覺下的測點個數(shù)nf和np，分別準確地表示中央視覺和周邊視覺下的路面可見度水平，從而更好地考慮人眼不同視野范圍分辨能力的差異性，為更為合理地評價隧道照明質(zhì)量提供參考。

2 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗方法

室內(nèi)隧道模型為1∶10的三車道單向隧道，模型斷面寬1 m，高0.9 m，可以根據(jù)需要更換不同的側(cè)壁材料。隧道采用中央布燈方式的無極調(diào)光調(diào)色溫LED燈，能根據(jù)工況改變燈具的布置間距、角度等參數(shù)，同時設置不同的照明色溫和亮度，對研究隧道照明具有重要的作用。

試驗測量布置參考文獻[15]中的布點方式，在一個照明設計工況內(nèi)，測點的橫縱間距均為10 cm，每增大1 m的布燈間距縱向增加一排測點，如圖2。

圖2 9 m布燈間距下的測點布置示意Fig. 2 Measuring point layout under the lighting stance of 9 m

每個測量點上放置大小為1.8 cm×1.8 cm、漫反射率為0.5的小目標，采用Radiant成像式亮度計來測量小目標亮度Lt及背景亮度Lb1和Lb2。

2.2 試驗步驟

試驗開始前調(diào)節(jié)LED燈的色溫為4 500 k，調(diào)整路面亮度使其在中間視覺亮度范圍內(nèi)，并保持燈源光通量不變，模擬隧道基本照明段的照明環(huán)境。

首先設定燈具逆光角度為0°，隧道側(cè)壁材料為瓷磚(漫反射率0.5)，將PR-655成像式亮度計布設在隧道模型中間車道X5正前方8.3 m，布設高度為14.5 cm，對每一測點的背景亮度和小目標亮度進行測量，如圖3。

圖3 小目標可見度測試示意Fig. 3 Schematic of small target visibility test

再更換側(cè)壁為新型硅酸鹽高漫反射率側(cè)壁材料。新型硅酸鹽高漫反射率側(cè)壁材料漫反射率高達0.83，其獨特的高漫反射特性能夠使該側(cè)壁材料成為“二次光源”輔助隧道照明，提高隧道路面的亮度和均勻度[16]。測量每個測點的背景亮度和小目標板亮度，然后改變燈具逆光角度分別為10°、20°、30°、40°、45°，按照以上步驟進行測量。實驗過程中保持燈光軸線在路面中線上，保證燈具兩側(cè)配光相同，每個工況測量3次并取平均值進行最后的數(shù)據(jù)計算。工況表如表1。

表1 逆光照明實驗工況Table 1 Backlight lighting experiment conditions

2.3 數(shù)據(jù)處理

中央窩直徑約為2.5 mm，對應的中央視覺范圍約為2°。照明停車視距取60 m，以此計算出一個照明計算單元(兩盞燈之間)內(nèi)的中央視覺和周邊視覺范圍如圖4。中間X3～X7及其縱向上的測點為中央視覺下的測點，X1、X2、X8和X9及其縱向上的測點為周邊視覺下的測點。按照上一節(jié)的方法對每種工況下的小目標可見度STVf和STVp進行修正計算。

圖4 不同視覺范圍下測點劃分示意Fig. 4 Diagram of measuring point division in different visual range

2.3.1 中央視覺下的STVf值

計算逆光照明下中央視覺范圍內(nèi)各個測點的小目標可見度STVf值，整理數(shù)據(jù)如表2。

表2 逆光照明下中央視覺范圍內(nèi)測點的STVf值Table 2 STVf value of the measuring point in the foveal vision under backlight illumination

對以上逆光照明下中央視覺范圍內(nèi)測點的STVf值進一步分析，得到如圖5～圖8所示關系。

圖5 9 m布燈間距中央視覺下測點的STVf值Fig. 5 STVf value of measuring point under the foveal vision with lamp distance of 9 m

圖6 10 m布燈間距中央視覺下測點的STVf值Fig. 6 STVf value of measuring point under the foveal vision with lamp distance of 10 m

圖7 11 m布燈間距中央視覺下測點的STVf值Fig. 7 STVf value of measuring point under the foveal vision with lamp distance of 11 m

圖8 12 m布燈間距中央視覺下測點的STVf值Fig. 8 STVf value of measuring point under the foveal vision with lamp distance of 12 m

由表2可以看出，隨著布燈間距的增大，中央視覺下的STVf值呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，當布燈間距為11 m時各工況下的小目標可見度最大。究其原因，適當增大布燈間距減小了燈具光線之間的重疊區(qū)域，使小目標亮度和背景亮度的差值增大，負對比度提高；當布燈間距超過11 m時，光線的重疊區(qū)域幾乎為0，燈具間距過大使路面的背景亮度變暗，對比度減小，小目標可見度降低。結果證明適當?shù)卦黾硬紵糸g距不僅能減小隧道照明功耗，還能提高隧道內(nèi)的可見度，提供良好的視看環(huán)境。

由圖5～圖8可以看出：在各個工況下，隨著逆光角度的增大，中央視覺范圍內(nèi)測點的STVf值都呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，證明一定的燈具投射傾角能提高目標和背景的對比度，這也是逆光照明的優(yōu)勢。當逆光照明角度為30°時，駕駛員中央視覺下的視看環(huán)境最好，能更快地識別行車正前方的小目標，有利于行車安全。

隨著逆光布燈角度的增大，新型硅酸鹽高漫反射率材料和瓷磚作為隧道側(cè)壁材料的STVf差值變小。當逆光角度為45°時，兩種側(cè)壁條件下的小目標可見度幾乎相同，證明逆光角度較大時隧道側(cè)壁反射率對STVf值的影響較小。其原因是當布燈角度較大時，隧道燈源的光線更多地散射到隧道縱向上，入射到隧道側(cè)墻的光通量和側(cè)壁作為“二次光源”反射回隧道內(nèi)的光通量均較少，小目標和背景的亮度差值變小，對比度降低。因此當逆光布燈角度過大時，不同反射率的隧道側(cè)壁材料對隧道內(nèi)的照明質(zhì)量影響較小。逆光角度過大時STVf值減小不利于行車安全，甚至可能造成眩光帶來潛在的行車隱患，因此隧道不適宜采用大角度照明布設方式。

由圖5～圖8可以發(fā)現(xiàn)，無論布燈間距多少，瓷磚側(cè)壁的STVf值都比新型硅酸鹽高漫反射率側(cè)壁材料的STVf值高。通過分析其測得的原始路面亮度Lb和小目標板中心亮度Lt可以發(fā)現(xiàn)，路面亮度比小目標的亮度高。在相同的照明條件下，采用高漫反射率側(cè)壁材料時，路面亮度的增加率小于小目標板亮度的增加率，反而降低了小目標和背景的亮度對比度。由于人眼視網(wǎng)膜對亮度對比度的感知特點，高漫反射率側(cè)壁材料下的STVf值反而比瓷磚側(cè)壁下的STVf值小。根據(jù)W. ADRIAN等[17]的研究，可見度水平的加權平均值大于7就能提供良好的視看環(huán)境[16]。因此兩種側(cè)壁材料下，隧道內(nèi)都具有良好的照明質(zhì)量。但高漫反射率材料作為隧道內(nèi)照明的“二次光源”，能與隧道燈具形成新的組合照明體系，降低隧道照明功耗，對隧道照明的節(jié)能運營具有重要意義。

2.3.2 周邊視覺下的STVp值

計算逆光照明下的周邊視覺范圍內(nèi)各個測點的小目標可見度值，整理數(shù)據(jù)如表3。

表3 逆光照明下周邊視覺范圍內(nèi)測點的STVp值Table 3 STVp value of the measuring point in the peripheral vision under backlight illumination

對表3中STVp值進一步分析得到如圖9～圖12所示關系。

圖9 9 m布燈間距周邊視覺下測點的STVp值Fig. 9 STVp value of measuring point under the peripheral vision with lamp distance of 9 m

圖10 10 m布燈間距周邊視覺下測點的STVp值Fig. 10 STVp value of measuring point under the peripheral vision with lamp distance of 10 m

圖11 11 m布燈間距周邊視覺下測點的STVp值Fig. 11 STVp value of measuring point under the peripheral vision with lamp distance of 11 m

圖12 12 m布燈間距周邊視覺下測點的STVp值Fig. 12 STVp value of measuring point under the peripheral vision with lamp distance of 12 m

由表3可以看出，隨著布燈間距的增大，周邊視覺下測點的STVp值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，布燈間距為9 m時STVp值最大。究其原因，中央布燈時光線集中在隧道中央，隧道兩側(cè)的背景亮度和對比度都較低。增大布燈間距使路面兩側(cè)的背景亮度繼續(xù)減小，對比度進一步下降，因此可見度水平逐漸減小。周邊視覺與中央視覺一樣，由于人眼對比度的感知特點，瓷磚側(cè)壁比高漫反射率側(cè)壁下的STVp值略大。

由圖9～圖12可以看出，隨著逆光布燈角度的增大，STVp值同樣出現(xiàn)先增后減的變化趨勢，逆光角度為30°時最大，此時周邊視覺下的小目標可見度最高，駕駛員更易察覺周邊視覺下路面兩側(cè)的物體，有利于行車安全。

2.3.3STVf值和STVp值的關系分析

由以上分析可以看出，中央布燈逆光角度30°時，中央視覺和周邊視覺下測點的小目標可見度都最大，隧道內(nèi)的照明質(zhì)量最好，駕駛員更容易發(fā)現(xiàn)視野范圍內(nèi)的障礙物，有利于行車安全。因此在隧道照明設計中，采用逆光照明30°能提供最好的行車視看環(huán)境。

中央視覺下的STVf值隨著布燈間距的增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。適當增大布燈間距，能使中央視覺范圍內(nèi)的測點獲得最大的可見度，同時實現(xiàn)隧道的節(jié)能照明，對指導隧道布燈參數(shù)設計具有重要的意義。但周邊視覺下的STVp值隨著布燈間距的增大而逐漸降低。周邊視覺對發(fā)現(xiàn)橫穿馬路的行人和前方變道的車輛等具有重要的作用，因此為了保證行車安全只能減小布燈間距，不利于隧道照明的節(jié)能運營。所以為了保證隧道內(nèi)整個視覺范圍的照明質(zhì)量，不能簡單地通過改變布燈間距來達到安全和節(jié)能的目的。

由表2和表3可以看出，由于中央視覺對應的中央窩分辨能力更強，在中央布燈照明下，中央視覺下測點的STVf值比周邊視覺下的STVp值高。采用蝙蝠翼形光強配光曲線燈具，提高周邊視覺下的亮度和對比度，改善隧道照明質(zhì)量的“木桶效應”，對提升隧道內(nèi)的整體照明質(zhì)量具有重要意義。

2.3.4STV值修正模型

通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，在中央布燈情況下，道路兩側(cè)的視看條件比行車正前方的視看條件差。周邊視覺對應的視網(wǎng)膜分辨能力比中央窩差，駕駛員對周邊視覺下的障礙物反應更慢。但與中央視覺一樣，周邊視覺對發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的目標具有重要的作用。現(xiàn)行計算可見度水平的方法中，只考慮了不同視覺范圍的物理視角對可見度的影響，按照等權重的方法，對視覺范圍內(nèi)所有測點的可見度水平加權計算ARWVL，得到最后的STV值，這樣會夸大周邊視覺下的視看條件，帶來潛在的安全隱患。因此計算STV值時，應該對中央視覺和周邊視覺分辨能力的差異性進行修正，并賦予STVf和STVp不同的權重，從而得到更合理的STV值。筆者提出STV值的修正模型如下。

中央視覺下的STVf值：

RWVL=10-0.1×|VL|

(6)

STVf=-10×lg (ARWVLf)

周邊視覺下的STVp值：

RWVL=10-0.1×|VL|

(7)

STVp=-10×lg(ARWVLp)

隧道內(nèi)照明質(zhì)量評價指標STV值：

STV=STVf×m+STVp×n

(8)

式中：k1和k2分別為考慮人眼中央視覺和周邊視覺分辨能力差異性的修正系數(shù)；m和n分別為中央視覺和周邊視覺下的STV值權重系數(shù)，m+n=1。

在該修正模型中，通過式(6)和式(7)計算中央視覺下的STVf值和周邊視覺下的STVp值，再利用式(8)計算整個路面的STV值，從而更合理地評價隧道照明質(zhì)量。雖然提出了STV值的修正計算模型，但針對不同的布燈方式，如何確定修正系數(shù)和權重的具體值將是下一步的研究重點。

3 結 論

通過室內(nèi)模型實驗，考慮了人眼分辨能力的特點，研究了逆光照明參數(shù)對不同視覺范圍內(nèi)測點的小目標可見度的影響規(guī)律，得到以下主要結論：

1)中央逆光布燈角度30°時中央視覺和周邊視覺下測點的小目標可見度都最大，能夠提供最好的可見度水平，最有利于行車安全。

2)隨著布燈間距增大，中央視覺下的STVf值先增后減，在11 m的布燈間距取得最大值；周邊視覺下的STVp值逐漸減小，因此不能簡單地通過改變布燈間距來達到安全和節(jié)能的目的。

3)逆光照明下，高漫反射率側(cè)壁材料比瓷磚側(cè)壁材料下的小目標可見度略低，但仍能保證良好的視看環(huán)境，同時起到一定的節(jié)能照明作用。

4)中央視覺下的視看環(huán)境比周邊視覺好，提高隧道兩側(cè)的可見度水平對提高隧道內(nèi)的整體照明質(zhì)量具有重要的意義。

提出了STV值的修正計算模型，該模型考慮了可見度水平修正系數(shù)和不同視覺范圍的影響權重，為隧道照明質(zhì)量的精準評價和合理設計提供了參考。