基于瞳孔相關(guān)實(shí)驗(yàn)的等主觀亮度下消減路燈眩光的節(jié)能效應(yīng)

楊松柏，李瑋晟，陳神飛，徐博林，張 兵，杜媛媛，李田茵，趙海天，余劍青

(1.深圳大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司廣東公司，廣東 深圳 518000)

引言

眩光是指當(dāng)視野中的亮度分布不均勻或亮度范圍不適宜，或視野中的亮度對比非常大，以致引起視覺不舒適感覺或降低觀察細(xì)部或目標(biāo)的能力的視覺現(xiàn)象[1]。眩光以及路面亮度所營造的光環(huán)境[2]會對瞳孔造成影響[3]，瞳孔在做出反應(yīng)[4]的同時(shí)，人眼主觀感知亮度也相應(yīng)產(chǎn)生變化，瞳孔面積與主觀亮度的變化趨勢具有線性一致性。由于主觀亮度參數(shù)不可測量，因此我們通過實(shí)驗(yàn)研究瞳孔面積與路面亮度以及眩光強(qiáng)度之間的關(guān)系來探討通過削減路燈眩光，降低閾值增量(threshold increase，TI)，相應(yīng)地降低路面亮度來達(dá)到相同的主觀亮度。

1 瞳孔與主觀亮度關(guān)系

當(dāng)人眼觀察物體時(shí)，被觀察的物成像于眼睛的視網(wǎng)膜上，同時(shí)由成像光束投射在網(wǎng)膜上的光通量對分布在成像區(qū)域的網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞起作用，這種作用是光化學(xué)作用，由它引起的特殊刺激被觀察者所感受，從而產(chǎn)生視覺。觀察者依靠這種感受的強(qiáng)弱,判斷被觀察物體的亮度。這種由觀察者判斷出的亮度稱為主觀亮度。

眩光光幕會對人眼造成刺激[5，6]，瞳孔會產(chǎn)生不同程度的收縮[7，8]，眩光強(qiáng)度越高(TI值越大)，瞳孔面積越小，如圖 1所示，所以保持其他條件一定，削減眩光，可以增大瞳孔面積。

圖1 不同眩光強(qiáng)度對瞳孔大小的影響

如圖2所示，兩張圖片是在同一環(huán)境下拍攝的，因此外界的客觀亮度是一定的，其區(qū)別是圖(a)能夠感受到路燈眩光刺激，圖(b)遮擋住了路燈眩光。圖(a)中由于路燈直射到鏡頭的光通量較大(占整個(gè)拍照空間)，因此曝光時(shí)鏡頭光圈(對人眼是瞳孔)變小，這時(shí)路面進(jìn)到鏡頭的光通量占比較小，故路面變暗；圖(b)中，路面進(jìn)到鏡頭的光通占比大幅度提高，為拍照清晰，相機(jī)鏡頭加大了光圈(對人眼是瞳孔)，所以路面在畫面中變亮。對應(yīng)到人眼上，可以發(fā)現(xiàn)圖(b)的主觀亮度增加了。所以保持其他條件不變的情況下，如果我們想要保持削減眩光之前的主觀亮度，是不是可以降低一定的客觀亮度呢？

圖2 同一環(huán)境眩光遮擋前后拍攝的照片

依據(jù)韋伯-費(fèi)希納定律可知[9]，人體差別感覺強(qiáng)度與刺激強(qiáng)度的對數(shù)成正比，或者說刺激強(qiáng)度越大時(shí)，人的差別感受性越遲鈍性。所以可以設(shè)主觀亮度LP與客觀亮度LR之間符合以下關(guān)系

LP=A+B·lnLR

(1)

在色彩心理學(xué)相關(guān)研究中，楚蘭德用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了客觀亮度LR與瞳孔面積Y大小之間的關(guān)系，擬合曲線如圖3所示，擬合曲線方程為

Y=C·lnLR+D

(2)

該曲線方程式擬合度高達(dá)99%，所以瞳孔面積與客觀亮度之間同樣符合韋伯-費(fèi)希納定律。

圖3 客觀亮度與瞳孔面積擬合曲線

A、B、C、D皆為常數(shù)，自變量均為客觀亮度LR，所以可得到：在眩光刺激情況下，瞳孔面積大小與主觀亮度的變化趨勢具有線性一致性，所以本文首先通過對瞳孔面積與路面亮度以及眩光TI值之間關(guān)系的相關(guān)研究，了解瞳孔面積的變化趨勢，然后根據(jù)變化趨勢線性一致性等同于對主觀亮度變化的研究。

2 瞳孔與亮度實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了更加方便地控制路面亮度以及眩光TI值，整個(gè)實(shí)驗(yàn)場景在3 m×6.5 m×23 m的有效空間里，每側(cè)均有格柵燈作為路燈光源，實(shí)驗(yàn)場地左上方有滿足實(shí)驗(yàn)眩光條件的眩光光源，眩光光源具有一定的高度是為了不會對被測試路面區(qū)域亮度產(chǎn)生干擾。實(shí)驗(yàn)條件雖然與真實(shí)路面情況有所差別，但是把實(shí)驗(yàn)變量分開控制能夠相對更準(zhǔn)確量化不同參數(shù)之間的關(guān)系。測試人員以及實(shí)驗(yàn)測量儀器位于21.5～23 m處的空間內(nèi)，如圖4所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1)眩光光源：8 W、5 000 K的LED射燈組成，設(shè)置在距離地面2.3 m的位置；

2)路燈光源：6 W、3 500 K的LED格柵燈組成，實(shí)驗(yàn)場地兩側(cè)各12燈，格柵燈的水平間距約為0.75 m；

3)電源控制模塊：a. 220 V遠(yuǎn)程遙控制盒；b. 單組輸出封閉型電源供應(yīng)器，把220 V電壓轉(zhuǎn)換為24 V安全電壓；c. 直流可調(diào)降壓電源模塊，把24 V電壓進(jìn)一步降壓到LED燈具可以接受的范圍；

4)亮度成像儀：RADIANT VISION SYSTEMS I-PLUS亮度成像儀，可測量路面平均亮度、光幕亮度、TI值，能滿足實(shí)驗(yàn)客觀物理參數(shù)測量的基本要求；

5)Dikeablis Pro 眼鏡式眼動(dòng)儀：眼部攝像頭采集瞳孔大小[10]、眨眼次數(shù)等等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集為60次/s，能夠清楚地反映出瞳孔數(shù)據(jù)的變化，為實(shí)驗(yàn)研究提供精確的數(shù)據(jù)導(dǎo)向[11]。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)施如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)場地平面圖以及實(shí)驗(yàn)場地剖面圖

圖5 照片從左往右依次：眩光光源、路燈光源、亮度成像儀、眼動(dòng)儀

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

1)記錄初次亮度成像儀鏡頭的偏轉(zhuǎn)角度、焦距、相機(jī)拍攝中心點(diǎn)，以及實(shí)驗(yàn)受試者的位置等等，通過亮度成像儀對路面亮度以及TI值的不斷測定來調(diào)整合適的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件[12]。

2)實(shí)驗(yàn)需要將路面亮度以及眩光強(qiáng)度分成兩個(gè)可單獨(dú)控制的變量，調(diào)整眩光光源的角度，使眩光源光束不影響測試區(qū)域路面亮度。同樣通過電源控制模塊控制眩光TI值從1%～10%，均分為10個(gè)等級測試。

3)調(diào)整實(shí)驗(yàn)場地兩側(cè)的格柵燈角度，為測試區(qū)域提供亮度均勻的照明。通過電源控制模塊調(diào)整格柵燈功率，使測試區(qū)域路面亮度分別達(dá)到1.05 cd/m2、1.25 cd/m2、1.45 cd/m2、1.65 cd/m2以及1.85 cd/m2，分5組測試。

4)每組測試首先固定一個(gè)路面亮度，然后通過10個(gè)可調(diào)降壓電源模塊分別控制眩光TI值從1%～10%。以1.65 cd/m2路面亮度、TI值為1%、10%的情況為例，亮度成像儀測試結(jié)果如圖6所示。

5)每一組實(shí)驗(yàn)測試受試者測試之前需在黑暗的環(huán)境下休息1 min。實(shí)驗(yàn)用眼動(dòng)儀采集開啟眩光光源前后40 s實(shí)驗(yàn)測試者的左眼瞳孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后從每一組數(shù)據(jù)中篩選出符合條件(對應(yīng)光環(huán)境下瞳孔面積波動(dòng)相對穩(wěn)定)的5～10 s瞳孔數(shù)據(jù)求取平均值作為該光環(huán)境下瞳孔數(shù)據(jù)平均值。

圖6 路面亮度1.65 cd/m2下 TI=1%、TI=10%時(shí)亮度成像儀測試結(jié)果

6)為了更直觀感受瞳孔面積變化，實(shí)驗(yàn)測試過程中根據(jù)瞳孔數(shù)據(jù)平均值截取對應(yīng)的瞳孔圖像。以1.65 cd/m2路面亮度為例，TI值為1%、4%、7%和10%的左眼瞳孔截圖如圖 7所示。可以發(fā)現(xiàn)，同一路面亮度下，隨著TI值增加，瞳孔是逐漸減小的。

圖7 路面亮度1.65 cd/m2下 TI值為1%、4%、7%、10%時(shí)左眼瞳孔照片

3 分析與討論

實(shí)驗(yàn)路面亮度分為5組，眩光TI值分為10個(gè)等級，所以一共整理出50組瞳孔數(shù)據(jù)，把每一組篩選出的5～10 s數(shù)據(jù)求取平均值，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備佩戴誤差，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

從表1可得到實(shí)驗(yàn)的瞳孔面積變化范圍(630.98像素、1116.86像素)、不同路面亮度的共享瞳孔面積變化范圍(787.10像素、900.63像素)。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差對結(jié)果的影響，在共享瞳孔面積范圍選取幾個(gè)典型的瞳孔面積，例如800像素、850像素、900像素來進(jìn)行相關(guān)研究，然后把等瞳孔面積轉(zhuǎn)移至等主觀亮度進(jìn)行討論。

表1 不同路面亮度與TI值情況下對應(yīng)的瞳孔面積

實(shí)驗(yàn)先將數(shù)據(jù)運(yùn)用ORIGIN軟件進(jìn)行曲線擬合，得到曲線方程(y為瞳孔面積大??；x為眩光TI值大小)如下：

a. 1.05 cd/m2路面亮度曲線方程：

y=277.058-152.599ln(x+0.007)；

b. 1.25 cd/m2路面亮度曲線方程：

y=304.260-154.184ln(x+0.005)；

c. 1.45 cd/m2路面亮度曲線方程：

y=447.965-101.103ln(x-0.006)；

d. 1.65 cd/m2路面亮度曲線方程：

y=150.921-265.025ln(x+0.028)；

e. 1.85 cd/m2路面亮度曲線方程：

y=456.109-138.845ln(x-0.002)。

設(shè)瞳孔面積分別為800像素、850像素以及900像素，得到對應(yīng)的路面亮度與TI值如表2所示。

為了直觀地反映相同瞳孔面積條件下路面亮度與TI值之間的關(guān)系，運(yùn)用ORIGIN軟件對表 2數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖 8所示。

表2 不同瞳孔面積對應(yīng)的路面亮度與TI值數(shù)據(jù)

圖8 不同瞳孔面積對應(yīng)的路面亮度與TI值關(guān)系擬合曲線

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，3條典型瞳孔面積擬合曲線都有共同的特點(diǎn)：一定條件下，保持瞳孔面積一定，隨著路面亮度的增加，TI值逐漸增大。

以瞳孔面積為850像素為例，1.8 cd/m2路面亮度對應(yīng)TI值為5.5%，1.2 cd/m2路面亮度對應(yīng)TI值為1.5%。TI值降低4%，路面亮度降低0.6 cd/m2，降低幅度達(dá)33.33%。

對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值擬合，得到一條具有代表性的等瞳孔面積擬合曲線。根據(jù)主觀亮度與瞳孔面積之間變化趨勢的線性關(guān)聯(lián)，得到等主觀亮度與路面亮度以及TI值之間的關(guān)系如圖 9所示。

圖9 等主觀亮度對應(yīng)的路面亮度與TI值關(guān)系擬合曲線

4 結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)可以得到結(jié)論：一定條件下，為保證相同的主觀亮度，在削減眩光、降低TI值的同時(shí)，可以相應(yīng)地降低路面亮度。

從節(jié)能的角度看，降低路面亮度意味著減小路燈功率，減小功率意味著降低能耗[13]。雖然相關(guān)數(shù)據(jù)只是通過實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)而來的，但是從主觀亮度與瞳孔面積之間的線性函數(shù)關(guān)系出發(fā)，從路面亮度降低的幅度來看，削減路燈眩光所帶來的節(jié)能效應(yīng)是大的。因此道路照明標(biāo)準(zhǔn)對路面亮度的規(guī)定中除了考慮客觀亮度以外，也應(yīng)該更多地從眩光因素考慮駕駛員的主觀亮度。相比于傳統(tǒng)道路照明的節(jié)能方式[14]，此次實(shí)驗(yàn)結(jié)論從降低路面亮度設(shè)計(jì)值的角度為道路照明節(jié)能提供一條新途徑。