光源光谱能量分布对行人视觉作业的影响研究回顾

By | 2020年7月24日

  1 引言


  依照国内照明委员会( CIE) 的规则,两头视觉( Mesopic vision) 的亮度程度范畴为0. 001 ~3cd /m2,介于明视觉( Photopic vision,亮度程度年夜于3 cd /m2 ) 以及暗视觉( Scotopic vision,亮度程度小于0. 001 cd /m2 ) 之间[1],人行路线照明正处于两头视觉亮度范畴。今朝,国内上钻研两头视觉的办法次要有视亮度婚配法以及视觉效用法[2]。晚期的钻研次要集中于前者,而近十年因由于后者更靠近实际的视觉状况而逐步被钻研职员所注重。2010 年CIE 1-58 技巧委员会公布了的技巧陈诉CIE 191:2010,陈诉中保举了基于视觉效用法的两头视觉光度学零碎模子[3],这有助于展开两头视觉前提下相干视觉功课及效用的深化钻研。今朝的钻研次要集中于机动车路线照明,较少触及人行路线,而机动车路线与人行路线照明场景中的视觉功课差别很年夜。正在实际的人行路线照明场景中,路面程度照度、垂直照度、亮度及亮度比照度、眩光、光照散布等等都是影响视觉识别的首要照明要素。但正在人行路线中的没有同顺应亮度环境下,被激活的人眼感光细胞关于光谱的呼应敏感度存正在显著差别[4],使患上光源光谱能量散布( SPD,Spectral power distribution) 对行人的视觉功课孕育发生首要影响。但是从今朝两头视觉畛域的钻研来看,SPD 关于实在场景中何种视觉功课具备怎样样的影响,和对这些视觉功课的影响水平等外容还没有取得对立的论断[5,6]。


  本文有三个目的: 起首,从实践上寻觅证据,证实正在人行路线照明前提下SPD 是一个影响视觉识别的首要因子; 其次,理解正在人行路线照明实在场景中照明需要,和最首要的视觉功课有哪些; 第三,主观的剖析过来的钻研,评估SPD 关于视觉识别的影响能否已被证明,相干钻研到何种水平,假如不,接上去咱们需求做哪些试验工作。


  2 两头视觉前提下人眼的视觉生理学特色


  人眼视觉零碎的视网膜中存正在四种感光细胞,每一种都含有没有同的感光色素,因而关于没有同SPD 的光谱敏感度存正在差别。这四种感光细胞可分为两类:杆状细胞以及锥状细胞。一切的杆状细胞都具备相反的光谱敏感度。其余三种感光统称为锥状细胞( 辨别是短波-锥状细胞、中波-锥状细胞以及长波-锥状细胞) ,每一种感光细胞关于没有同波长光的敏感度存正在显著差别。杆状细胞以及锥状细胞正在视网膜上的散布图1 视网膜上锥状细胞与杆状细胞跟着视野公平度变动的散布状况是没有平均的( 见图1) ,锥状细胞次要集中正在视轴上地方凹的小区域范畴内,并且视网膜上的其余区域也散布着大批的锥状细胞。正在黄斑处不杆状细胞,从地方窝越往外,杆状细胞的密度愈来愈年夜,到偏偏离视轴约15°处达到最年夜。三种锥状细胞正在视网膜上的散布也是没有平均的,中波-锥状细胞以及长波-锥状细胞次要集中正在地方凹,而短波-锥状细胞年夜量集中正在地方凹核心,但随后往外的区域内就呈现骤减[4]。



  因为锥状细胞以及杆状细胞的没有同光敏理性和正在视网膜内散布的区域没有同,使患上这两类细胞正在详细的视觉功课时所承当的作用也没有同,杆状细胞关于视野四周流动的工具有很高的辨认才能,同时感光度比锥状细胞高,对辨认暗处工具有很年夜的协助,但不分辩颜色的才能。而锥状细胞次要是用于察看线上视觉内各类工具的静止、形态、颜色等细节内容。从明视觉到暗视觉过渡的两头视觉状态下,锥状细胞与杆状细胞独特起作用,但人眼视网膜内被激活的锥状感光细胞数量逐步缩小,杆状细胞则愈来愈多,也招致眼睛所呼应的光谱灵活度曲线逐步向短波标的目的挪动,最年夜光谱光视效力值也从明视觉的555nm 逐步向暗视觉的507nm 接近,这类景象被称为“浦尔金耶偏偏移” ( Purkinje Shift) 。这一扭转是由人眼视网膜中的感光细胞的分光灵活度特点决议的。因而,正在进行肯定的视觉功课时,没有同SPD 的光源对视觉功课的影响是可能存正在较年夜差别。


  正在颜色视觉信息解决方面,存正在着三种视觉通道,这取决于三种锥状细胞关于没有同波长光的分光敏理性的特色( 见图2) ,使患上光源SPD 对人眼正在颜色视觉方面的视觉解决显患上至关首要。依据三种锥状细胞之间的互相组合,可失去一个非颜色无拮抗通道以及两个颜色拮抗通道,它们辨别长短颜色通道、红-绿拮抗通道以及黄-蓝拮抗通道。而这些颜色视觉零碎的拮抗构造决议了视觉功课中对颜色的感知[4,7],并且无论是明视觉仍是两头视觉这三个通道都是独特被激活的。



  从以上人眼正在两头视觉前提下的生理学特色的剖析可知,没有同感光细胞具备没有同的分光敏感度,并且正在没有同的视场角范畴内起作用的感光细胞也没有同,和颜色视觉信息解决中的三个颜色通道的存正在,使患上正在没有同顺应亮度的两头视觉前提下,光源SPD 对人行路线照明中的视觉功课必然存正在影响。


  3 人行路线照明场景中的视觉功课


  要想理解人行路线照明中光源光谱能量散布( SPD) 对视觉识别的影响状况,那末就起首需求晓得实在人行路线照明场景中的次要视觉功课有哪些?


  从相干实践可知,人的需要有生理、平安、交际以及自我代价完成等的需要,这也是室外照明应餍足行人的最根本需要。正在人行路线照明中,起首应餍足对环境的特色认知,餍足行人对环境的平安感、温馨感以及亮堂感的需要; 餍足行人外行走进程中能觉察高空上的高差或阻碍物; 餍足步行者能有足够的工夫识别行人的穿着、行动以及脸部特色等,以确定他们的用意,正在须要的时分采取防守举措或回避;能够较为不便地认清路牌以及标识等外容。行人的视觉功课与需要以及驾驶员的有很年夜没有同,餍足机动车驾驶员视觉效用要求的照明目标,可能没有实用于人行路线。步行路线内的挪动速率慢,正在实在的视觉进程中,往往是多种视觉功课同时发作,如行人外行走中,用余光感触到了路边的路人,既而转向过来识别该路人的脸部特色,同时也会留意其穿着、举措等,乃至此时还会用余光去察看周边可能发作的状况和阻碍物以及高空高差等,并可能再次转向去查看可能存正在的标识以及路牌等外容。这一系列的视觉流动所对应的视觉功课长短常复杂的,这些视觉功课中最早需求周边视觉( off-axis) 的探测,紧随着才是应用线上视觉( on-axis) 的地方凹局部察看细节,并进行周边视觉与线上视觉的一直瓜代。因而,咱们能够将这些人行步道中复杂的视觉进程简化以及形象成较为繁多的视觉功课,如脸部辨识、阻碍物探测、标识辨认、颜色辨认等,而这些视觉功课也是步行路线照明中最根本以及最次要的内容。

 

  4 人行路线照明中SPD 的影响作用


  2010 年CIE 1-58 技巧委员会公布了的技巧陈诉CIE 191: 2010 保举了基于视觉效用法的两头视觉光度学零碎模子,这有助于展开两头视觉前提下相干视觉功课及效用的深化钻研。那末,正在两头视觉光度学模子被保举之后,该畛域的相干钻研仿佛应针对详细的视觉功课开展才更为正当。两头视觉下的视觉效用目标触及到对视敏度( visual acuity) 、周边视觉探测( off-axis detect) 、比照灵活度( contrastsensitivity) 、色调识别才能( colour naming ability)等方面的调查,而反响到实际照明场中的视觉功课则体现为脸部辨识、阻碍物探测、标记辨认以及颜色辨认等。


  4. 1 脸部辨识


  1982 年van Bo妹妹el W. 以及Caminada E. 基于ET Hall 提出的“最靠近区域”的概念,提出了用脸部识别间隔的试验作为丈量照明视觉效用的概念,并发现半柱面照度与脸部辨识关系最亲密,当半柱面照度正在人的脸部照度值为0. 8lx 时,正在4m 间隔处将可以使患上它们被识别进去,并将该间隔内的互相识别作为一个要害目标。[8,9]随后的脸部辨识的钻研根本上相沿了这一办法。


  Boyce PR 以及Rea MS. ( 1990) [10]正在一个开放园地进行了高压钠灯以及低压钠灯的平安照明钻研,后果发现平安照明能够添加对入侵者的探测以及脸部辨识,但高压钠灯以及低压钠灯关于入侵者的探测以及脸部辨识具备一样的成果。Rea MS、Bullough JD、Akashi Y ( 2009) [11]的钻研,正在实在场景中辨别正在低压钠灯以及金属卤化物灯光源下进行脸部辨认试验。该钻研不发现金属卤化物灯以及低压钠灯两个场景下正在统计学上的差别,并患上出正在该场景下,颜色信息关于脸部辨识没有首要。以上的钻研并无发现金卤灯以及低压钠灯正在正在脸部识别方面影响的差别,但也有相干的钻研与他们没有同。


  Raynham P、Saksvikrlnning T ( 2003) [9]正在vanBo妹妹el W. 、Caminada E. ( 1982) [8]的根底上进行了相似的室内实在场景的模仿试验,让被试者走向一个被察看者或许两个间隔3m 的被察看者并识别其脸孔。后果显示,关于脸部识别,荧光灯白光的确远优于钠灯。Knight C、Van Kemenade J、DeveciZ ( 2007) [12]进行的户外实在场景的脸部辨识试验,试验光源为低压钠灯( 2000K、显色性25) 以及两个金卤灯( 2800K,显色性年夜于60) ,并让被试者间隔15m 的地位识别灯前1. 5m 处的八张真人头像巨细的名流照片。后果显示,正在都会白光金卤灯光源下,住民辨识的脸部照片所需求的均匀间隔高于低压钠灯,正在相反的地位上金卤灯需求更低的垂直照度,乃至仅是低压钠灯的一半,而这归功于金卤灯黄光含量较少的特性,另外也阐明了更好显色性有助于脸部辨识。姚其等人( 2007) [13]也采纳了C Knight一样的试验办法,后果显示金卤灯正在脸部辨识方面显著优于低压钠灯。C Knight ( 2010) [14]正在欧洲三个国度采纳相似的办法钻研脸部辨识,但试验的后果存正在纷歧致性。正在一切户外的试验中,年夜少数的被试以为比起低压钠灯来讲,正在金卤灯下具备更好的脸部辨认。但也存正在钠灯下辨识间隔更近的状况,作者剖析了这个纷歧致多是因为脸部辨识的视觉功课较为复杂而至。


  显然,对于光源光谱对脸部辨识影响的钻研还没有取得对立的谜底。以上钻研中采纳的光源次要是低压钠灯、白光金卤灯或荧光灯,尽管这些比照光源正在黄光含量方面有显著的区分,但正在详细的钻研后果剖析中均未针对光源SPD,以是难以确定SPD与脸部识别之间的外在关系。另有一些缘由可能招致钻研后果的纷歧致,室外实在场景的钻研中难以严格管制试验前提,试验中指标脸部的照度数目以及光散布正在一直变动,指标或察看者的没有同速率挪动,没有同的察看者需求没有同的工夫来考虑等等,这均可能带来试验后果的误差[15]; 并且正在诸多试验中被察看的工具是名流的照片,二维的照片也很难实在反响出三维的脸部状况,这也添加了试验的偏差。


  4. 2 阻碍物探测


  正在两头视觉前提下对阻碍物探测方面的钻研,次要触及被看物体的可见度以及被探测水平等方面。居家奇、陈年夜华( 2006) [16]钻研应急照明的光谱对疏散以及逃生的影响,指出周边视觉的探测很首要,并阐明正在低照明状况下,光源的光谱能量散布如能很好婚配暗视觉光效函数的灵活区域,那末就能采纳较小功率的光源以补偿逃生的低照度。崔璐璐、陈仲林以及殷颖( 2008) [17]针对车行路线照明中进行没有同光源前提下小指标可见度的钻研,后果标明显色性、光源色温对小指标识别有最为间接的影响。Kurt W I、P E ( 2008) [18]钻研了夜间驾驶前提下物体探测需要的可见度程度,并阐明了春秋、前照灯的光束方式、指标的反射率关于警惕的驾驶员探测指标可见度具备很首要影响,而指标尺寸以及地位关于指标探测时的可见度程度不影响。以上的钻研效果肯定水平上阐明了光源SPD 关于小指标物体的可见度与探测具备肯定的影响,但这些钻研多集中与车行路线场景中可见度及反响工夫等成绩,而人行路线照明场景与车行路线中的视觉功课齐全没有同,关于人行路线来讲,对阻碍物的探测率更为首要。


  Fotios S、Cheal C ( 2009) [19]针对人行路线照明场景中的视觉功课,钻研了没有同光源类型、照度及被试春秋对阻碍物探测的影响。后果显示正在0. 2lx时阻碍物探测遭到光源类型的影响,且跟着光源S /P 值的添加,探测才能也随之进步。但是,针对人行路线实在场景中的阻碍物探测钻研还较少,次要因为遭到试验可操作性的影响,然而室内模仿场景下阻碍物探测值患上展开,以愈加准确的办法确定光源的SPD 对人行路线照明场景中阻碍物探测状况。


  4. 3 标识辨认


  人行路线照明中首要的视觉功课之一是标识辨认,而这一视觉功课的优劣反响了两头视觉前提下人眼的视锐度。影响标识辨认的要素有环境的顺应亮度程度、照度程度、视标的亮度及亮度比照度等,然而照明光源的SPD 关于标识辨认能否有明显影响还没有患上而知。另外,正在实际的人行路线照明场景中,标识辨认还会存正在颜色的要素[6]和标识的正负比照差别成绩[20],这些对标识辨认也存正在较年夜影响。


  许多钻研标明光源SPD 关于无颜色视标的视锐度辨识不影响,如Eloholma 等人( 1999) [21]测试没有同亮度环境前提下的视锐度,试验中采纳高下两种亮度比照度的Landolt 环,亮度从0. 19cd /m2 到5. 2cd /m2,试验用的照明光源是日光色的荧光灯和加了红、绿、蓝滤色片的荧光灯,但后果显示正在一切的亮度前提下,没有同光谱的光源对Landolt 环的视锐度影响均不差异。PR Boyce 等人( 1999[22]以及2003[23]) 经过识别Landolt 环,钻研了光源SPD 对无颜色视觉指标识别的影响,后果都显示光源光谱对视标的视觉识别不影响。


  但正在实在的场景中,标识的辨认可能存正在颜色信息,人眼的“颜色拮抗通道”对标识辨认具备首要奉献[6, 24]。FotiosS 以及Cheal C. ( 2007) [6]经过设计并置的两个实验箱进行比照试验,采纳了四种没有同的视觉指标: 玄色Landolt 环、Bailey-lovie 视力表、Pelli-Robson 视力表和黑白的Landolt 环,并辨别正在五个光源( LPS、2000K-HPS、3000K-CFL、2800K-MH一、4200K-MH2) 前提下,进行无颜色与颜色指标的视锐度等的试验。后果发现SPD 关于地方的无颜色视标功课义务不协助,而正在应用黑白指标的敏感视觉功课中,显示了指标颜色与SPD 之间的互相作用关系,但详细是怎么的关系还需求进一步的钻研能力确定。


  4. 4 颜色辨认


  正在两头视觉前提下,视网膜内的锥状细胞仍然活泼,使患上颜色辨认也是一个十分首要的视觉功课。如前所述,颜色视觉依赖于三个视觉通道作用,并对人行路线照明中对颜色视觉功课有奉献。然而关于人行路线照明中的颜色辨认,起决议作用的是光源的显色性,而没有是色温[25]。另外,跟着LED 光源的普及使用,用传统的CIR 显色指数的颜色评估体系来评估LED 光源存正在缺点: 色空间没有平均、颜色样品饱以及渡过低等成绩[26, 27]。以是对颜色评估需求更多的存眷。


  Boyce PR、Bruno ( 1999) [22]的钻研发如今两头视觉前提下照度程度的添加有助于颜色辨认精确率的进步,金卤灯以及松散型荧光灯比钠灯对颜色辨识更精准。英国规范BS5489-1 ( 2003) 乃至容许辅佐街道上的照明正在显色性与照度之间进行弃取,规则假如应用具备高显色性的光源,能够抉择更低一级此外高空均匀照度。Knight C、Van Kemenade J、Deveci Z ( 2007) [12]进行的户外实在场景中的颜色辨认试验,正在低压钠灯( 2000K、显色指数25) 以及两个金卤灯( 2800K,显色指数年夜于60) 的场景下进行,让被试者间隔15m 的地位前进并识别灯前1. 5m 处的8 个颜色的毛巾,后果显示白光更无利于颜色的识别。姚其等人( 2007) [13]正在低压钠灯与金卤灯的路线上进行颜色辨认的试验,后果显示对白色、黄色、蓝色的识别,金卤灯优于低压钠灯,低压钠灯正在黄绿色上的识别优于金卤灯,但总体来讲白光的金卤灯更具劣势。


  正在人行路线照明场景中的颜色辨认方面,白光的金卤灯比黄光的低压钠灯具备更高的颜色辨识才能以及正确率,这仿佛能够患上出黄光含量较高的光源关于颜色辨识没有利。然而咱们一样晓得低压钠灯的显色性远没有如金卤灯,正在颜色辨识方面的差别极可能是因为显色性的没有同酿成的。那末关于显色性相反的没有同SPD 光源来讲,他们之间关于颜色识别能否存正在差别,还没有患上而知,需求展开更多具备针对性的钻研来验证这一成绩。


  5 结语


  从以上的剖析咱们曾经分明的晓得,SPD 对人行路线照明中的视觉功课有着首要的影响。然而从实在的视觉功课来看,SPD 对何种视觉功课具备怎样样的影响,和关于这些视觉功课的影响水平等还需求进一步的深化钻研,并且即便曾经取得肯定后果的钻研也可能存正在成绩,需求惹起咱们的留意。回顾这些钻研,可分为两类: 试验室前提下的试验钻研以及实在场景前提下的试验钻研。咱们没有难发现这样的成绩,试验室的钻研齐全脱离了人行路线的照明形式及光散布特性,采纳愈加形象的办法进行,这些试验疏忽了实际场景中没有确定性而复杂的视觉功课间的互相影响。而实际场景前提下的钻研,则遭到环境的影响很年夜,不少影响要素难以管制,也可能招致了试验后果的误差[15]。因而,咱们需求从新梳理思绪,提出更好的试验办法来进一步深化地钻研两头视觉前提下的相干视觉成绩。