道路和隧道照明視覺功效測(cè)量系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

張青文，胡英奎，翁 季，劉英嬰，楊春宇，梁樹英

(重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促進(jìn)了城市道路和公路隧道的建設(shè)，即使在夜間，道路交通流量亦有增無(wú)減。在這種形式下，如何提高城市道路和公路隧道的照明質(zhì)量，以減少交通事故，保障道路安全顯得尤為重要。而照明質(zhì)量的提高，很大程度上取決于照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性。目前，世界各國(guó)的道路及隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中僅以亮度、照度、亮度或照度均勻度及眩光指數(shù)等作為照明質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。近年來(lái)，隨著照明科技領(lǐng)域的深入研究，人們已意識(shí)到不同光源色溫會(huì)對(duì)人的生理乃至心理產(chǎn)生相應(yīng)的影響。且有研究表明，在滿足道路和隧道照明條件下的亮度范圍內(nèi)，用高色溫的緊湊型熒光燈照明能縮短駕駛?cè)藛T對(duì)障礙物的反應(yīng)時(shí)間，從而增快對(duì)瞬態(tài)事件的反應(yīng)速度;反之，用低色溫的緊湊型熒光燈照明則會(huì)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致大腦反應(yīng)遲鈍。即不同的光源色溫將影響駕駛?cè)藛T的視覺功效。

LED照明光源作為一種具有環(huán)保與節(jié)能潛力的新型光源已開始運(yùn)用于道路和隧道照明中，相比于傳統(tǒng)的低色溫高壓鈉燈(2000 K～2400 K），LED的色溫可選范圍很廣(2000 K～7000 K），這為研究適用于道路或隧道照明的光源色溫提供了條件。為進(jìn)行這一研究，我們依托于國(guó)家自然科學(xué)基金，研制出“城市道路和隧道照明視覺功效測(cè)量系統(tǒng)”。該系統(tǒng)根據(jù)視覺功效法測(cè)量原理，可采用高壓鈉燈(HPS）、金鹵燈(MH）及不同色溫LED實(shí)驗(yàn)用燈來(lái)營(yíng)造道路或隧道的照明環(huán)境，通過(guò)對(duì)受測(cè)人在不同照明光源、色溫及亮度條件下，對(duì)瞬態(tài)出現(xiàn)的目標(biāo)物所產(chǎn)生的反應(yīng)時(shí)間及瞳孔變化數(shù)據(jù)的測(cè)取和數(shù)據(jù)處理，由此獲得適用于道路或隧道照明的光源及色溫信息。

該系統(tǒng)在BM—5A色度∕亮度計(jì)、SMI眼動(dòng)儀及PR—650光譜掃描儀的配合使用下，具有較強(qiáng)的使用功能，較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)為不同光源色溫在道路和隧道照明中的應(yīng)用研究創(chuàng)造了條件，其研究結(jié)果將為城市道路和公路隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供更加科學(xué)的依據(jù)。

1 基于反應(yīng)時(shí)間(Reaction Time）的視覺功效法

該系統(tǒng)根據(jù)視覺功效法的測(cè)量原理而研制。這種方法是測(cè)試在不同照明環(huán)境下(如改變光源屬性、色溫、背景亮度、目標(biāo)偏心角、目標(biāo)亮度等），人眼對(duì)于背景中隨機(jī)出現(xiàn)的目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間。視覺功效法可模擬實(shí)際的視覺作業(yè)環(huán)境，以直接評(píng)價(jià)不同照明條件下操作者的視覺作業(yè)能力和建立以反應(yīng)時(shí)間為基礎(chǔ)的視覺模型，從而評(píng)價(jià)人眼真實(shí)的視覺功效。研究表明，反應(yīng)時(shí)間與人眼中的M信道有關(guān)，傳輸神經(jīng)纖維以不同的速度傳輸亮度和彩色(色溫）信息，雖然，當(dāng)一個(gè)視覺作業(yè)(夜間駕駛）按照速度(反應(yīng)時(shí)間）被定義的時(shí)候，大腦將首先接受亮度信息，其次為彩色(色溫）信息，但色溫變化是否會(huì)引發(fā)人們的生理及心理效應(yīng)(非視覺效應(yīng)），從而對(duì)反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，尚需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此，對(duì)某一確定的光源而言，當(dāng)亮度為某一恒定值時(shí)，采用視覺功效法測(cè)取反應(yīng)時(shí)間并同時(shí)采集人眼的瞳孔變化信息，由此探究反應(yīng)時(shí)間及瞳孔變化信息(生理變化）與色溫的變化關(guān)系應(yīng)是行之有效的。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

該系統(tǒng)采用定量與定性相結(jié)合的實(shí)測(cè)方式可分別在不同色溫的LED燈、HPS燈及MH燈所產(chǎn)生的亮度范圍(其亮度范圍滿足國(guó)家道路或隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定）內(nèi)，并以此為背景光(即道路或隧道照明下的光照條件），用隨機(jī)可變的光斑或灰度視標(biāo)為目標(biāo)(光斑亮度大于背景亮度，稱正對(duì)比方式，不同灰度視標(biāo)的亮度低于背景亮度，則稱為負(fù)對(duì)比方式），模擬出夜間道路環(huán)境中可能出現(xiàn)的障礙物(本實(shí)驗(yàn)中，僅采用LED實(shí)驗(yàn)用燈照明時(shí)，背景光、光斑及灰度視標(biāo)的亮度可變范圍分別為 0.1～80 cd/m2，10～100 cd/m2及0.3 ～0.5 cd/m2），使觀測(cè)者在特定的視看條件下作出最快的反應(yīng)，并通過(guò)按鍵由電子快門記錄下其反應(yīng)時(shí)間，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，尋求在不同光照條件下，反應(yīng)時(shí)間隨不同光源、色溫、背景亮度、視標(biāo)對(duì)比度和視標(biāo)偏心角的變化規(guī)律。系統(tǒng)由弱光燈箱、強(qiáng)光燈箱、光學(xué)系統(tǒng)、電子計(jì)時(shí)儀和觀測(cè)箱五個(gè)部分構(gòu)成(見圖1）。

1）弱光燈箱:弱光燈箱內(nèi)可分別安裝MH燈、HPS燈和LED燈源，用以產(chǎn)生低亮度背景光和正對(duì)比測(cè)量方式下的目標(biāo)光斑。箱內(nèi)設(shè)有風(fēng)機(jī)散熱裝置，以防止高溫所帶來(lái)的負(fù)面影響。光源供電可由開關(guān)進(jìn)行切換。燈箱內(nèi)的調(diào)節(jié)裝置可保證光源發(fā)光體的中軸線通過(guò)透光孔圓心，使出射光有效地被透鏡匯聚。

2）強(qiáng)光燈箱:為使該系統(tǒng)模擬隧道入口及出口段的黑洞及白洞效應(yīng)現(xiàn)象，可通過(guò)眼動(dòng)儀測(cè)量人眼在此狀況下的瞳孔變化情況，以掌握其視覺滯后規(guī)律(因篇幅所限，該實(shí)驗(yàn)過(guò)程及控制原理，本文中不再作詳細(xì)介紹），或需要高亮度的背景光時(shí)，故在觀測(cè)箱頂部設(shè)有強(qiáng)光燈箱。燈箱內(nèi)所設(shè)置的金鹵燈、高壓鈉燈和LED燈源可通過(guò)調(diào)節(jié)手輪控制光源發(fā)光體進(jìn)入燈箱的長(zhǎng)度，以此改變觀測(cè)箱內(nèi)的背景亮度(其中的遮光罩用于瞬時(shí)遮擋鈉燈和金鹵燈在切斷電源后的余光，以模擬隧道入口段的白洞效應(yīng)現(xiàn)象），即在弱光燈箱的組合下，可增大觀測(cè)箱內(nèi)的背景光亮度范圍，以滿足負(fù)對(duì)比的測(cè)量方式。

圖1 道路及隧道照明視覺功效測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3）光學(xué)系統(tǒng)，如圖2所示，由透鏡、反光鏡、可變光欄、減光片及其調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，運(yùn)用幾何光學(xué)的原理，可將來(lái)自弱光燈箱光源的發(fā)散光匯聚為平行光束，并以不同的光路在觀測(cè)箱內(nèi)形成背景光和視標(biāo)光斑。光路中的反光鏡、可變光欄及減光片可控制光路和觀測(cè)箱內(nèi)的亮度變化(包括背景光和視標(biāo)光斑），可將觀測(cè)箱中的背景光控制在低亮度的范圍內(nèi)，以滿足正對(duì)比測(cè)試需要。

整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)被封閉在暗箱內(nèi)，可有效防止雜散光對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差。

暗箱外側(cè)的調(diào)節(jié)手輪，用來(lái)控制減光片的透光率，以進(jìn)光量的大小改變觀測(cè)箱內(nèi)的亮度范圍。

4）電子計(jì)時(shí)儀:電子計(jì)時(shí)儀由電源、微處理器、顯示模塊、電子快門和四組控制按鈕組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電源采用交流變壓器將220 V市電轉(zhuǎn)變?yōu)殡p15 V交流信號(hào)，并經(jīng)整流、濾波后分別變換為5 V和12 V直流信號(hào)，再經(jīng)三端穩(wěn)壓模塊為微處理器、顯示模塊和電磁繼電器提供電能。

圖2 道路及隧道照明視覺功效測(cè)量系統(tǒng)(側(cè)立面）構(gòu)造示意圖

圖3 電子計(jì)時(shí)儀基本結(jié)構(gòu)框圖

微處理器是整個(gè)計(jì)時(shí)儀的核心，它響應(yīng)并執(zhí)行外部的各種命令，從而控制光路的開、閉和遮光筒的起落，并將受檢者的反應(yīng)時(shí)間在LED數(shù)碼塊上顯示出來(lái)。

顯示模塊由4位數(shù)碼管和4塊74LS164集成電路構(gòu)成，可在微處理器的控制下顯示十進(jìn)制數(shù)據(jù)。

電子快門由電磁繼電器和機(jī)械光路快門構(gòu)成，并由微處理器控制繼電器的吸合，以光路和機(jī)械快門的開、閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的選擇及目標(biāo)光斑和灰色視標(biāo)的控制。

圖4為電子計(jì)時(shí)儀操作軟件流程框圖，由圖4可知，啟動(dòng)電源后，微處理器開始執(zhí)行程序流程。按下“開始”按紐，經(jīng)過(guò)6～8 s，計(jì)時(shí)儀進(jìn)入工作狀態(tài)，首先選擇待測(cè)光源，接著啟動(dòng)操作軟件，進(jìn)入TEST界面后，輸入測(cè)量信息，然后啟動(dòng)“眼動(dòng)儀”測(cè)量軟件，接著按下“測(cè)量”按鈕，此時(shí)，根據(jù)所選的測(cè)量方式(正對(duì)比或負(fù)對(duì)比測(cè)量方式），微處理器將控制電子快門打開，觀測(cè)箱內(nèi)出現(xiàn)目標(biāo)光斑或灰色視標(biāo)，受檢者立即按下手動(dòng)開關(guān)，微處理器產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷處理程序，此時(shí)快門關(guān)閉，并計(jì)算出受檢者的反應(yīng)時(shí)間和眼動(dòng)儀的啟動(dòng)及結(jié)束時(shí)間(眼動(dòng)儀將在該時(shí)間段內(nèi)自動(dòng)記錄下受測(cè)人的瞳孔變化過(guò)程），在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。如果2 s后，受檢者還未按下開關(guān)，微處理器則認(rèn)為檢測(cè)無(wú)效，并自動(dòng)關(guān)閉電子快門，再次按下“開始”按紐，儀器進(jìn)入下一次檢測(cè)。計(jì)時(shí)儀的四個(gè)控制按鈕可分別進(jìn)行測(cè)試開始、復(fù)位、反應(yīng)時(shí)間記錄和調(diào)光控制的操作。

圖4 電子計(jì)時(shí)儀操作軟件流程框圖

5）觀測(cè)箱:觀測(cè)箱為一直徑2.0 m，高0.75 m的半圓柱空間，背板下端開有觀察孔和監(jiān)測(cè)孔，可分別進(jìn)行目視觀測(cè)和亮度監(jiān)測(cè)。

箱體內(nèi)壁噴有均勻擴(kuò)散材料硫酸鋇，由光學(xué)系統(tǒng)匯聚和調(diào)整后的光線進(jìn)入箱體后，經(jīng)背板內(nèi)壁處反光鏡反射至內(nèi)壁兩側(cè)，分別形成均勻散射的背景光和高匯聚的視標(biāo)光斑，以滿足正對(duì)比測(cè)量需要。觀測(cè)箱背部底段設(shè)有暗目標(biāo)組，即由三種不同反射比的灰色視標(biāo)組成。為滿足視標(biāo)偏心角的變化，三個(gè)視標(biāo)分別為0°、左偏 10°和右偏 10°(0°位于觀測(cè)者視線中軸方向），每次測(cè)量前，可在受測(cè)人未知的情況下，事先改變視標(biāo)偏心角，以測(cè)取不同偏心角下的受測(cè)人反應(yīng)時(shí)間。頂部的強(qiáng)光燈箱可控制箱體內(nèi)的亮度變化，以改變灰色視標(biāo)的亮度值，從而滿足負(fù)對(duì)比的測(cè)量需要。

觀測(cè)箱是受檢者的直接觀測(cè)對(duì)象，其內(nèi)部的光照條件，必須滿足實(shí)驗(yàn)要求，它是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。

3 亮度監(jiān)測(cè)及瞳孔測(cè)量

要保證背景光亮度在規(guī)定的范圍內(nèi)，或控制視標(biāo)光斑和灰色視標(biāo)的強(qiáng)弱變化，均需采用高精度的亮度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并調(diào)控。本系統(tǒng)采用了日本Topcon公司的BM－5A色度/亮度計(jì)，進(jìn)行亮度監(jiān)測(cè)，該儀器設(shè)有0.1°/0.2°/1°/2°4 個(gè)測(cè)量角，亮度測(cè)量范圍為:0.0001 ～1200000 cd/m2。亮度測(cè)量精度為±4%of rdg。

系統(tǒng)還同時(shí)采用了德國(guó)SMI公司生產(chǎn)的IVIEW X眼動(dòng)儀測(cè)取受測(cè)人的瞳孔變化。該設(shè)備運(yùn)用紅外和眼罩式微型攝像機(jī)可分別進(jìn)行人眼瞳孔和視線追蹤測(cè)量。測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)者頭戴裝有半反半透鏡和紅外攝像機(jī)的頭盔(頭盔的種類可選擇），被測(cè)者目光透過(guò)眼前的半反半透鏡注視物體圖像，一部分光線反射到攝像頭被記錄下來(lái)，從而確定眼珠和瞳孔的位置，計(jì)算出眼珠的水平和垂直運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、距離、速度及瞳孔直徑。另一個(gè)攝像頭攝取被測(cè)者注視的物體圖像并確定注視位置。攝像機(jī)可追蹤虹膜和瞳孔上的角膜反射對(duì)頭部相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。攝像機(jī)每秒采集50禎圖像(特殊應(yīng)用時(shí)可以有更高的采樣頻率）。儀器具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，可隨時(shí)校準(zhǔn)受測(cè)者因頭部或身體擺動(dòng)而引起的誤差，從而保證儀器的測(cè)量精度。

4 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

系統(tǒng)分別對(duì)HPS和4種色溫的LED光源進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并獲得了20～25歲(受測(cè)人均具有正常的色覺和矯正視力）年齡段，共有5人的反應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)。

每個(gè)受檢者在150 W HPS燈和均為14 W的4種不同色溫LED光源照明下，分別以0.5～1.5 cd/m2范圍內(nèi)的4個(gè)背景亮度，0°和左右10°偏心角和0.4°視標(biāo)對(duì)比值為條件進(jìn)行反應(yīng)時(shí)間測(cè)試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。每個(gè)受檢者的各項(xiàng)測(cè)試不低于十個(gè)數(shù)據(jù)，并剔掉其中的異常數(shù)據(jù)再取其平均，以防止生理和心理上的不穩(wěn)定因素所帶來(lái)的測(cè)量誤差。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)列表

實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，測(cè)量前，受檢者有足夠的適應(yīng)時(shí)間。測(cè)量時(shí)，受檢者右眼緊靠觀測(cè)箱右側(cè)的觀測(cè)孔，當(dāng)探測(cè)到視標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，快速按下控制鈕，電子記錄儀和眼動(dòng)儀將實(shí)時(shí)記錄下受檢者的反應(yīng)時(shí)間和瞳孔變化。

4.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)4種背景亮度下(包括不同偏心角和確定視標(biāo)對(duì)比度）的6000多條反應(yīng)時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)回歸分析，分別得到高壓鈉燈和4種色溫LED光源下反應(yīng)時(shí)間與背景亮度之間的函數(shù)表達(dá)式和各測(cè)量條件下的反應(yīng)時(shí)間平均值，并得到了4種背景亮度下被測(cè)人員反應(yīng)時(shí)間隨光源色溫變化曲線，見表2、圖5。

表2 受測(cè)人在各背景亮度下的反應(yīng)時(shí)間(ms）

由表2和圖5不難看出:在各背景亮度下，受測(cè)人的反應(yīng)時(shí)間隨色溫的變化趨勢(shì)基本一致，但相對(duì)于低色溫和高色溫時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，中間色溫時(shí)的反應(yīng)時(shí)間最短。在所測(cè)量的光源中，4700 K色溫的LED與1650 K色溫的HPS光源對(duì)受測(cè)人視覺功效的影響相差不大，但將其相比于另3種色溫的LED光源，其視覺功效相對(duì)較差。這說(shuō)明，在道路照明的中間視覺亮度條件下，中低色溫的LED光源所產(chǎn)生的照明效果較好，而低色溫的HPS光源和高色溫的LED光源所產(chǎn)生的照明效果相對(duì)較差。

圖5 4種背景亮度下被測(cè)人員反應(yīng)時(shí)間隨光源色溫變化曲線

由圖5中反應(yīng)時(shí)間隨光源色溫變化曲線的趨勢(shì)亦可表明，色溫在3500 K附近時(shí)反應(yīng)時(shí)間最短，此時(shí)，受測(cè)人應(yīng)具有最佳視覺功效，即照明效果最好。

需說(shuō)明的是，在圖5中，4種背景亮度下被測(cè)人員的反應(yīng)時(shí)間隨光源色溫的變化趨勢(shì)存在局部差異，這是由于人類具有復(fù)雜的生理或心理特點(diǎn)，因此，所導(dǎo)致的測(cè)量誤差在所難免，但測(cè)量精度應(yīng)在誤差允許范圍內(nèi)，這由所有曲線變化的一致性亦可看出。

5 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)及研究結(jié)果表明，道路和隧道照明視覺功效測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)試精度和工作效率。它模擬實(shí)際的視覺作業(yè)環(huán)境，以人眼視覺系統(tǒng)對(duì)信息的處理機(jī)制為根據(jù)，以此評(píng)價(jià)人眼真實(shí)的視見能力，滿足了采用視覺功效法研究光源色溫對(duì)視覺功效影響的需要。同時(shí)，該設(shè)備還可應(yīng)用于隧道入口和出口段的視覺功效測(cè)量，以探究出科學(xué)合理的亮度標(biāo)準(zhǔn)，從而防止黑洞或白洞效應(yīng)對(duì)駕駛?cè)藛T帶來(lái)的安全隱患并提高節(jié)能效果。事實(shí)證明，該設(shè)備的成功研制及其應(yīng)用，為創(chuàng)建安全、節(jié)能與舒適的道路及隧道照明環(huán)境，提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。對(duì)我國(guó)道路和隧道照明工程的實(shí)施具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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