光源光譜能量分布對行人視覺作業的影響研究回顧*

楊 秀 郝洛西

(同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

1 引言

按照國際照明委員會 (CIE)的規定，中間視覺(Mesopic vision)的亮度水平范圍為0.001～3cd/m2，介于明視覺 (Photopic vision，亮度水平大于3 cd/m2)和暗視覺 (Scotopic vision，亮度水平小于0.001 cd/m2)之間［1］，人行道路照明正處于中間視覺亮度范圍。目前，國際上研究中間視覺的方法主要有視亮度匹配法和視覺功效法［2］。早期的研究主要集中于前者，而近十年來由于后者更接近實際的視覺情況而逐漸被研究人員所重視。2010年CIE 1-58技術委員會發布了的技術報告CIE 191:2010，報告中推薦了基于視覺功效法的中間視覺光度學系統模型［3］，這有助于開展中間視覺條件下相關視覺作業及功效的深入研究。目前的研究主要集中于機動車道路照明，較少涉及人行道路，而機動車道路與人行道路照明場景中的視覺作業差異很大。在實際的人行道路照明場景中，路面水平照度、垂直照度、亮度及亮度對比度、眩光、光照分布等等都是影響視覺辨認的重要照明因素。但在人行道路中的不同適應亮度環境下，被激活的人眼感光細胞對于光譜的響應敏感度存在明顯差異［4］，使得光源光譜能量分布 (SPD，Spectral power distribution)對行人的視覺作業產生重要影響。然而從目前中間視覺領域的研究來看，SPD對于真實場景中何種視覺作業具有怎么樣的影響，以及對這些視覺作業的影響程度等內容尚未獲得統一的結論［5，6］。

本文有三個目的:首先，從理論上尋找證據，證明在人行道路照明條件下SPD是一個影響視覺辨認的重要因子;其次，了解在人行道路照明真實場景中照明需求，以及最重要的視覺作業有哪些;第三，客觀的分析過去的研究，評價SPD對于視覺辨認的影響是否已被證實，相關研究到何種程度，如果沒有，接下來我們需要做哪些實驗工作。

2 中間視覺條件下人眼的視覺生理學特征

人眼視覺系統的視網膜中存在四種感光細胞，每種都含有不同的感光色素，因此對于不同SPD的光譜敏感度存在差異。這四種感光細胞可分為兩類:桿狀細胞和錐狀細胞。所有的桿狀細胞都具有相同的光譜敏感度。其他三種感光統稱為錐狀細胞 (分別是短波-錐狀細胞、中波-錐狀細胞和長波-錐狀細胞)，每種感光細胞對于不同波長光的敏感度存在明顯差異。桿狀細胞和錐狀細胞在視網膜上的分布是不均勻的 (見圖1)，錐狀細胞主要集中在視軸上中央凹的小區域范圍內，而且視網膜上的其他區域也分布著少量的錐狀細胞。在黃斑處沒有桿狀細胞，從中央窩越往外，桿狀細胞的密度越來越大，到偏離視軸約15°處達到最大。三種錐狀細胞在視網膜上的分布也是不均勻的，中波-錐狀細胞和長波-錐狀細胞主要集中在中央凹，而短波-錐狀細胞大量集中在中央凹外圍，但隨后往外的區域內就出現驟減［4］。

圖1 視網膜上錐狀細胞與桿狀細胞隨著視野偏心度變化的分布情況

由于錐狀細胞和桿狀細胞的不同光敏感性以及在視網膜內分布的區域不同，使得這兩類細胞在具體的視覺作業時所承擔的作用也不同，桿狀細胞對于視野周圍活動的對象有很高的識別能力，同時感光度比錐狀細胞高，對識別暗處對象有很大的幫助，但沒有分辨顏色的能力。而錐狀細胞主要是用于觀察線上視覺內各種對象的運動、形狀、顏色等細節內容。從明視覺到暗視覺過渡的中間視覺狀態下，錐狀細胞與桿狀細胞共同起作用，但人眼視網膜內被激活的錐狀感光細胞數目逐漸減少，桿狀細胞則越來越多，也導致眼睛所響應的光譜靈敏度曲線逐漸向短波方向移動，最大光譜光視效能值也從明視覺的555nm逐漸向暗視覺的507nm靠近，這種現象被稱為“浦爾金耶偏移”(Purkinje Shift)。這一改變是由人眼視網膜中的感光細胞的分光靈敏度特性決定的。因此，在進行一定的視覺作業時，不同SPD的光源對視覺作業的影響是可能存在較大差異。

在顏色視覺信息處理方面，存在著三種視覺通道，這取決于三種錐狀細胞對于不同波長光的分光敏感性的特征 (見圖2)，使得光源SPD對人眼在顏色視覺方面的視覺處理顯得至關重要。根據三種錐狀細胞之間的相互組合，可得到一個非顏色無拮抗通道和兩個顏色拮抗通道，它們分別是非顏色通道、紅-綠拮抗通道和黃-藍拮抗通道。而這些顏色視覺系統的拮抗結構決定了視覺作業中對顏色的感知［4，7］，而且無論是明視覺還是中間視覺這三個通道都是共同被激活的。

圖2 長波-錐狀細胞、中波-錐狀細胞和短波-錐狀細胞對于不同波長光的相對敏感度

從以上人眼在中間視覺條件下的生理學特征的分析可知，不同感光細胞具有不同的分光敏感度，而且在不同的視場角范圍內起作用的感光細胞也不同，以及顏色視覺信息處理中的三個顏色通道的存在，使得在不同適應亮度的中間視覺條件下，光源SPD對人行道路照明中的視覺作業必定存在影響。

3 人行道路照明場景中的視覺作業

要想了解人行道路照明中光源光譜能量分布(SPD)對視覺辨認的影響情況，那么就首先需要知道真實人行道路照明場景中的主要視覺作業有哪些?

從相關理論可知，人的需求有生理、安全、社交和自我價值實現等的需求，這也是室外照明應滿足行人的最基本需求。在人行道路照明中，首先應滿足對環境的特征認知，滿足行人對環境的安全感、舒適感和明亮感的需求;滿足行人在行走過程中能察覺地面上的高差或障礙物;滿足步行者能有足夠的時間辨認行人的衣著、舉動和面部特征等，以確定他們的意圖，在必要的時候采取防衛動作或逃避;可以較為方便地認清路牌和標識等內容。行人的視覺作業與需求和駕駛員的有很大不同，滿足機動車駕駛員視覺功效要求的照明指標，可能不適用于人行道路。步行道路內的移動速度慢，在真實的視覺過程中，往往是多種視覺作業同時發生，如行人在行走中，用余光感受到了路邊的路人，既而轉向過去辨認該路人的面部特征，同時也會注意其衣著、動作等，甚至此時還會用余光去觀察周邊可能發生的情況以及障礙物和地面高差等，并可能再次轉向去查看可能存在的標識和路牌等內容。這一系列的視覺活動所對應的視覺作業是非常復雜的，這些視覺作業中最先需要周邊視覺 (off-axis)的探測，緊跟著才是使用線上視覺 (on-axis)的中央凹部分觀察細節，并進行周邊視覺與線上視覺的不斷交替。因此，我們可以將這些人行步道中復雜的視覺過程簡化和抽象成較為單一的視覺作業，如面部辨識、障礙物探測、標識識別、顏色識別等，而這些視覺作業也是步行道路照明中最基本和最主要的內容。

4 人行道路照明中SPD的影響作用

2010年CIE 1-58技術委員會發布了的技術報告CIE 191:2010推薦了基于視覺功效法的中間視覺光度學系統模型，這有助于開展中間視覺條件下相關視覺作業及功效的深入研究。那么，在中間視覺光度學模型被推薦之后，該領域的相關研究似乎應針對具體的視覺作業展開才更為合理。中間視覺下的視覺功效指標涉及到對視敏度 (visual acuity)、周邊視覺探測 (off-axis detect)、對比靈敏度 (contrast sensitivity)、色彩辨認能力 (colour naming ability)等方面的考察，而反應到實際照明場中的視覺作業則表現為面部辨識、障礙物探測、標志識別和顏色識別等。

4.1 面部辨識

1982年van Bommel W.和Caminada E.基于E T Hall提出的“最接近區域”的概念，提出了用面部辨認距離的實驗作為測量照明視覺功效的概念，并發現半柱面照度與面部辨識關系最密切，當半柱面照度在人的面部照度值為0.8lx時，在4m距離處將可使得它們被辨認出來，并將該距離內的相互辨認作為一個關鍵指標。［8，9］隨后的面部辨識的研究基本上沿用了這一方法。

Boyce PR 和 Rea MS.(1990)［10］在一個開放場地進行了低壓鈉燈和高壓鈉燈的安全照明研究，結果發現安全照明可以增加對入侵者的探測和面部辨識，但低壓鈉燈和高壓鈉燈對于入侵者的探測和面部辨識具有同樣的效果。Rea MS、Bullough JD、Akashi Y(2009)［11］的研究，在真實場景中分別在高壓鈉燈和金屬鹵化物燈光源下進行面部識別實驗。該研究沒有發現金屬鹵化物燈和高壓鈉燈兩個場景下在統計學上的差異，并得出在該場景下，顏色信息對于面部辨識不重要。以上的研究并沒有發現金鹵燈和高壓鈉燈在在面部辨認方面影響的差異，但也有相關的研究與他們不同。

Raynham P、Saksvikrl nning T(2003)［9］在 van Bommel W.、Caminada E.(1982)［8］的基礎上進行了類似的室內真實場景的模擬實驗，讓被試者走向一個被觀察者或者兩個距離3m的被觀察者并辨認其面孔。結果顯示，對于面部辨認，熒光燈白光確實遠優于鈉燈。Knight C、Van Kemenade J、Deveci Z(2007)［12］進行的戶外真實場景的面部辨識實驗，實驗光源為高壓鈉燈 (2000K、顯色性25)和兩個金鹵燈 (2800K，顯色性大于60)，并讓被試者距離15m的位置辨認燈前1.5m處的八張真人頭像大小的名人照片。結果顯示，在城市白光金鹵燈光源下，居民辨識的面部照片所需要的平均距離高于高壓鈉燈，在相同的位置上金鹵燈需要更低的垂直照度，甚至僅是高壓鈉燈的一半，而這歸功于金鹵燈黃光含量較少的特點，另外也說明了更好顯色性有助于面部辨識。姚其等人 (2007)［13］也采用了C Knight同樣的實驗方法，結果顯示金鹵燈在面部辨識方面明顯優于高壓鈉燈。C Knight(2010)［14］在歐洲三個國家采用類似的方法研究面部辨識，但實驗的結果存在不一致性。在所有戶外的實驗中，大多數的被試認為比起高壓鈉燈來說，在金鹵燈下具有更好的面部識別。但也存在鈉燈下辨識距離更近的情況，作者分析了這個不一致可能是由于面部辨識的視覺作業較為復雜所致。

顯然，關于光源光譜對面部辨識影響的研究尚未獲得統一的答案。以上研究中采用的光源主要是高壓鈉燈、白光金鹵燈或熒光燈，雖然這些對比光源在黃光含量方面有明顯的區別，但在具體的研究結果分析中均未針對光源SPD，所以難以確定SPD與面部辨認之間的內在關系。還有一些原因可能導致研究結果的不一致，室外真實場景的研究中難以嚴格控制實驗條件，實驗中目標面部的照度數量和光分布在不斷變化，目標或觀察者的不同速度移動，不同的觀察者需要不同的時間來思考等等，這都可能帶來實驗結果的偏差［15］;而且在諸多實驗中被觀察的對象是名人的照片，二維的照片也很難真實反應出三維的面部情況，這也增加了實驗的誤差。

4.2 障礙物探測

在中間視覺條件下對障礙物探測方面的研究，主要涉及被看物體的可見度和被探測程度等方面。居家奇、陳大華 (2006)［16］研究應急照明的光譜對疏散和逃生的影響，指出周邊視覺的探測很重要，并說明在低照明情況下，光源的光譜能量分布如能很好匹配暗視覺光效函數的靈敏區域，那么就能采用較小功率的光源以彌補逃生的低照度。崔璐璐、陳仲林和殷穎 (2008)［17］針對車行道路照明中進行不同光源條件下小目標可見度的研究，結果表明顯色性、光源色溫對小目標辨認有最為直接的影響。Kurt W I、P E(2008)［18］研究了夜間駕駛條件下物體探測需求的可見度水平，并說明了年齡、前照燈的光束形式、目標的反射率對于警覺的駕駛員探測目標可見度具有很重要影響，而目標尺寸和位置對于目標探測時的可見度水平沒有影響。以上的研究成果一定程度上說明了光源SPD對于小目標物體的可見度與探測具有一定的影響，但這些研究多集中與車行道路場景中可見度及反應時間等問題，而人行道路照明場景與車行道路中的視覺作業完全不同，對于人行道路來說，對障礙物的探測率更為重要。

Fotios S、Cheal C(2009)［19］針對人行道路照明場景中的視覺作業，研究了不同光源類型、照度及被試年齡對障礙物探測的影響。結果顯示在0.2lx時障礙物探測受到光源類型的影響，且隨著光源S/P值的增加，探測能力也隨之提高。然而，針對人行道路真實場景中的障礙物探測研究還較少，主要由于受到實驗可操作性的影響，但是室內模擬場景下障礙物探測值得開展，以更加精確的方法確定光源的SPD對人行道路照明場景中障礙物探測情況。

4.3 標識識別

人行道路照明中重要的視覺作業之一是標識識別，而這一視覺作業的好壞反應了中間視覺條件下人眼的視銳度。影響標識識別的因素有環境的適應亮度水平、照度水平、視標的亮度及亮度對比度等，但是照明光源的SPD對于標識識別是否有顯著影響還不得而知。另外，在實際的人行道路照明場景中，標識識別還會存在顏色的因素［6］以及標識的正負對比差異問題［20］，這些對標識識別也存在較大影響。

許多研究表明光源SPD對于無顏色視標的視銳度辨識沒有影響，如Eloholma等人 (1999)［21］測試不同亮度環境條件下的視銳度，實驗中采用高低兩種亮度對比度的Landolt環，亮度從0.19cd/m2到5.2cd/m2，實驗用的照明光源是日光色的熒光燈以及加了紅、綠、藍濾色片的熒光燈，但結果顯示在所有的亮度條件下，不同光譜的光源對Landolt環的視銳度影響均沒有差別。PR Boyce等人 (1999［22］和2003［23］) 通過辨認Landolt環，研究了光源SPD對無顏色視覺目標辨認的影響，結果都顯示光源光譜對視標的視覺辨認沒有影響。

但在真實的場景中，標識的識別可能存在顏色信息，人眼的“顏色拮抗通道”對標識識別具有重要貢獻［6，24］。FotiosS 和 Cheal C.(2007)［6］通過設計并置的兩個試驗箱進行對比實驗，采用了四種不同的視覺目標:黑色Landolt環、Bailey-lovie視力表、Pelli-Robson視力表以及彩色的Landolt環，并分別在 五 個 光 源 (LPS、2000K-HPS、3000K-CFL、2800K-MH1、4200K-MH2)條件下，進行無顏色與顏色目標的視銳度等的實驗。結果發現SPD對于中央的無顏色視標作業任務沒有幫助，而在使用彩色目標的敏感視覺作業中，顯示了目標顏色與SPD之間的相互作用關系，但具體是怎樣的關系還需要進一步的研究才能確定。

4.4 顏色識別

在中間視覺條件下，視網膜內的錐狀細胞依然活躍，使得顏色識別也是一個非常重要的視覺作業。如前所述，顏色視覺依賴于三個視覺通道作用，并對人行道路照明中對顏色視覺作業有貢獻。但是對于人行道路照明中的顏色識別，起決定作用的是光源的顯色性，而不是色溫［25］。另外，隨著LED光源的普及應用，用傳統的CIR顯色指數的顏色評價體系來評價LED光源存在缺陷:色空間不均勻、顏色樣品飽和度過低等問題［26，27］。所以對顏色評價需要更多的關注。

Boyce PR、Bruno(1999)［22］的研究發現在中間視覺條件下照度水平的增加有助于顏色識別準確率的提高，金鹵燈和緊湊型熒光燈比鈉燈對顏色辨識更精準。英國標準BS5489-1(2003)甚至允許輔助街道上的照明在顯色性與照度之間進行取舍，規定如果使用具有高顯色性的光源，可以選擇更低一級別的地面平均照度。Knight C、Van Kemenade J、Deveci Z(2007)［12］進行的戶外真實場景中的顏色識別實驗，在高壓鈉燈 (2000K、顯色指數25)和兩個金鹵燈 (2800K，顯色指數大于60)的場景下進行，讓被試者距離15m的位置行進并辨認燈前1.5m處的8個顏色的毛巾，結果顯示白光更有利于顏色的辨認。姚其等人 (2007)［13］在高壓鈉燈與金鹵燈的道路上進行顏色識別的實驗，結果顯示對紅色、黃色、藍色的辨認，金鹵燈優于高壓鈉燈，高壓鈉燈在黃綠色上的辨認優于金鹵燈，但總體來說白光的金鹵燈更具優勢。

在人行道路照明場景中的顏色識別方面，白光的金鹵燈比黃光的高壓鈉燈具有更高的顏色辨識能力和正確率，這似乎可以得出黃光含量較高的光源對于顏色辨識不利。但是我們同樣知道高壓鈉燈的顯色性遠不如金鹵燈，在顏色辨識方面的差異很可能是由于顯色性的不同造成的。那么對于顯色性相同的不同SPD光源來說，他們之間對于顏色辨認是否存在差異，還不得而知，需要開展更多具有針對性的研究來驗證這一問題。

5 結語

從以上的分析我們已經清楚的知道，SPD對人行道路照明中的視覺作業有著重要的影響。但是從真實的視覺作業來看，SPD對何種視覺作業具有怎么樣的影響，以及對于這些視覺作業的影響程度等還需要進一步的深入研究，而且即使已經獲得一定結果的研究也可能存在問題，需要引起我們的注意。回顧這些研究，可分為兩類:實驗室條件下的實驗研究和真實場景條件下的實驗研究。我們不難發現這樣的問題，實驗室的研究完全脫離了人行道路的照明方式及光分布特點，采用更加抽象的方法進行，這些實驗忽略了實際場景中不確定性而復雜的視覺作業間的相互影響。而實際場景條件下的研究，則受到環境的影響很大，很多影響因素難以控制，也可能導致了實驗結果的偏差［15］。因此，我們需要重新梳理思路，提出更好的實驗方法來進一步深入地研究中間視覺條件下的相關視覺問題。

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