LED光源的光譜能量分布對人行空間面部辨識的影響研究

郝洛西 楊 秀 林 怡

(同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

1 引言

人行道路照明的主要目的是保證行人具有一定的視看能力，如辨別行人動機、發現障礙物、閱讀標識信息等，從而減少犯罪、躲避危險，提高步行空間的安全性和行人的安全感［1～2］。步行道路的活動特點有別于機動車道，其人行速度較為緩慢，但視覺作業較為復雜，其中與安全感相關的最重要視覺作業之一就是面部辨認。這一視覺過程涉及到周邊視覺 (off-axis)的探測，以及線上視覺 (onaxis)的視敏度、對比敏感度以及對顏色辨識等內容［3］。目前，衡量面部識別視覺能力的主要方法之一是測量不同面部辨識程度時的距離［4］。

夜間的多數室外空間亮度水平都處在中間視覺亮度范圍，室外步行空間也不例外。很多研究表明，在中間視覺條件下光源光譜能量分布 (SPD，Spectral power distribution)對視亮度的感知有影響［5］，但對于視覺功效的影響尚未獲得統一結論［6～7］。其中，有研究表明SPD對于非顏色視覺以及中央凹的敏銳度沒有影響［8～9］，也有研究表明SPD對中央凹視覺作業沒有影響，但當視覺作業超出中央凹或者偏離線上視覺時，則存在影響［9～10］。由于面部辨識視覺作業的復雜性，它可能同時存在線上視覺和周邊視覺。然而，在之前的面部辨識相關研究中，SPD對視覺作業的影響也存在不一致性。有兩個研究表明［11～12］，在夜間室外的真實照明場景中，SPD對于面部辨識沒有影響。其一研究表明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，而另一個研究的結果分析沒有發現金鹵燈和高壓鈉燈兩個場景下在統計學上的差異，并得出顏色信息對于面部辨識不重要。也有研究發現了SPD對面部辨識存在影響［13～15］，他們發現在黃光含量較少的光源下的面部辨識能力要強于黃光含量較多的鈉燈。

顯然，從這些研究中我們并沒有獲得SPD對面部辨識影響的統一結論。分析這些實驗方法，不難發現可能存在的原因［3，16］:(1)之前的研究只針對光源類型進行一定的比較，沒有針對具體的光源SPD進行分析，甚至在分析的時候忽略了光源顯色性的影響;(2)很多的研究在戶外進行，難以控制的戶外復雜環境因素，可能導致實驗中存在不穩定的“噪音”;(3)在實驗方法方面，被試以不同速度行進，使得移動過程中有效視野內的環境亮度在不斷變化;(4)在這些研究中，他們多選擇名人的二維照片作為視看目標，這與真實場景中三維的面部狀況差異較大。因此，我們需要重新梳理思路，提出更適合的實驗方法來進一步研究中間視覺條件下的面部辨識等問題。

2 面部辨識實驗

在室內建立面部辨識實驗場景，模擬步行道路照明的光照方式，讓被試在給定的4m距離條件下觀察位于步道燈前方的陌生人，通過改變該陌生人的面部垂直照度，獲得在不同SPD的LED光源下的面部辨識情況，從而了解LED光源的不同SPD對面部辨識能力的影響，場景見圖1～圖2。實驗中采用三種不同SPD的LED光源，并設置三種不同的環境亮度水平，共形成九個實驗場景。在每個場景中，改變面部垂直照度，讓被試依次說出以下兩種辨識程度的時刻，并記錄相應的垂直照度值:

(1)可以猜測被觀察者的面部特征;

(2)可以看清被觀察者的面部特征。

圖1 面部辨識實驗的實驗場景平面示意圖Fig.1 The scene plane schematic diagram in facial recognition experiment

圖2 面部辨識實驗的實驗場景Fig.2 The scene of facial recognition experiment

2.1 實驗光源

實驗用光源采用了Cree公司的 XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1和L2光源前分別增設了46.7°和15°的光學透鏡。實驗選用了三組不同色溫的LED，其具體參數見表1和圖3。

表1 2700K、4000K和6500K色溫LED光源的基本參數Table 1 The basic parameters of LED light sources with 2700K、4000K and 6500K

圖3 2700K、4000K、6500K色溫LED燈具的光譜能量分布Fig.3 The spectral energy distribution of LED lamps with 2700K、4000K and 6500K

2.2 實驗被試與被觀察者

在實驗設計中，選擇的被試具有相似的專業背景和相近的年齡段。所有的被試無色盲、色弱以及其他眼部疾病史，并經過眼科醫學的嚴格篩選。最終入組被試人數為23人，其中男性11人、女性12人，年齡為18～22歲。

實驗中采用真人作為被視看目標，相比較以往實驗中采用二維照片來說，更接近真實的視覺條件。考慮到人膚色、五官特征等的差異可能會帶來不同被試之間辨認結果的差異，故實驗中只選擇同一被觀察者參與實驗，并保證所有被試在實驗之前未見過該被觀察者。

2.3 實驗參數取值

實驗中采用常用的三種色溫，結合三個不同的路面平均照度環境進行實驗設計，共有九個場景。在每個場景中，改變被觀察者面部的垂直照明，被試依次說出不同辨認程度的時刻，并記錄相應的垂直照度。因此，在該實驗設計中，光源色溫、路面平均照度為自變量，被試獲得的不同辨認程度時的面部垂直照度為因變量。

2.3.1 LED光源的色溫

本實驗的目的是了解不同SPD特征的LED光源對于步行道空間中人的面部識別能力的影響。功能型白光LED主要是由藍光芯片激發黃色熒光粉的白光技術生成［17～18］，此類白光光譜特征呈現為雙波峰形態，即是藍光波峰與黃光波峰。因此，采用可見光光譜中小于500nm光譜能量的百分比［注］來表示SPD的特征［19］具有一定的可行性，但作為一個控制指標不具有易操作性。相同色溫的光源理論上可以具有不同的SPD，即同色異譜，但由于這種商業化的白光LED的制備方式，使其異譜間的差異不大，如果保證光源的顯色性相同，那么這個差異會更小。因此，當顯色指數一定時，采用光源色溫來表征LED光源的SPD特征是可行的。實驗中選用的光源相關色溫分別是2700K，4000K，6500K，其可見光光譜中小于500nm光譜能量的百分比分別為9.7%、21.4%、32.8%，它們對應的S/P值分別為1.12、1.66、2.16。

2.3.2 路面平均照度

環境適應亮度是影響中間視覺視覺特性的最重要指標，以往的中間視覺研究多采用較大的亮度范圍，但較低的環境亮度在實際照明應用中較少涉及，而且在真實場景中如何測量環境適應亮度還具有一定的爭議［20］。因此實驗中采用路面平均照度表征不同的環境適應亮度，而且相關取值是根據《城市道路照明設計標準 (CJJ 45－2006)》的3.5.1中人行道路照明標準值，并參考了國際照明委員會CIE115－2010、英國BS EN13201－2:2003、日本工業標準等推薦的步行道路照明水平照度，選擇具有代表性的三個地面平均照明值:5lx、10lx和20lx，其中5lx和20lx是現行國家標準中規定的人行道路平均照度最小和最大值。

注:國際黑天空協會 (IDA)定義了“富含藍光”白光的描述，通常來說是波長低于500nm的光。“富含藍光”的詞語經常涉及所有的白光類型。“富含藍光”與“富含黃光”(典型的是HPS)相對應，并包括不同藍光比例的光源。

2.3.3 面部垂直照度

面部垂直照度是本實驗很重要的變量。在每個實驗場景中，從零開始緩慢地遞增變化，模擬實際場景中由遠及近的視覺過程。在記錄面部垂直照度時，還記錄相應的半柱面照度值。雖然國家標準中未采用半柱面照度指標來控制環境照明，但CIE以及一些西方國家已采用這個指標，這個指標更能反映出面部光照分布的真實情況，但是實際應用的可操作性不強。

2.3.4 辨識程度

實驗設計中，引入辨識程度來測量面部辨識的能力。但是“可以猜測”和“可以看清”具有很強的主觀性，因此在被試參與實驗的暗適應之前，利用辨識卡向被試解釋如何判定兩種辨識程度，盡可能確保被試對兩種辨識程度認識的一致性，如圖4所示。

2.4 實驗順序設計

圖4 向被試者解釋兩種辨識程度的辨識卡Fig.4 The recognition cards of two recognition levels shown to the testers

在實驗設計中，LED光源的色溫、路面平均照度二個變量組合共有九個場景，實驗設計采用被試內設計方法 (within-subjects design)，對場景呈現順序采用平衡拉丁方設計 (Latin-square design)來消除或減弱由于位置效應、延續效應和差異延續效應等帶來的不利影響。因此，將被試隨機均勻地分成三組，進行三種實驗處理的平衡拉丁方設計。此外，不同路面平均照明場景間的切換時設計了足夠的適應時間，讓被試充分適應場景間不同環境亮度的變化。

3 實驗結果及分析

實驗獲得在兩個辨識程度時的垂直照度和相應的半柱面照度的均值以及標準偏差，見表2，數據分析采用IBM SPSS Statistics 20軟件。

表2 面部辨識實驗中不同辨識程度時垂直照度和半柱面照度的均值及標準偏差Table 2 Average value and standard deviation of vertical illuminance and semi-cylindrical illuminance of various recognition levels in the facial recognition experiment

經統計分析可知，地面平均照度總是對因變量(面部垂直照度值)具有統計學意義上的顯著性(p＜0.01)，且隨著地面平均照度的提高，因變量也相應的提高。這可能與在不同的環境適應亮度條件下的亮度對比閾值有關，在更高的亮度環境中，需要視看對象具有更高的亮度可能獲得相同的辨認程度。由光源色溫對因變量的統計分析可知，在路面平均照度為5lx時，色溫對因變量的影響是顯著的 (p＜0.05)，在其他兩個較高照度條件下則不具有顯著性。這種不一致可能與實驗中色溫的取值范圍較小有關，也可能與中間視覺的不同適應亮度環境下被激活的視網膜感光細胞種類和數量不同有關。但從均值的分析看，因變量總是隨著光源色溫的提高而提高。在三個路面平均照度條件下，在達到相同辨認程度時，2700K色溫下需要的垂直照度值均為最低，6500K色溫下則需要更高的垂直照度。這說明在相同的路面平均照度條件下，2700K更有利于面部辨識，相對來說6500K最不利，4000K次之，這個結論與以往研究結果不一致。從文獻［13～15］可知，以往的研究結論說明對于面部辨識視覺作業來說，熒光燈或金鹵燈等較高色溫的白光優于色溫較低的黃光鈉燈，但是這些研究中的實驗光源顯色性差異較大，黃光含量較多的鈉燈顯色性很低，而與其對比的光源顯色性較高。據此推斷，顯色性可能是面部辨識視覺作用中重要的因素，這一推論也與文獻 ［14］中顯色性有助于面部辨識的結論相一致。另外，這一結論還可能與被觀察者的膚色、LED光譜特性有關。中國人的膚色為黃色略帶紅色，而低色溫LED的SPD中黃光含量更多，這使得在低色溫條件下有更多的光被反射，也更有利于面部的辨識。

實驗也獲得了不同路面平均照度下，滿足面部辨識的面部垂直照度和半柱面照度等具體數值。如果不考慮色溫間的差異，在5lx路面平均照度的條件下，在4m的距離下，可以猜測陌生人面部特征時的面部垂直照度為0.92lx，相應半柱面照度為0.652lx，當達到可以看清的程度時的面部垂直照度為1.642lx，相應的半柱面照度為1.08lx。在10lx路面平均照度的條件下，可以猜測陌生人面部特征時的面部垂直照度為1.103lx，相應的半柱面照度為0.834lx，當達到可以看清程度時的面部垂直照度為1.856lx，相應的半柱面照度為1.283lx。在20lx路面平均照度的條件下，可以猜測陌生人面部特征時的面部垂直照度為1.518lx，相應的半柱面照度為1.236lx，當達到可以看清程度時的面部垂直照度為2.502lx，相應的半柱面照度為1.811lx。

4 結論

在中間視覺條件下，不同的適應亮度環境中，人眼視網膜中的桿狀細胞和錐狀細胞被激活的數量不同、三種不同光譜敏感度的錐狀細胞對于不同光譜環境刺激的應激反應的差異以及人眼的不同顏色視覺通道的差異等中間視覺條件下的人眼生理學特征，使得環境適應亮度和光源光譜都是影響中間視覺的重要因素。該實驗再次驗證了環境適應亮度對面部辨識的顯著性影響。實驗結果還說明在較低環境適應亮度時，光源色溫對面部辨識的影響具有顯著性，在較高時則不具有顯著性。但從不同色溫條件下可辨識的面部照度的均值存在差異，并顯示了一致的變化規律。該實驗獲得以下結論:

1)在室外功能性照明的一般亮度范圍內，環境適應亮度對面部辨識的影響具有統計學意義上的顯著性，并隨著該亮度的增加，獲得相同辨識程度時所需的面部垂直照度 (或半柱面照度)更高;

2)在路面平均照度為5lx的場景中，光源的SPD對面部辨識的能力具有顯著影響。在功能性照明應用中，當光源的顯色性一致時，藍光含量較低(可見光光譜中小于500nm光譜能量的百分比為9.7%)的LED光源對于面部辨識更有利，藍光含量較高的LED光源更不利;

3)實驗得出不同室外路面平均照度時，人臉面部辨識所需要的最低垂直照度 (和相應的半柱面照度)的數值。按照國家標準規定的地面平均照度在5lx時，實驗獲得的最低面部垂直照度為0.92lx(Esc=0.652lx)，10lx時為 1.103lx(Esc=0.834lx)，20lx時為1.518lx(Esc=1.236lx)。這個數值是保證夜間行人在看到陌生人并感受到可能存在的危險時，能做出逃離或者防御等行為的最小值。

［1］ IES.Recommended Lighting for Walkways and Class 1 Bikeways(DG-5-94) ［S］.Illuminating Engineering Society of North America，1994，1～7.

［2］郝洛西.城市照明設計 ［M］.遼寧科學技術出版社，2005，85～89.

［3］楊秀，郝洛西.光源光譜能量分布 (SPD)對行人視覺作業的影響研究回顧 ［J］.照明工程學報，2012，23(6).

［4］ vanBommel W.J.M.，Caminada E，Considerations of the Lighting of Residential Areas for Non-motorised traffic［C ］， CIBS national lighting conference， 1982，158～167.

［5］ S.A.Fotios，C Cheal.Lighting for subsidiary streets:investigation of lamps of different SPD. Part 2——Brightness［J］.Lighting Res.Technol.2007，39(3):233～252.

［6］ Fotios S，Cheal C，Boyce P.Lighting source spectrum，brightness perception and visual performance in pedestian environments:a review ［J］.Lighting Res.Technol.2005，37(4):271～294.

［7］ Fotios S， ChealC. Lighting forsubsidiary streets:investigation of lamps of different SPD.Part 1—Visual Performance ［J］.Lighting Res.Technol.2007，39(3):215～232.

［8］ Eloholma M，Halonen L，Setala K.The effects of light spectrum on visual acuity in mesopic lighting levels［C］，In Proceedings:Vision at Low Light Levels.Palo Alto CA:EPRI，1999.

［9］ Boyce P R，Bruno L D.An evaluation of high pressure sodium and metal halide light sources for parking lot lighting［J］.J.Illum.Eng.Soc.，1999，28:16 ～32.

［10］ He Y，Rea MS，Bierman A，Bullough J.Evaluating light source efficacy under mesopic conditions using reaction times［J］. Journalofthe Illuminating Engineering Society，1997，26:125～138.

［11］ Boyce PR， Rea MS. Security lighting:effects of illuminance and light source on the capabilities of guards and intruders ［J］.Lighting Res.Technol.，1990，22:57～79.

［12］ Rea M，Bullough J，Akashi Y.Several views of metal halide and high pressure sodium lighting for outdoor applications ［J］.Lighting Res.Technol.，2009，41:297～320.

［13］ Raynham P，Saksvikrlōnning T.White light and facial recognition.The Lighting J.，2003，68:29 ～33.

［14］ Knight C，Van Kemenade J，Deveci Z.Effect of outdoor lighting on perception and appreciation of end-users［Z］.College Station TX，United States:2007.

［15］姚其，林燕丹，陳文成.基于人體功效學評價新型金鹵燈在道路上的應用及其與高壓鈉燈的比較分析［C］.海峽兩岸第十四屆照明科技與營銷研討會，2007，92～103.

［16］ Fotios S， Raynham P. Correspondence:Lighting for pedestrian:Is facialrecognition whatmatters?［J］.Lighting Res.Technol.，2011(43):129 ～130.

［17］劉行仁，郭光華.低色溫 (3450～2700K)白光LED的發射光譜和色品質特性 ［J］.照明工程學報，2005，16(1):42～45.

［18］劉行仁，郭光華，林振宇 等.相關色溫8000～4000K的白光LED的發射光譜和色品質特性［J］.中國照明電器.2004(7):1～4.

［19］ International D A.Visibility environment and astronomical issues associated with blue-rich white outdoor lighting［R］.2010.

［20］ PuolakkaM.， CengizC.， LuoW.， HalonenL..Implementation of CIE 191 mesopic photometry-ongoing and future actions［C］.ProceedingsofCIE 2012‘Lighitngquality and energy efficiency'， Hangzhou，2012:64～70.