LED光源的光譜能量分布(SPD)對步行空間障礙物探測的影響研究

楊 秀，郝洛西，林 怡

(同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

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，從而躲避危險、減少犯罪，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，對步行空間內障礙物的探測也與機動車道內不盡相同。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。有研究說明機動車道內的光源SPD對于小目標物體的可見度與探測具有一定的影響，這些研究多采用反應時間這一指標來衡量[3-5]，然而人行道路與車行道路中的視覺作業完全不同，相對于反應時間來說，人行道路內的障礙物探測率更為重要。有研究采用室內抽象的實驗裝置的方法來研究障礙物探測的問題，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[6]。 但是，該實驗的照明場景忽略了步行空間內照明方式與光分布特點等因素，而且光源的S/P值不足以準確描述光源的SPD，特別是當LED光源漸漸取代傳統光源而被大量應用于城市照明時更為不準確。因此，針對LED光源室內模擬照明場景下障礙物探測的實驗值得開展，采用符合步行空間照明特點的研究方法，探討LED光源SPD對人行道路照明場景中的障礙物探測影響[7]。

1 實驗設計

在室內實驗場景中，模擬步行道路照明的光照方式。讓被試觀察正前方距離4m遠處的觀察點，并在三分之一秒[6，8]的場景探測后，說明探測到的不同偏離角度的障礙物情況，如圖1～圖2所示。目的是了解不同SPD的LED光源對于障礙物探測的影響。在不同的SPD光源和地面平均照度條件下，實驗人員在不同位置放置障礙物，讓被試觀看觀察點時說出是否探測到障礙物的存在及大約位置。

注：S為被試；L1為模擬場景提供照明，光源相關色溫分別是2700K，4000K，6500K；觀察點為白色紙質圓點。圖1 障礙物探測實驗場景平面示意圖Fig.1 The plan of experiment scene for obstacle detection

圖2 障礙物探測實驗的實驗場景Fig.2 Experiment scene for obstacle detection

1.1 實驗光源

實驗用光源采用了XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1光源前分別增設了46.7°光學透鏡。實驗選用了三組不同SPD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 parameter of LED with 2700K，4000K，6500K CCTS

注：表中的L1-1，L1-2，L1-3代表三個不同SPD的L1光源。

1.2 實驗被試

在實驗中，選擇的被試具有相似的專業背景和相近的年齡段。經過眼科醫學的嚴格篩選，所有的被試無色盲、色弱以及其他眼部疾病史。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。

1.3 實驗裝置

1.3.1 障礙物探測裝置

障礙物探測裝置主要用于控制被試在三分之一秒內探測障礙物，并保證所有被試在相同位置進行實驗。該裝置包括裝置平臺、下顎托架、可旋轉視線擋板、場景擋板、障礙物以及視察點等，詳見圖4。

圖3 2700K、4000K和6500K色溫LED光源的光譜分布圖Fig.3 Spectral power distribution of LEDs with 2700K,4000K,6500K CCTS respectively

注：1為裝置平臺；2為下顎托架；3、4、5為可旋轉視線擋板；6為場景擋板；7為被試；8為障礙物；9為觀察點。圖4 障礙物探測裝置示意圖Fig.4 Schematic drawing of installation for obstacle detection experiment

裝置平臺主要用于將被試抬高，使被試在坐姿的狀態下，眼部的高度達到150cm，以模擬人站立時眼部的高度。

下顎托架用于控制被試眼睛視看的位置，通過該托架微調被試眼部的高度位置，使眼睛與“3”的位置達到預設狀況，僅可以看到觀看點，而無法看到其正前方障礙物，并且保證被試在所有的實驗場景中保持相同的位置。

可旋轉視線擋板是該裝置最重要的部分之一，通過滑輪實現對場景中障礙物的探測，如圖4中，在實驗開始前，實驗操作人員將“5”舉起至水平位置，此時“3”正好遮擋被試視線，讓其僅能看到觀察點，而不能看到障礙物，當實驗開始后，放開“5”，讓其在重力的作用下轉變為豎直狀態，此時遮擋被試視線的擋板變成了“4”，而在此轉變過程中，保證被試的視線觀看障礙物的時間為三分一秒時間，實驗過程分解見表2。三分之一秒時長的測量通過視頻拍攝的方法加以確定和控制。

場景擋板：實驗照明場景切換時，用該擋板遮擋被試的視線。同時，操作人員按照隨機的方式放置障礙物于相應的位置。

障礙物：一個灰色的立方體盒子作為實驗探測的障礙物，以模擬實際場景中類似地磚等凸起障礙物。

視察點：視察點為紙質白點，位于被試正前方，與其前方障礙物位置的水平距離是15cm，距離地面高度也為15cm。實驗開始前后被試始終保持觀看該觀看點，并探測視野內障礙物的存在與否。

表2 障礙物實驗裝置在實驗中的不同階段圖示Table 2 Schematic drawing of installation for obstacle detection experimental status

1.3.2 障礙物及位置

在本實驗中采用凸起的障礙物做為探測目標。結合前期對步行道路的實際調研情況，選擇了5cm(h)×10cm×10cm的方形障礙物，其表面材料反射率為0.24。障礙物的擺放位置，如圖1所示，選擇了五個位置，與視線方向水平夾角依次為0°、10°、15°、20°、30°。此時，而與被試觀看視線的實際夾角依次為2.5°、9.7°、14.3°、19°、28.5°。實驗中被試將接受所有的五個位置的實驗處理，其呈現順序采用抽簽法隨機出現。

1.4 實驗參數取值

實驗中采用三種色溫光源，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。因此，在該實驗設計中，光源色溫、路面平均照度為自變量，被試獲得的對障礙物探測的準確率為因變量。

1.4.1 LED光源的色溫

商業化的功能型白光LED主要是由藍光芯片激發黃色熒光粉的白光技術生成[9-10]，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。根據“富含藍光”白光概念的描述，即采用可見光光譜中小于500nm光譜能量的百分比來描述LED光源的SPD特征[11]。這個定義描述的SPD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，但由于商業化的白光LED的制備方式使其異譜間的差異不大，如果光源的顯色性相近，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特征具有一定的可行性。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%，對應的S/P值分別為1.12、1.66、2.16。

1.4.2 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，然而較低的環境亮度在實際照明應用中涉及較少，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[12]。因此，實驗中采用路面平均照度表征不同的環境適應亮度，相關取值根據《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度水平，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值和最大值。[13]

1.5 實驗順序設計

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額外變量。[14]

2 實驗結果與討論

該實驗的目的是判斷光源SPD對障礙物探測的影響程度，且實驗設計中，設置了五個探測角度。數據分析不僅需要討論不同色溫條件下整體探測準確率的影響，還要分別討論五個探測角度條件下光源色溫對于探測準確率的影響。在分析不同角度的判斷準確率時，視軸上的障礙物最容易判別，偏離角度越大的障礙物越難以判別，因此分析中對不同的角度增加了難度系數。分析中采用數學建模的方法建立了5個障礙物的難度系數，從而建立判斷障礙物的準確指標(取值越接近1越好)。數據分析采用IBM SPSS Statistics 20軟件。

2.1 實驗數據

障礙物探測實驗獲得在不同色溫和地面平均照度條件下，障礙物探測的準確率均值及標準偏差等數據結果，見表3所示。

表3 不同色溫對障礙物探測的準確率均值及標準偏差Table 3 Mean of accuracy rate and standard deviation for obstacle detection under different CCT scenes

2.2 色溫對障礙物探測的影響

分析光源色溫對障礙物探測的影響可知(見表4)：在5lx的地面平均照度下，光源色溫對判斷障礙物的準確率有一定的影響(P值接近0.05)；在10lx時，光源色溫對判斷障礙物的準確率有顯著的影響(P值<0.05)；在20lx時，光源色溫對判斷障礙物的準確率有非常顯著的影響(P值<0.01)。因此，步行道路照明中光源色溫對障礙物探測的影響具有統計學意義，這一結果與以往的研究結論一致。

表4 光源色溫對障礙物探測影響的分析結果Table 4 Analysis results of the impact of CCT to obstacle detection

從均值的分析可知，隨著光源色溫的提高判斷障礙物的準確率也會提高，即高色溫的光源對于障礙物的探測更有利，如圖5所示。在地面平均照度為5lx時，光源色溫的提高使得探測率有較為明顯的提高，在10lx和20lx時，色溫越高對于探測也越有利，但是在4000K提高到6500K時，探測準確率的提高幅度很小，甚至隨著照度提高到20lx時幾乎沒有變化。因此，LED光源的色溫越高，即光源SPD中500nm以下的藍光的含量越高，障礙物探測的能力就越強。

圖5 不同地面平均照度場景中探測準確率隨著色溫的變化情況Fig.5 Detectivity with the change of CCT under experimental scenes with different average illuminance of ground

2.3 色溫對不同角度時的探測能力影響

在5lx、10lx、20lx地面平均照度時，不同光源色溫條件下各探測角度判斷障礙物準確率，見圖6～圖8。從圖中可知，在探測角度為0度和10度時，無論在5lx、10lx或20lx的地面平均照度下，不同色溫對探測準確率都沒有影響，而且準確率幾乎達到100%。但在大于15度，色溫對障礙物探測的影響有差異，探測角度越大，影響越明顯，而且色溫越高探測準確率也越高。一定程度上說明光源色溫對線上視覺沒有影響，對于周邊視覺有影響，而且隨著探測角度的變大，色溫的影響作用越明顯。這說明在實際的場景中，高色溫更有利于提高對路面障礙物、周邊行人或者其他存在潛在危險物體的探測。

圖6 5lx條件下各探測角度的準確率Fig.6 Accuracy rate of each view angle under 51x

圖7 10lx條件下各探測角度的準確率Fig.7 Accuracy rate of each view angle under 10lx

圖8 20lx條件下各探測角度的準確率Fig.8 Accuracy rate of each view angle under 20lx

3 結論

中間視覺條件下，不同視覺作業涉及人眼視網膜中不同的感光細胞，不同的照明場景下被激活感光細胞的種類和數量也不盡相同。視網膜上的感光細胞隨著偏離視軸的角度，錐狀細胞迅速減少，桿狀細胞漸漸增多，特別在20度左右時桿狀細胞數量最多，障礙物探測的視覺作業主要依靠人眼的周邊視覺，該視覺作業主要與被激活桿狀細胞的分布與數量有關。[7,15-16]人眼的這些生理特征解釋了一些實驗結果，即隨著探測角度的增大，色溫對障礙物的探測影響越大，而且色溫越高障礙物探測能力越強。實驗結果一定程度上也說明了色溫對桿狀細胞有影響，而對錐狀細胞沒有影響。該實驗獲得以下結論：

(1)在步行空間照明中，色溫對障礙物探測的影響具有統計學上的顯著性。且隨著光源色溫的提高探測障礙物的準確率也提高，即6500K色溫的LED光源對于障礙物的探測最有利，4000K次之，2700K最不利。這一結果說明LED光源SPD中500nm以下藍光的含量越高，越有利于障礙物的探測；

(2)探測角度越大，色溫的影響作用越明顯，而且色溫越高探測準確率也越高。一定程度上說明光源色溫對線上視覺沒有影響，對于周邊視覺有影響。在探測角度為0度和10度時，無論在5lx、10lx或20lx的地面平均照度下，色溫對探測準確率都沒有影響，但在大于15度時，色溫對障礙物的探測有影響，探測角度越大，影響越明顯，而且色溫越高探測準確率也越高。

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