基于主觀評價實驗的汽車前照燈配光性能評估方法研究

王 瑋，林燕丹，卜偉理

(1.上海機(jī)動車檢測中心，上海 201805；2.復(fù)旦大學(xué)，上海 200433)

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基于主觀評價實驗的汽車前照燈配光性能評估方法研究

王 瑋1，林燕丹2，卜偉理1

(1.上海機(jī)動車檢測中心，上海 201805；2.復(fù)旦大學(xué)，上海 200433)

CIE188號技術(shù)報告發(fā)布了一套評估汽車前照燈配光性能的客觀計算方法，可用于前照燈配光性能的定量評估。開發(fā)了一套專用軟件，輔助實現(xiàn)此評估計算功能。此外，為了驗證該方法在中國的適用性，本文對四套前照燈的配光性能開展了主觀評價實驗研究，以探究主觀評價實驗結(jié)果與按照CIE188技術(shù)報告計算結(jié)果之間的相關(guān)性。實驗結(jié)果表明，CIE188號技術(shù)報告中的汽車前照燈配光性能評估方法可以實現(xiàn)不同前照燈配光性能之間的比較，但兩種方法得到的結(jié)果的相關(guān)性不顯著。

CIE 188技術(shù)報告；配光性能；定量評估；主觀評價

引言

世界各國對汽車前照燈的配光有嚴(yán)格的要求。我國采用ECE體系的標(biāo)準(zhǔn)，從1993年起陸續(xù)制定了汽車燈光國家強制標(biāo)準(zhǔn)[1]。根據(jù)光源類型，目前我國有3個汽車前照燈配光相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，分別是GB 4599—2007《汽車用燈絲燈泡前照燈》、GB 21259—2007《汽車用氣體放電光源前照燈》以及GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》[2-4]。這幾個國家標(biāo)準(zhǔn)的原理是定義汽車在安全制動距離內(nèi)的照度范圍。因此，按照國標(biāo)進(jìn)行前照燈的配光性能檢測，只能對前照燈配光合格與否進(jìn)行定性判斷，而無法對前照燈照明效果的優(yōu)劣進(jìn)行定量評價。

2010年，國際照明委員會(CIE)第四分部(照明與光信號分部)發(fā)布了188號技術(shù)報告“Performance Assessment Method for Vehicle Headlighting Systems”(機(jī)動車前照燈系統(tǒng)性能評估方法，在本文中簡稱CIE188報告)，詳細(xì)介紹了一套用于機(jī)動車前照燈系統(tǒng)配光性能評估的計算方法[5]。這套方法從路面照明程度及眩光控制兩方面，分別對前照燈的配光性能進(jìn)行定量評價。因此，按照此方法可以實現(xiàn)不同前照燈系統(tǒng)之間的配光性能比較。

但是，由于國內(nèi)外并沒有開放的能按照CIE188報告中規(guī)定的計算方法進(jìn)行計算的專用軟件。采用手工計算的方式不僅低效，而且容易出現(xiàn)錯誤。開發(fā)配套的計算軟件對研究的開展極其必要。因此，本研究開發(fā)了一套專用的前照燈配光性能計算軟件，用于實現(xiàn)CIE188報告中對前照燈的各個計算功能。此外，由于國內(nèi)還未有研究結(jié)果表明此方法在中國的適用性，本文還開展了一系列主觀評價試驗，研究使用CIE188報告中規(guī)定的方法計算得到的配光性能結(jié)果與被試主觀評價結(jié)果之間的相關(guān)性。

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)置

本文的研究分為兩部分。第一部分為軟件精度的驗證。通過將軟件輸出的地面照度值與LMT公司全自動燈具配光分析系統(tǒng)模擬的地面照度值進(jìn)行對比，達(dá)到軟件的精度的驗證。在第二部分，本文對4套前照燈系統(tǒng)(分別稱為A、B、C、D系統(tǒng)，光型圖如圖1所示)進(jìn)行主觀評價實驗，并將主觀評價實驗結(jié)果與按照CIE188報告中的客觀計算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，從而驗證CIE 188報告中前照燈配光性能評估方法的適用性。

圖1 待評估前照燈光型圖Fig.1 Plan view of the headlamps

1.2 前照燈配光性能計算軟件的功能

實驗室內(nèi)現(xiàn)有一套LMT公司的全自動燈具配光檢測設(shè)備，為國內(nèi)外許多檢測機(jī)構(gòu)使用的專用燈具配光掃描設(shè)備，如圖2所示。該設(shè)備可以根據(jù)事先設(shè)定的掃描精度，獲取在前照燈前方25米處垂直面上的照度值，具有高精度(Urel=5%，k=2)。在CIE188報告中規(guī)定了如圖3所示的前照燈配光數(shù)據(jù)的掃描方式。按照此掃描方式，在前照燈前方25米處的垂直配光屏幕上，每只近光燈(或遠(yuǎn)光燈)的左燈(或右燈)的原始掃描數(shù)據(jù)為111185個照度值。利用這些原始數(shù)據(jù)，本研究通過前照燈配光性能計算軟件完成以下計算步驟：

圖2 LMT全自動燈具配光分析系統(tǒng)Fig.2 LMT photometric testing system

(1)利用左燈和右燈各自的原始掃描數(shù)據(jù)，計算并合并成左右兩燈同時點亮?xí)r在前方25米處的垂直配光屏幕上的照度數(shù)據(jù)；

(2)將前照燈在25米處垂直配光屏幕上的照度值轉(zhuǎn)換為路面和離地任意高度水平面上的垂直照度值；

(3)利用插值方法，找到路面和離地任意高度水平面上的1lx、3lx和5lx照度點，并繪制成1lx、3lx和5lx等照度曲線；

(4)利用步驟(2)和(3)中獲得的數(shù)據(jù)和圖形，按照CIE188報告中介紹的配光性能計算方法，完成待測前照燈各個配光性能評估指標(biāo)的計算。

圖3 前照燈配光數(shù)據(jù)掃描精度Fig.3 Zones of test point matrices

1.3 主觀評價實驗任務(wù)

實驗在天黑之后進(jìn)行，從十九時持續(xù)到約次日凌晨一時。實驗中將場地周圍可控的照明燈具全部關(guān)閉，確保實驗的環(huán)境照度小于0.1lx。實驗場地為一片模擬真實道路的6車道道路(車道左右兩邊各有部分空地)，如圖4所示。每車道寬為3米，長約為200米。由于場地尺寸限制，遠(yuǎn)光燈實驗不便開展，本實驗僅對近光燈進(jìn)行研究。實驗過程中將近光燈按照實際裝車參數(shù)安裝在實驗固定平臺上，以模擬前照燈在整車上的實際照明效果，并固定在中間某一車道的中央(左右近光燈縱軸線通過車道)，如圖5所示。

圖4 實驗場地圖(左圖拍攝于14:00，右圖拍攝于20:00)Fig.4 Test site

圖5 實驗中前照燈在車道上的擺放位置Fig.5 The position of the headlamps on the road

1.3.1 實驗任務(wù)一：近光燈照射距離評估

如圖6所示為近光燈照射距離評估示意圖。實驗任務(wù)為被試對指定軸線上視覺目標(biāo)的探測(此處“探測”指被試可以發(fā)現(xiàn)視覺目標(biāo))。實驗中所使用的視覺目標(biāo)為深灰色的立方體，表面反射率為5%，邊長為400mm。視覺目標(biāo)出現(xiàn)位置在車道右側(cè)邊線及車道縱軸線上。實驗中采用由遠(yuǎn)及近逐步推進(jìn)的方式，從離車燈100米處開始讓被試進(jìn)行辨認(rèn)；若不能辨認(rèn)，則將視覺目標(biāo)向前推進(jìn)10米繼續(xù)辨認(rèn)，直至被試可以探測到目標(biāo)。該目標(biāo)與車燈的距離作為該近光燈的照射距離。為避免預(yù)期效應(yīng)，箱子推進(jìn)過程中用擋板遮住被試視線。

圖6 近光燈照射距離評估示意圖Fig.6 Passing beam range evaluation

為了固定被試的觀測眼位，整個實驗過程中被試需通過一塊觀察屏左側(cè)矩形方孔辨認(rèn)前方視覺目標(biāo)。觀察屏放置在車燈固定平臺后方0.5m處。觀察屏尺寸如圖7所示。

圖7 近光燈照射距離寬度評估實驗觀察屏Fig.7 View screen arrangement used for range and width evaluation

1.3.2 實驗任務(wù)二：近光燈照射寬度評估

如圖8所示為近光燈照射寬度評估示意圖。實驗任務(wù)為被試對指定距離處車道兩側(cè)視覺目標(biāo)的探測。被試對前照燈前方10m、20m、30m、40m和50m處車道兩側(cè)的視覺目標(biāo)進(jìn)行辨認(rèn)，可探測到的視覺目標(biāo)離車道縱軸線的距離作為該燈在此距離處的光束照射寬度。視覺目標(biāo)和觀察屏尺寸與實驗任務(wù)一中相同。

圖8 近光燈照射寬度評估示意圖Fig.8 Passing beam width evaluation

1.3.3 實驗任務(wù)三：近光燈迎面眩光評估

如圖9所示為近光燈迎面眩光評估示意圖。被試站在離車燈50m處的左側(cè)車道中央，通過屏幕觀察放置于離車燈10m處左側(cè)車道中央的視覺目標(biāo)，并按照De Bore評估量表(如表1所示)，評價在此觀測條件下車燈帶來的眩光感受。考慮到普通轎車、SUV車型和卡車等三種典型車輛駕駛員眼位的高度，實驗中將觀察孔設(shè)置成三排不同高度的孔，離地高度分別為950mm、1150mm和1500mm，如圖10所示。

表1 De Bore評估量表Table 1 De Bore rating

圖9 近光燈迎面眩光評估示意圖Fig.9 Passing beam opposing glare evaluation

圖10 近光燈迎面眩光評估實驗觀察屏Fig.10 View screen arrangement used for opposing glare evaluation

1.3.4 實驗過程

在實驗開始前，進(jìn)行如下的準(zhǔn)備工作：

(1)在實驗室內(nèi)用LMT全自動燈具配光分析系統(tǒng)對四套待測前照燈進(jìn)行配光數(shù)據(jù)的掃描，掃描精度按照CIE188文件中規(guī)定的精度。

(2)測量并記錄四套前照燈的實際裝車參數(shù)于表2中。

(3)根據(jù)表2中記錄的參數(shù)，在實驗室內(nèi)將四套待測前照燈進(jìn)行初始照準(zhǔn)。

(4)在實驗場地利用定位儀器，在場地上將實驗中需用到的點進(jìn)行定位，并用記號筆和反光標(biāo)識進(jìn)行標(biāo)記。

(5)根據(jù)表2中記錄的參數(shù)，將待評估前照燈安裝到固定測試臺。

(6)關(guān)閉實驗場地周圍所有可控照明設(shè)備，用照度計測量環(huán)境照度，確保小于0.1lx后再開始實驗。

(7)點亮近光燈，預(yù)熱10分鐘。

表2 前照燈裝車參數(shù)表Table 2 Installation data of the headlamps

完成上述準(zhǔn)備工作后，對四套前照燈按照實驗任務(wù)要求，完成照射距離、照射寬度和眩光三項評估實驗。整個實驗采用組內(nèi)設(shè)計。共有8名被試參與了本文實驗，每名被試均完成了四套前照燈的所有評估任務(wù)。這些被試年齡在21至35歲，具備大學(xué)本科及以上學(xué)歷。部分被試存在不同程度的視力近視，但通過佩戴眼鏡進(jìn)行視力矯正，使其視力達(dá)到1.0以上。所有參與實驗的人員均不存在色盲或色弱情況。

2 實驗結(jié)果

2.1 軟件驗證

本文的一個主要目標(biāo)就是驗證被試實際評估前照燈照射距離、寬度等指標(biāo)的分?jǐn)?shù)與按照CIE188報告中規(guī)定的方法進(jìn)行計算后的結(jié)果之間的相關(guān)性。后者的結(jié)果主要依賴于本文中開發(fā)的前照燈配光性能計算軟件。該軟件計算結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響本文的結(jié)果。因此，有必要對此軟件的精度進(jìn)行驗證。本文中主要通過前照燈配光性能計算軟件的結(jié)果與LMT全自動燈具配光分析系統(tǒng)的配套軟件LMT LIMES 2000計算的結(jié)果進(jìn)行對比，達(dá)到驗證目的。

2.1.1 光型對比

利用距離前照燈前方25米處垂直面上的照度值，結(jié)合車燈裝車參數(shù)，本文中開發(fā)的前照燈配光性能計算軟件和LMT LIMES 2000都可以通過計算地面照度值，模擬該燈在路面上的光型圖。如圖11所示為兩套近光燈在兩種軟件下模擬輸出的地面1lx，3lx和5lx等照度曲線光型圖。從這兩幅圖中可以看到，兩套軟件輸出的光型圖非常一致。

圖11 兩套軟件模擬輸出的地面1lx，3lx和5lx等照度曲線Fig.11 Light distributions of headlamps outputted by the aided software and LMT LIMES 2000 software

2.1.2 照度值的對比

為進(jìn)一步驗證軟件計算的地面照度值的精確性，本文對某套前照燈的配光數(shù)據(jù)用兩套軟件進(jìn)行計算，并隨機(jī)選取13個通過軟件計算得到的地面照度值，進(jìn)行兩套軟件下照度值的對比。兩套前照燈的計算結(jié)果如圖12所示。兩套軟件計算得到的地面照度值差值基本都在1lx以下，平均差值百分比約為6%。

圖12 兩套軟件輸出地面照度對比Fig.12 Vertical illuminance outputted by the aided software and LMT LIMES 2000 software

2.2 前照燈配光性能計算結(jié)果

利用前照燈配光性能計算軟件，本文計算了實驗中所用的四套近光燈的配光性能評估分?jǐn)?shù)，如表3所示。顯然，除眩光以外的評估指標(biāo)的分值越大，代表的配光性能越好。對這四套前照燈的配光性能計算結(jié)果(眩光除外)進(jìn)行Friedman檢驗，結(jié)果顯示這四套系統(tǒng)之間存在顯著差異(p=0.002)，且得分從高到低排列為C>D>A>B。可見，實驗中的兩套HID近光燈得分(眩光除外)比鹵素光源近光燈高。

表3 四套近光燈樣品配光性能計算結(jié)果Table 3 Results of photometric performance calculated by the software

2.3 主觀評價實驗結(jié)果

表4為是本次實驗主觀評價實驗的結(jié)果。同樣對除眩光外的評估指標(biāo)進(jìn)行Friedman檢驗，結(jié)果顯示這四套系統(tǒng)之間存在顯著差異(p=0.013)，得分從高到低排列為C>D>A>B；同樣兩套HID光源的系統(tǒng)分?jǐn)?shù)比兩套鹵素光源的系統(tǒng)分?jǐn)?shù)高。對眩光分?jǐn)?shù)進(jìn)行Friedman檢驗，結(jié)果顯示這四套系統(tǒng)之間不存在顯著差異(p=0.183)；但重復(fù)性檢驗結(jié)果顯示這三個觀測高度之間眩光評價分?jǐn)?shù)存在顯著性差異(p=0.008)。

表4 主觀評價實驗結(jié)果Table 4 Subjective rating scores

2.4 相關(guān)性分析

為了驗證CIE188報告中客觀計算結(jié)果與主觀評價結(jié)果之間的相關(guān)性，本文進(jìn)一步對兩種方法的計算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖13～圖15所示。從圖中可以看到，除眩光得分外，兩套方法得到的照射距離和照射寬度結(jié)果有較好的一致性。但是進(jìn)一步的pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，除彎道照射寬度的兩種結(jié)果之間存在顯著性相關(guān)性(p=0.019)，其余指標(biāo)的兩種結(jié)果之間的相關(guān)性并不顯著。

圖13 照射距離的計算結(jié)果與主觀評價結(jié)果對比圖Fig.13 Passing beam range-compassion of calculation and observation results

圖14 照射寬度的計算結(jié)果與主觀評價結(jié)果對比圖Fig.14 Passing beam width-compassion of calculation and observation results

圖15 眩光評估的計算結(jié)果與主觀評價結(jié)果對比圖Fig.15 Passing beam opposing galre-compassion of calculation and observation results

3 討論

3.1 軟件驗證

本文通過將前照燈配光性能計算軟件的計算結(jié)果與LMT全自動燈具配光分析系統(tǒng)的配套軟件的計算結(jié)果相比較，達(dá)到驗證本文開發(fā)的軟件的精度驗證的目的。從近光燈的地面配光光型對比圖來看，兩套軟件輸出的光型一致。進(jìn)一步比較兩套軟件計算的地面照度值時，兩種算法的結(jié)果存在一定的差異。可能的原因有兩種：第一，該軟件的開發(fā)中，對前照燈左右兩燈單獨的配光數(shù)據(jù)融合成同時發(fā)光的配光數(shù)據(jù)時對重疊部分僅作相加的方法，可能與LMT的軟件算法存在差異；第二，使用的插值方法不同。

3.2 客觀計算結(jié)果與主觀評價結(jié)果的相關(guān)性

本文的主要目的是通過以中國人為被試的主觀評價試驗，驗證CIE188技術(shù)報告中介紹的前照燈配光性能評估方法在中國的適用性。雖然CIE技術(shù)報告中的方法介紹了前照燈各項評估指標(biāo)的計算方式，但未規(guī)定通過多個評估指標(biāo)得到綜合分?jǐn)?shù)的方法。因此，本文的研究也未給每套前照燈一個綜合分?jǐn)?shù)。但是，依靠統(tǒng)計方法，仍然可以根據(jù)多個指標(biāo)分?jǐn)?shù)，總體評價四套燈的配光性能的優(yōu)劣。同理，主觀評價實驗結(jié)果也可通過統(tǒng)計方法，為四套燈的配光數(shù)據(jù)得分比較提供依據(jù)。

本文結(jié)果顯示，四套燈的配光數(shù)據(jù)，在未結(jié)合眩光分?jǐn)?shù)的情況下，兩種方法下的配光性能排序一致。但進(jìn)一步的相關(guān)性分析結(jié)果沒有表明這兩種方法的結(jié)果之間具有顯著的相關(guān)性。究其原因，可能與本文所采用的樣本量較小有關(guān)。在后續(xù)的研究中，應(yīng)增加樣本量，做進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

本文開發(fā)的前照燈配光性能軟件，可以用于CIE188技術(shù)報告中介紹的前照燈配光性能方法的計算，且能保證結(jié)果的精確性。此外，通過本文實驗，證明了CIE188技術(shù)報告中的前照燈配光性能計算方法可以用于不同前照燈配光性能的比較。此方法得到的比較結(jié)果與人對前照燈配光性能進(jìn)行主觀評價的結(jié)果一致。但兩種結(jié)果之間的相關(guān)性不顯著，仍然需要通過增加樣本量，進(jìn)一步驗證此結(jié)果。

[1] 黃佐賢. 現(xiàn)代汽車燈具[M].北京:長虹出版公司, 2003:290.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 4599—2007 汽車用燈絲燈泡前照燈[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 21259—2007 汽車用氣體放電光源前照燈[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 25991—2010 汽車用LED前照燈[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[5] CIE Central Bureau. Performance assessment method for vehicle headlighting systems[R]. Vienna：CIE,2010.

簡 訊

2015年4月2日，由中國照明電器協(xié)會、中國照明學(xué)會室外照明專業(yè)委員會、中國市政工程協(xié)會城市照明專業(yè)委員會聯(lián)合主辦的“2015中國道路照明論壇(第十一屆)”在廣東省中山市隆重舉行。此次論壇以“技術(shù)創(chuàng)新 質(zhì)量為先”為主題，市政管理專家、技術(shù)專家、建設(shè)方、道路照明設(shè)計師和道路照明生產(chǎn)企業(yè)等超過500名代表參加此次論壇，共同構(gòu)建全方位交流合作平臺。

Experimental Verification of Performance Method for Vehicle Headlighting Systems

Wang Wei1，Lin Yandan2，Bu Weili1

(1.ShanghaiMotorVehicleInspectionCenter，Shanghai201805,China; 2.FudanUniversity，Shanghai201805,China)

In order to evaluate the photometric performance of vehicle headlamps with a standardized, accurate and reliable method, the CIE 188 Technical Report specifies a set of certain methods to assess the photometric performance of vehicle headlighting systems. The assessment can be achieved with a self-developed software. Three subjective rating tasks were conducted to verify the rationality of the methods described in this report and the suitableness with Chinese subjects. The comparison between the results calculated according to CIE 188 Technical Report and subjective rating scores indicated there’s no significant correlation between the two methods. It is necessary to do further research on the methods described in this report.

CIE 188 Technical Report; photometric performance; evaluate; subjective rating

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目“汽車前照燈配光評價體系研究”(計劃編號：2013QK145)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.023