光源光色對明視覺功效影響的模擬實(shí)驗(yàn)研究

黃 彥，楊春宇

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

1 人眼視覺機(jī)制中的光色因素

1.1 視覺感光機(jī)理

人眼在視看時(shí)，外界刺激通過角膜、房水、晶體及玻璃體到達(dá)視網(wǎng)膜，視網(wǎng)膜上的錐狀及桿狀感光細(xì)胞與雙極細(xì)胞、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞及水平細(xì)胞等構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通路，把刺激初步處理為神經(jīng)沖動，并由視神經(jīng)傳送到丘腦的外側(cè)膝狀體(LGN)，最后到達(dá)大腦視覺區(qū)域，如圖1 所示。

圖1 人眼視覺感知流程

錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞有著不同的視覺功能，錐狀細(xì)胞在明視覺條件下起主導(dǎo)作用，而桿狀細(xì)胞則主要在暗視覺條件下起作用。桿狀細(xì)胞對光刺激敏感度高，沒有顏色感應(yīng)，只能分辨粗略輪廓;錐狀細(xì)胞具有較高輪廓分辨率，按所含視色素的不同吸收特性而分L、M、S 三種細(xì)胞，其共同作用產(chǎn)生了對顏色的感覺。

基于現(xiàn)代顏色視覺理論，不同的錐狀感光細(xì)胞對外界刺激進(jìn)行選擇性吸收，而每一種感光細(xì)胞亦可以單獨(dú)產(chǎn)生明暗(黑白)反應(yīng)，在感受器這一水平符合楊-赫姆霍爾茲三色學(xué)說;神經(jīng)沖動在傳輸過程中，則三色反應(yīng)重新組合成三組拮抗神經(jīng)反應(yīng)，這與赫林四色學(xué)說相符合，視覺過程的最后階段發(fā)生在大腦皮層的視覺中樞，使人產(chǎn)生明暗及顏色感覺，對刺激的明暗感受與顏色的感覺過程是相互交織的。

1.2 光色與視覺功效

早在20 世紀(jì)初，G.Wald 等人用顯微光譜光度計(jì)對人眼視感細(xì)胞的測量表明，除明度響應(yīng)外，還存在大量波長選擇性響應(yīng)的視覺細(xì)胞。Zerenner 等人對無顏色拮抗的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞進(jìn)行過光譜響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與明視覺V(λ)曲線吻合，而顏色拮抗細(xì)胞的刺激實(shí)驗(yàn)表明，該類細(xì)胞光譜響應(yīng)與目前廣泛應(yīng)用于光度計(jì)量的明視覺視感曲線有明顯區(qū)別。

由于LGN 能很好地表示傳遞到視皮層的信息特性，De Valois 對LGN 進(jìn)行了光譜響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)，分為明暗與顏色拮抗兩組測試，同樣考慮了顏色拮抗的光譜感受性曲線與非顏色明暗相應(yīng)曲線有較為明顯差異，可見光刺激中顏色通道對人眼光譜感受性的作用是存在的。因此，在評價(jià)和研究人眼視覺閾限、敏銳度等相關(guān)的視覺功效時(shí)，光色因素對光譜感受性的影響不能忽略。

2 結(jié)合光色因素的視覺功效評價(jià)

2.1 研究視覺條件范圍的確定

在明視覺條件下，錐狀細(xì)胞由于自身光譜響應(yīng)特性而具有顏色識別能力，而主要在暗視覺條件下發(fā)揮作用的桿狀細(xì)胞感光度較高但無色彩響應(yīng)。不同的光感受器對刺激有分類的感應(yīng)，三類錐狀細(xì)胞在選擇性吸收刺激后，經(jīng)由神經(jīng)節(jié)細(xì)胞處理的過程是復(fù)雜的反應(yīng)過程。近年來學(xué)術(shù)界逐漸開展了針對中間視覺條件下人眼感受性的研究，這些成果中對光色因素的影響情況并沒有更多的定論。

由于暗視覺基本為桿狀細(xì)胞作用，可近似看作無色彩響應(yīng)，因此研究亮度水平條件的選擇范圍為明視覺及中間視覺。中間視覺為兩種光感細(xì)胞共同作用，且隨著亮度水平的變化，兩種細(xì)胞在視覺過程中作用的比例也會相應(yīng)發(fā)生變化，導(dǎo)致中間視覺光感受性的多變和復(fù)雜，因此，文章確定的主要亮度范圍為明視覺條件。

2.2 評價(jià)及研究方法

在已有的視覺功效研究當(dāng)中把明暗水平作為識別障礙物的主要影響因素，而采用不同光源照明的光色影響則包含于綜合的視覺響應(yīng)過程中，國內(nèi)某研究機(jī)構(gòu)曾在文獻(xiàn)中提出“道路及隧道照明中，亮度對比是識別對象的主要因素，顏色對比則為輔助因素，且有色與無色的人眼視閾幾乎相等”，但此觀點(diǎn)并沒有具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，也沒有光色對視功能影響的具體分析。

視覺功效法是較為成熟、完善的視覺評價(jià)方法，從國內(nèi)外已有研究成果來看，反應(yīng)時(shí)間、視銳度或探測法等，都是直接對各類視覺功能響應(yīng)做出的評估，即解決了顏色通道效應(yīng)及相加性等問題。同時(shí)人的響應(yīng)結(jié)果也包含了各種心理因素的影響，反應(yīng)時(shí)間法是運(yùn)用較為成熟的綜合性評價(jià)手段，在國內(nèi)外相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用于道路照明等領(lǐng)域。文章主要通過反應(yīng)時(shí)間測定來研究光源光色對視覺功效的影響。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

模擬在相同視覺條件(背景、環(huán)境)下，不同光色對視覺敏感度的影響，即加入色彩因素，并利用被測者對目標(biāo)物視看的反應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果來描述視覺功效。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

對實(shí)驗(yàn)測試條件、色彩數(shù)量及被試者數(shù)量等方面進(jìn)行了一定限制，其主要目的是為了提高測試方法的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)選擇明視覺條件，即環(huán)境亮度、屏幕背景亮度水平高于3 cd/m2，可以測定目標(biāo)彩色、背景彩色或目標(biāo)背景都是彩色的視覺情況，本次實(shí)驗(yàn)是目標(biāo)彩色的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。

(1)實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)暗室中進(jìn)行，自編程序可對背景、目標(biāo)物的色彩參數(shù)、亮度參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如圖3 所示。

(2)顯示終端(CRT 屏幕、LCD 屏幕或高清投影儀等)表面光度及色度參數(shù)通過輸入界面確定后，還需亮度色度計(jì)對其表面進(jìn)行標(biāo)定，以確保輸入值與實(shí)際測試結(jié)果的一致性。

(3)被試人員一般為視力正常或經(jīng)矯正到正常視力范圍內(nèi)的狀態(tài)，自然端坐于顯示終端前，視距調(diào)整以眼部能舒適、完整地觀看為準(zhǔn)(根據(jù)終端尺寸不同而有所區(qū)別)，頭部為裝置所固定(下顎托架)，防止因頭部移動等因素造成的誤差。

圖2 復(fù)雜視看條件人眼功效模擬測定實(shí)驗(yàn)簡圖

圖3 自編程序數(shù)據(jù)輸入及目標(biāo)物視看界面

(4)顯示終端顯示背景。目標(biāo)物在自編程序運(yùn)行后隨機(jī)出現(xiàn)(出現(xiàn)時(shí)間、位置等參數(shù)不定)，如圖4 所示，在明視覺條件下，分3 組對比度，采用5 種光譜色的目標(biāo)組合來進(jìn)行實(shí)驗(yàn);彩色目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)中，背景設(shè)定為灰色(為盡量避免色彩對比效應(yīng)的影響)，在特定的對比度條件下，亮度相等的目標(biāo)以5 種光譜色在背景上隨機(jī)出現(xiàn)(目標(biāo)出現(xiàn)色相種類可以任意添加設(shè)定，不同色彩的目標(biāo)亮度通過調(diào)整亮度因素Y，并用BM-5 亮度計(jì)測試來對屏幕顯示亮度進(jìn)行標(biāo)定)。

圖4 采用色彩還原度較高的CRT 顯示器為顯示終端的實(shí)驗(yàn)

(5)當(dāng)被測試人員視覺適應(yīng)背景后，模擬測試開始，當(dāng)目標(biāo)物隨機(jī)出現(xiàn)，則自編程序開始計(jì)時(shí)，觀察者看到目標(biāo)后按鍵，計(jì)算機(jī)記錄反應(yīng)時(shí)間RT，選定的8種光譜色當(dāng)中每種光色分3 種對比度隨機(jī)出現(xiàn)5 次，6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)觀察者共2 880 組數(shù)據(jù)。

8 種光譜色名稱、波長及對應(yīng)色坐標(biāo)均按CIE(1964)10°視場匹配函數(shù)，如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)選用8 種光色對應(yīng)色度坐標(biāo)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

每個(gè)觀察者對每種顏色的測量結(jié)果采用均值的方式得到不同對比度條件下的平均反應(yīng)時(shí)間，如表2觀察者編號為1 的測試結(jié)果所示。

表2 觀察者1 在不同對比度條件下相同亮度彩色目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間(RT)均值

由表2 可見，在亮度指標(biāo)(cd/m2)相同的條件下，人眼對不同色度參數(shù)目標(biāo)物的視覺功效是有差異的。

把衡量所有觀察者不同對比度反應(yīng)時(shí)間的響應(yīng)時(shí)間RT 再進(jìn)行綜合平均處理，如圖5 所示。

圖5 不同對比度觀察者的總平均反應(yīng)時(shí)間(RT)

由圖5 可看出，在波長約560 nm 處不同的對比度RT 曲線均出現(xiàn)了峰值，兩側(cè)呈現(xiàn)越靠近短波及長波端越小的趨勢，也就是反應(yīng)速度越快，表示視覺功效越優(yōu);從不同C 曲線之間來看，視覺功效與對比度呈一定的正比例關(guān)系，這也與可見度等相關(guān)視覺功能研究所得出的結(jié)論相符。

如果參照衡量視覺感受性的參數(shù)光譜光視效率V(λ)的確定方法進(jìn)行歸一化，可得到基于本次測試結(jié)果的明視覺色彩視覺功效曲線的粗略圖形(曲線精度與測試光色數(shù)量有關(guān))，如圖6 所示，以實(shí)驗(yàn)中視覺功效最優(yōu)處(400 nm)為最大值。

圖6 基于本次測試結(jié)果的明視覺色彩視覺功效曲線

受實(shí)驗(yàn)?zāi)M測試亮度范圍、樣本、測試人員數(shù)量限制，同時(shí)測試方法以及計(jì)算機(jī)程序誤差都會降低所得數(shù)據(jù)的可信度和精度，在測試方法確定后，應(yīng)當(dāng)逐漸嚴(yán)格要求實(shí)驗(yàn)條件，不斷在實(shí)際操作中對測試方法進(jìn)行改進(jìn)和完善。

5 小 結(jié)

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明，在明視覺條件下，采用類似的視覺功效法來研究色彩與人眼視覺功能的關(guān)系是可行的，光色因素會對視覺功效產(chǎn)生影響，且色彩視功能曲線與傳統(tǒng)的視覺感受曲線V(λ)呈現(xiàn)出較大的差別，所以在人工照明或自然采光環(huán)境中進(jìn)行視功效評價(jià)時(shí)，無論從光譜響應(yīng)、視覺機(jī)理及心理物理等方面考慮，都應(yīng)當(dāng)加入光色的影響，光色因素是對傳統(tǒng)視覺感受性研究的重要補(bǔ)充，也能更精確反映人眼視覺功效的要求，本文實(shí)驗(yàn)所建立的測試方法及測試結(jié)果處理，均可為光源光色與視覺功能研究在明視覺、中間視覺領(lǐng)域的開展和深入提供參考和指導(dǎo)。

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