隧道環境下中間視覺模型的對比及應用

童孟勝，張 馳，張天航，錢登朝，康 誠，吳 珂

(1.寧海縣交通重點工程建設指揮部，浙江 寧波 315600；2.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058；3.溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000；4.寧海縣交通運輸局，浙江 寧波 315600)

隧道環境下中間視覺模型的對比及應用

童孟勝1，4，張 馳2，張天航2，錢登朝3，康 誠2，吳 珂2

(1.寧海縣交通重點工程建設指揮部，浙江 寧波 315600；2.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058；3.溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000；4.寧海縣交通運輸局，浙江 寧波 315600)

從視覺功效試驗參數角度出發，分析USP、S、MOVE、MES2等中間視覺光度學模型計算結果的差異及成因，并討論了各模型在隧道照明中的適用性。結果表明，在隧道中間段亮度水平范圍內，四種中間視覺模型獲得的亮度增益幅度為MOVE>MES2>S>USP。基于視覺功效的各中間視覺模型主要區別在于亮度適應系數x，有色差、高對比度和大偏心角的視覺任務會增大中間視覺函數Vm(λ)中暗視覺函數V′(λ)的權重；而無色差、低對比度和小偏心角的視覺任務會使得明視覺函數V(λ)的權重更大。隧道行車過程多為目標有色差、<5°偏心角和包含正負對比度的視覺任務，MOVE模型更適用于評價隧道中間段的人眼實際感受。

隧道照明；中間視覺模型；視覺功效試驗；光度學

引言

隧道照明、夜間道路照明等環境下，亮度水平一般在(1.0～4.5)cd/m2之間[1-2]，屬于中間視覺狀態，此時，以明視覺狀態為基準的傳統評價方法及指標難以準確反映人眼對亮度的感知能力[3-4]。因此，基于中間視覺光度學理論，對隧道照明進行合理設計與優化顯得尤為重要。

20世紀60年代以來，中間視覺光度學一直被國際照明委員會(CIE)、美國照明工程學會(IES)、中國照明學會(CIES)等國內外照明組織持續關注[5-6]。早期研究主要采用視亮度匹配法獲取中間視覺光譜光視效率函數[7]，但該方法難以解決中間視覺狀態下的相加性和顏色通道問題。近年來，以視標探測、辨認以及反應時間等視覺功效指標為基礎，建立描述中間視覺光譜光視效率函數模型的視覺功效法，被國內外學者所廣泛應用[8]，CIE為此專門設立了TCI-58技術委員會以促進該方向的研究[9]。目前，USP、S、MOVE、MES2是國內外主流的中間視覺光度學模型，對上述模型的合理應用已成為當前的研究熱點。文獻[10-11]分別基于S模型和MOVE模型，計算了不同光譜分布、s/p值的LED光源在中間視覺環境下的實際照明亮度，建立了隧道、夜間道路環境下的中間視覺亮度增益指標。文獻[12]分析了USP、MOVE、MES1、MES2模型的構建條件及亮度適用范圍，并對比了各模型中間視覺亮度修正隨明視覺亮度的變化規律，指出USP模型在低亮度范圍內的精度較高，而MES2模型則主要適用于高亮度范圍。應當指出，對基于視覺功效法的中間視覺模型，視覺功效試驗條件和環境參數是影響模型構建和適用性的重要因素，但已有研究鮮有從該角度對比分析各模型的特點與差異。

我們從視覺功效試驗參數角度出發，系統分析USP、S、MOVE、MES2等中間視覺光度學模型計算結果的差異及成因，并討論了各模型在隧道照明中的適用性。

1 基于視覺功效法的中間視覺模型

1996年，He等人首次嘗試以反應時間為指標建立中間視覺模型，Hurden A將這種建立中間視覺光度學系統的方法稱為視覺功效法(Performance-based method)[13]。2004年Rea等人基于He的研究，提出了USP模型[14]，其中間視覺亮度Lm計算式為

式中Lp為明視覺亮度，Ls為暗視覺亮度。

TCI-58技術委員會負責人Halonen聯合歐洲五所研究機構，分別進行有色差視標辨認視覺任務的功效試驗，匯總各自的試驗結果建立MOVE模型[15]，對應的Lm的計算式如下：

式中，V′(λ0)=683/1 699是暗視覺光譜光視效率函數V′(λ)在波長λ0=555 nm處的值，x為亮度適應系數。

2007年，Viikari[16]在MOVE模型的試驗基礎上進一步增加了無色差視覺任務，且綜合了MOVE和USP模型的中間視覺亮度范圍，將其定義為(0.005～5)cd·m-2，提出了MES2模型對MOVE模型進行修正，對應的Lm的計算式如式(3)所示。

式中，Lm,n通過迭代求解，n為迭代步數，常數a，b分別為0.767 0和0.333 4。

2008年，陳文成在荷蘭HUT照明試驗室(構建MOVE模型的五所研究機構之一)基于無色差視覺任務，進行了不同Lp和目標對比度C下的4組視覺功效試驗，并基于Lp=0.1 cd·m-2、C=0.1工況的Lm-Lp關系曲線建立了S模型[4]，其Lm的計算式如下：

式中，r為暗視覺與明視覺光通量的比值。

2 中間視覺模型差異性分析

盡管上述中間視覺模型的Lm計算式各不相同，但基于視覺功效法的中間視覺光度學研究，均將中間視覺光譜光視效率函數Vm(λ)定義為明視覺視效函數V(λ)和暗視覺函數V′(λ)的線性組合：

式中，k1(L)為Vm(λ)的歸一化函數。

應當指出，亮度適應系數x表征相同亮度條件下V(λ)所占的權重，其差異是不同中間視覺模型的主要區別。而造成x差異的原因在于各模型所基于的視覺功效試驗方法、條件和評價指標有所不同。其中，試驗條件是至關重要的影響因素之一。表1為各模型試驗參數匯總。

表1 視覺功效試驗參數Table 1 Visual efficacy test parameter

由表1可以看出，S、MOVE、MES2模型試驗參數的主要差異在于目標與背景是否有色差，而USP、S模型則在于對比度和目標偏心角。可見，目標背景色差、對比度和偏心角是影響視覺功效試驗結果的重要參數。

中間視覺模型對亮度水平的修正可采用亮度修正系數R表示[4]，如式(6)所示。

目標光斑的光譜分布與背景一致時稱為無色差的視覺任務，不一致稱為有色差。以4 079 K的LED光源為例，S、MOVE、MES2模型的x和R隨Lp的變化如圖1所示。

圖1 目標背景色差對x、R的影響Fig.1 Effect of background color difference on x、R

由圖1可以看出，隨著Lp的提高，x逐漸增大，R則逐漸變小，表明隨著環境亮度的提升，各模型的明視覺權重均逐漸提高，中間視覺亮度趨近于明視覺亮度。在隧道中間段亮度范圍內，相同Lp下，MOVE模型的x最小、R最大；S模型的x最大、R最小；MES2模型則介于兩者之間。可見，在相同的明視覺亮度下，S模型的明視覺權重更大，MOVE的暗視覺權重更大。當Lp=2 cd·m-2時，相比于S模型，MOVE模型的x降低了14 %、R由4.8 %提高到12.7 %。

結合表1和圖1可知，S、MOVE、MES2模型視覺任務的目標對比度、張角和偏心角較為一致，主要區別在于三者視覺任務的目標背景色差。相比于無色差的S模型，主要考慮有色差視覺任務的MOVE模型的x最小，R最大；MES2在MOVE的基礎上增加了無色差任務，從而使得x、R介于S模型和MOVE模型之間。可見，在中間視覺狀態下，無色差視覺任務會使得Vm(λ)中V(λ)的權重更大，有色差視覺任務會使得V′(λ)的權重更大。

圖2為S模型、USP模型x、R隨Lp的變化曲線。其中，S1、S2分別為S模型在C=0.1和C=0.15工況下的x、R-Lp關系變化曲線。

圖2 目標對比度、偏心角對x、R的影響Fig.2 Effect of target contrast and eccentricity angle on x、R

由圖2可以看出，在相同的Lp下，S1的x最大，S2次之，USP模型最小；各模型R值變化則與x相反。可見，在相同亮度水平下，S1的明視覺權重更大，USP的明視覺權重最小，S2則介于兩者之間。

結合圖2和表1可知，S1、S2和USP模型視覺任務的目標背景色差、張角均相同，目標對比度與偏心角有所差別。S1和S2視覺任務采用的目標偏心角均為10°，而對比度不同；USP模型的偏心角、對比度均較大，分別達到15°、2.3。在相同的目標偏心角下，相比于C=0.1的S1曲線，采用C=0.15視覺任務的S2曲線的x較小、R較大。相比于S模型，USP模型視覺任務的目標對比度更高、偏心角更大，x最小、R最大。可見，在中間視覺狀態下，高目標對比度、大偏心角的視覺任務會增大Vm(λ)中V′(λ)的權重，而低目標對比度、小偏心角視覺任務會使得V(λ)的權重更大。

3 隧道行車視覺特性

基于視覺功效法的中間視覺模型，視覺任務的目標背景色差、對比度、偏心角等參數均會直接影響x，進而影響模型對人眼真實感受亮度的評價。試驗參數與實際應用場景越匹配，則模型對該場景下人眼真實感受的表征越準確。

車輛在隧道行駛中，駕駛員的注視區間主要集中于正前方較遠處，且隨著車速的增大，注視區間位置逐漸前移[17]。以三車道隧道為例，路面寬度約為13.5 m。當行駛速度分別為40、72 km·h-1時，駕駛員注視位置約為車前183 m、366 m，此時駕駛員的視張角分別為4.7°、2.34°。由于視認目標均在視張角范圍內，因此駕駛員視認目標的偏心角應小于5°，且隨著車速提高、隧道寬度變小，目標偏心角將進一步減小。可見，隧道行車環境下，視覺任務的目標偏心角集中在5°以內。結合表1可知，相比于偏心角為15°的USP模型，基于10°偏心角視覺任務構建的S、MOVE、MES2模型顯然更貼合實際隧道駕駛環境。

此外，隧道交通事故中約60%為車輛追尾[18]。車輛紅色尾燈與隧道中間段白色(LED)或黃色(高壓鈉燈)背景存在較大的色差，準確辨識汽車尾燈等有色差目標是隧道行車過程重要的視覺任務。因此，基于有色差視覺任務構建的MOVE模型，理應更適用于評價隧道環境下駕駛員的人眼實際感受。

應當指出，除辨識汽車尾燈這類正對比度的視覺任務外，隧道行車還包括辨識碎石、拋灑物等負對比度障礙物[19]，而已有模型的視覺功效試驗均未考慮負對比度視覺任務。同時，當前模型的視覺任務目標偏心角均在10°以上，超出了隧道中駕駛員視認目標的視張角范圍(<5°)。因此，基于小偏心角(<5°)和正、負對比度的有色差視覺任務構建中間視覺模型，將更適用于評價隧道行車環境下的人眼實際感受。

4 結論

1)在隧道中間段亮度水平范圍內，本文討論的四種中間視覺模型獲得的亮度增益幅度為MOVE>MES2>S>USP。

2)基于視覺功效法的各中間視覺模型主要區別在于亮度適應系數x，而目標背景色差、對比度和偏心角等參數是造成x差異的主因。中間視覺狀態下，有色差、高對比度和大偏心角的視覺任務會增大Vm(λ)中V′(λ)的權重；而無色差、低對比度和小偏心角的視覺任務會使得V(λ)的權重更大。

3)隧道行車過程多為目標有色差、<5°偏心角和包含正負對比度的視覺任務，與MES2、S、USP相比，MOVE模型的視覺功效試驗參數與實際隧道環境更為匹配，更適用于評價隧道中間段的人眼實際感受。

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ComparisonandApplicationofMesopicModelsundertheTunnelEnvironment

TONG Mengsheng1，4，ZHANG Chi2，ZHANG Tianhang2，QIAN Dengchao3，KANG Cheng2，WU Ke2
(1.HeadquartersofNinghaiMajorTrafficProjectConstruction，Ningbo315600，China；2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China；3.WenzhouHighwayAdministration，Wenzhou325000，China;4.NinghaiTransportBureau，Ningbo315600，China)

The present research analyzes the differences between the luminance calculated using the USP，S，MOVE，MES2 model and its causes，as well as discusses the applicability of each model in tunnel lighting from the perspective of visual conditions.Results show that in the interior zone of the tunnel，luminance calculated by MOVE ranks the highest，followed by MES2 and S model，and USP ranks the lowest.The major difference among visual performance based systems is adaptation coefficientx.Meanwhile，visual tasks with chromatic，high contrast and large eccentricity can enhance the weight of photopic functionV(λ) in mesopic functionVm(λ)；while visual tasks with achromatic，low contrast and small eccentricity can strengthen the weight of scotopic functionV′(λ).The chromatic，eccentricity below 5 degrees，negative and positive contrast target is more frequently encountered in tunnel.Thus，MOVE model is more applicable to describe the actual vision in the tunnel driving environment.

tunnel lighting；mesopic models；vision function experiment；photometry

寧波市交通運輸科技項目(201702)，浙江省公路科技計劃項目(2016-2-7)

吳珂，E-mail：wuke@zju.edu.cn

O432

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.022