應用虛擬現實技術評價LED護欄燈用于道路照明的光品質

李文宜，紀雅婧，劉木清，沈海平

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

道路照明為道路使用者在夜間的出行活動提供了便利，提高了行人及行車的交通安全系數[1, 2]。道路照明所營造的光環境質量與光品質隨著照明光源的推陳出新不斷進步。近年來，LED作為路燈光源已廣泛地應用在道路照明，用于功能性照明的LED護欄燈就是其中的典型代表。LED護欄燈[3-5]指集成安裝在封閉式道路兩側防撞護欄上的LED燈具，其典型安裝高度在離地0.8～1.2 m范圍內。與傳統安裝在燈桿上的路燈相比，護欄燈與道路環境的集成度高、光的有效利用率高，并且其沿著道路兩側首尾相接的連續安裝方式為駕駛員提供了更好的邊界指示和方向引導；然而，接近路面安裝的方式不可避免地帶來新的應用問題。首先，這類LED護欄燈安裝的間距、高度比(即距高比S/H)通常在4左右[6]，這個參數決定了燈具必需是寬配光的設計方能實現照明標準所要求的路面照亮度均勻度；然而，護欄燈的安裝高度恰好落在一般轎車駕駛員的眼睛高度范圍內，寬的光束角會引起強烈的不舒適眩光，因此必須做截光設計。

對于這種照明方式營造的光環境，評價其照明質量和光品質將隨著燈具形式和應用的不斷創新而有所變化。傳統的照明效果評估工作大多是在現場實地進行，通過現場測量照度、亮度等關鍵指標，對照照明應用標準，判斷照明效果是否“合格”；少數具備條件的項目，會邀請體驗者到現場對光環境根據科學定義的語義量表給出主觀打分[7]，或結合實驗裝置做反應時間等客觀參數的測量[8-11]。現場實地的評估方式雖然能夠直接反應該項目的具體情況，但不足在于現場條件(如安全、調光條件等)限制了能夠使用的實驗手段和研究變量的調節范圍，難以支持科學完整的實驗設計以發現深層次的應用問題。因此，我們設計并搭建了一套基于計算機仿真模擬的虛擬現實實驗系統，用于實現沉浸式的光環境體驗，作為體驗平臺，得到體驗者對待評估光環境的主觀評價；并在時間和空間上精確復現測試場景中視目標的照亮度指標與空間位置以作為測量反應時間和探測率等客觀指標的專用設備，更全面客觀地為光環境評估提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

本研究涉及的實驗裝置全部安放在完全遮蔽光線的暗室中。實驗裝置如圖1所示，由定制的遮光箱、高動態范圍現實器、電腦主機和固定被試觀察位置的醫用頜托等幾個主要部件組成。這些主要設備被安放在實驗臺上，以方便實驗被試參與實驗。

圖1 實驗裝置

實驗中所用到的顯示器是FIMI-Philips 18′ SXGA (1280×1024)單色超高動態范圍顯示器，其顯示亮度范圍在0.0065 ～650 cd/m2。顯示器亮度的標定使用亮度計Photo Research Spectra Duo PR 680。在實驗中，被試者眼睛至顯示器屏幕的觀察距離被固定為750 mm，這一距離由頜托與顯示器屏幕的相對位置來固定。圖1為本實驗定制的遮光箱能夠完全遮蔽實驗室中除來自于顯示屏之外的干擾光線，進一步保證了實驗參數的準確性。

1.2 虛擬現實場景設計

本實驗所搭建的虛擬現實道路照明場景由兩個主要部分組成。一是光環境背景，體現典型的護欄燈照明應用現場，背景中的路面亮度及其均勻度為實驗的控制變量；二是探測目標，其出現的位置和時間受計算機程序控制，通過計算分析被試在同一光環境下正確探測視目標的探測率，從視覺功效的角度來評價照明質量。

圖2 護欄燈應用工程實拍和實驗中呈現的虛擬現實場景

如圖2所示，光環境背景中的道路表面，其平均亮度(Lave)和亮度均勻度(Ul)是主要的實驗變量。在路面亮度圖像的設置中，以呈正弦函數變化的灰度階梯來填充路面區域形成路面明暗交替的條紋，條紋的局部亮度用亮度計加以測量，優化調整圖像在實驗裝置中的亮度分布盡量接近現實情況。條紋的亮度分布設置見圖3。為模擬汽車駕駛員駕車行駛中所觀察到的道路照明效果，光環境背景中的路面亮度條紋以對標40 km/h的速度勻速滾動變化。

圖3 實驗場景的路面亮度條紋設置

場景中所出現的探測目標為等R/G/B值的灰度填充的矩形，其尺寸是根據實際道路中可能出現的行人的典型高度設定的。當探測目標的R/G/B值設置在2，對應用亮度計標定后的亮度值為0.2 cd/m2。實際實驗中的探測目標亮度分5檔，分別對應亮度0.34、0.36、0.4、0.43 cd/m2和0.46 cd/m2。探測目標在被試者視場中出現的位置也是被實驗考察的變量，相對于設定的中央注視點，探測目標可能出現在2° 與10°視場角位置，分別對應于被試的中央視覺與周邊視覺區域。在呈現的每幅實驗場景中，探測目標僅可能有一個，出現位置或在中央注視點左側或右側。為預防被試的誤報，在實驗過程中隨機設置了沒有探測目標的空場景。

1.3 實驗設計

本實驗考察的自變量為路面的平均亮度(Lave)、亮度的縱向均勻度(Ul)以及探測目標出現的位置(P)；因變量為被試觀察并正確發現探測目標的正確率(Rc)，具體定義為正確探測的數量與實驗場景呈現的總數的比值。其中，對于場景中無探測目標的準確匯報計入正確匯報數目。測試的變量等級為3級，分別對應亮度標定后的亮度值1、4和16 cd·m-2；Ul亦分三檔測試，分別為0.2、0.4和0.6；探測目標位置分兩檔，對應2° 和10°視場角。

本實驗一共邀請了22位志愿者參加，其中12位為男性，10位為女性。他們的平均年齡為29.6歲，年齡標準差為2.5。被試在實驗前經過視覺篩選，篩除了色盲的對象。在參與實驗的全程，被試被要求保證矯正視力1.0以上。

每次實驗僅有一名被試參與。實驗具體流程如下：首先，由實驗操作人員向被試者詳細介紹實驗背景和實驗方法；在被試就位并同意開始實驗后，關閉實驗室燈光，進行20 min的暗適應；在暗適應過程中，實驗員會向被試展示實驗場景，探測目標并解釋操作要求，在暗適應完成后，被試者會完成一套與主實驗相似的練習組實驗以確保完全理解實驗操作過程。

在正式實驗中，探測目標會疊加在光環境背景上出現。探測目標出現的時刻，實驗系統會發出“嗶”的提示音，被試者被要求當看到探測目標時，按下鍵盤的方向鍵以匯報“探測到目標”的時刻，出現在中央注視點左側的探測目標，用鍵盤“←”匯報，出現在中央注視點右側的探測目標，用鍵盤“→”匯報。當被試聽到提示音但沒有探測到視目標，用“空格”鍵匯報。

2 實驗結果

以探測正確率為因變量，路面平均亮度、亮度均勻度和探測目標位置為自變量，整理實驗結果數據如圖4所示。可見，被試對視目標的探測率在中央視場范圍(2°)高于周邊視場(10°)，特別是在低亮度場景中，這一差別更為明顯。另外，隨著視目標自身亮度的增加，對應的探測正確率數值分布上趨于收斂。這一趨勢反映了視目標自身亮度越高，越容易被觀察到。

圖4 視目標探測率隨實驗參數的變化 (為均值；為中位數值)

為了分析平均亮度和亮度均勻度對視目標探測的影響，我們使用了IBM SPSS Statistics 20軟件的方差分析(ANOVA)處理實驗數據。在SPSS軟件設置中，將探測正確率(Rc)設為因變量(dependent variable), 平均亮度(Lave)、亮度均勻度(Ul)和視目標位置(P)設為自變量，探測目標亮度(LT)設為協變量。分析結果顯示，平均亮度(F=20.403, df=2,p<0.001)、亮度均勻度(F=769.211, df=2,p<0.001)、視目標位置(F=47.513, df=1,p<0.001)、視目標亮度(F=880.561, df=4,p<0.001)以及被試個體(F=3.661, df=21,p<0.001)均對目標探測的正確率有顯著影響，并且平均亮度與被試個體間有顯著交互作用(F=5.748,p<0.001)，也就是說被試對視目標的成功探測率與視目標在視野中出現的位置相關，不同的被試個體間亦存在著顯著的差異。對于平均亮度對視目標探測率的影響，本研究選擇使用了ANOVA分析中的post-hoc函數，分析中將正確率設為因變量，Lave作為變量，軟件分析結果顯示在測試Lave與Rc負相關(F=36.29, df=2,p<0.001)，即

Rc(Lave=1) >Rc(Lave=4) >Rc(Lave=16)

這與一般理解正好相反。我們分析原因，這有可能是由于路面區域的亮度形成的光幕亮度疊加在視目標上，降低了視目標和其周邊背景的對比度所致。因此，對于LED護欄道路照明，路面平均亮度并非越高越好。

對于路面背景亮度均勻度的分析，同樣使用了post-hoc ANOVA，將探測正確率(Lave)設為因變量，亮度均勻度(Ul)作為變量。分析結果顯示Ul與Rc正相關(F=31.17, df=2,p<0.001)，這一結果可用下式表示：

Rc(Ul=0.2)

這說明提高路面亮度均勻性對保障駕駛安全性有幫助，然而，我們也發現均勻度為0.6和1的兩種情況下的視目標探測率不存在顯著差異，因此也不需要無限度地提高亮度均勻性。

3 總結與展望

本研究主要通過虛擬現實構建的道路照明場景進行實驗被試對視目標探測率的測定，研究了亮度和亮度均勻性水平對道路視目標檢測的影響。數據分析得出的主要結論是，實驗中模擬的亮度(Lave)和縱向均勻性(Ul)影響了實驗參與者的視覺性能。在LED護欄燈的具體道路照明應用中，宜將道路表面平均亮度水平設定在1 cd/m2左右,與一般道路照明的亮度要求大致相同；道路表面的縱向亮度均勻度宜定在0.6，過高地追求亮度及其均勻度并不能相應地提升道路照明質量。

亮度的縱向均勻性(Ul)高，被試對視目標的探測率也高。這一結論與Walthert[12, 13]在1973年和1975年的相關研究Ul結果相一致，其實驗發現實驗對象對視目標的探測速度隨U1的下降而降低。本實驗同時揭示了當Ul高于0.6之后，其數值的進一步增加對視目標的成功探測率并無幫助。這一結論從應用的角度看來，有其合理性：當路面的亮度均勻度高于一定閾值時，均勻度的提高將不會帶來整體照明質量的提升。這一點同樣得到Scott[14]和Jackett[15]相關研究結論的支持。特別的，Jackett[15]基于新西蘭全境機動車碰撞事故統計分析(2006—2010)的統計數據是對本研究的一個很好的補充。除此之外，本實驗對比了被試在2°和10°視場的視覺靈敏度，驗證了人的視覺靈敏度在中央視場區域高于周邊視場區域。

本實驗為LED護欄燈的規范化應用提供了設計和評估參考，更重要的是我們嘗試了將虛擬現實照明光環境體驗應用在照明效果評估上并得到了量化的光品質描述，為照明應用研究提供了新的研究手段和實驗方法。我們還將在后續的研究工作中進一步完善虛擬現實光環境模擬平臺，實現真正的沉浸式體驗效果并努力復現現實場景中光刺激量的絕對強度和正確分布。