第十四屆全國運動會游泳館競賽場地照明指標研究

孫 晴，王德煒

(1.西安建筑科技大學建筑設計研究院，陜西 西安 710055;2.陜西體育場館協會，陜西 西安 710086)

引言

近年來，隨著我國對體育產業的大力推進，具備較高規模與等級的體育場館也展現出穩步增長的建設需求。與此同時，滿足國際比賽并兼顧綜合性賽事應用需求的競賽場地照明成為了體育建筑電氣設計中的重點與難點。相較于早期的體育建筑，“第十四屆全國運動會”場館建設中的體育場館具有造型復雜、功能多樣、標準較高等特點，這對于體育場館建筑中的場地照明選擇與設計是新的挑戰。本文以TV轉播國家、國際級比賽的游泳館為研究載體，研究總結此類競賽場地照明技術指標。針對JGJ 153《體育場館照明設計及檢測標準》中關于泳池照明系列控制性參數開展進一步研究，對于因結構、建筑、設備等空間局限造成的非標準型馬道和新型光源選擇、設計、評估提供方法。

1 游泳館概述

1)游泳館分類。游泳館按規模(坐席數量)區分可分為：小型、中型、大型、特大型。游泳館按體育建筑等級分類可分為丙級(舉辦地方性、群眾性運動會)、乙級(舉辦地區性和全國單項比賽)、甲級(舉辦全國性和單項國際比賽)、特級(舉辦亞運會、奧運會及世界級比賽主場)。游泳館(池)按功能可分為設有看臺的競賽館作為游泳、水球、跳水等項目競賽和表演之用；具有游泳設備可設少量觀摩席，一般不設看臺的訓練館供運動員訓練用；室內公共游泳池、家庭泳池等。本文基于國際標準比賽泳池體育工藝規格研究滿足國際級游泳競賽要求的場地照明。

2)國際標準競賽游泳池規格。主賽區泳池長度為50 m,泳池寬度為25 m(10泳道)，安全區為繞泳池2 m范圍帶，總賽區為54 m×29 m。水深要求大于或等于1.8 m。比賽泳道寬為2.5 m。泳道間的分道線用浮標線分掛在池壁兩端。每泳道中心線上的出發臺，臺面臨水面前緣高出水面500～700 mm，傾向水面不超過10°。本文研究對象為50 m×25 m泳池，池深2.2 m，10條泳道。

2 馬道位置

體育場館馬道設置在場館頂部用于承載照明、擴聲、電力電纜、通訊電纜、橋架、線槽，以及懸掛部分空間吸聲體。同時，馬道還承擔設備安裝和維保操作、通行保障等作用。然而，體育場館馬道設置因受到建筑、結構、水暖等專業復合影響，其位置及形式是體育建筑技術中的重點及難點。

根據近幾年來的工程情況反饋來看，游泳館馬道的設置存在很多不合理之處：離邊線太近；高度過低；達不到場地照明對眩光角度的限制要求，造成嚴重眩光；馬道太短使比賽場地兩端底線位置幾乎沒有垂直照度，或照度很低等[1]。實際上，游泳池馬道的布設原則是以馬道下懸掛的場地照明燈具為最重要制約因素。因此泳池照明燈具的布置是確定馬道位置的前提。根據游泳運動屬性分析，泳池周邊2 000 mm區域內其水平及垂直照度的參考計算平面應為水面上20 mm處，即水面(±0.0 mm)上200 mm處平面。以圖1中25 m寬泳池燈光投射剖面為例。

泳池寬25 m，池水深2 200 mm。以兩側泳池外2 000 mm為燈光最大范圍瞄準點。考慮對泳池長邊側觀眾席的眩光影響因素，近泳池側馬道燈具瞄準至泳池遠邊外2 000 mm之間的夾角，遠泳池側馬道上燈具瞄準至泳池近邊側的夾角為瞄準角控制范圍。雙側雙馬道布置中，近泳池側馬道位置以泳池邊緣側為起始位置，當基于擴大照明計算平面(泳池側外擴2 000 mm)為照明計算對象時，近泳池側馬道可位于至少水平離開泳池中心14 500 mm的距離，可根據結構因素增加近泳池側馬道距離泳池中心線的距離，但以最大利用光源效率的目的衡量，14 500 mm位置具有能效優勢。因此，水面(±0.0 mm)上垂直距離13 723 mm為馬道燈具懸掛最低點。如圖1所示，本文擬定馬道底最高高度為水面(±0.0 mm)上22 200 mm(馬道高度無受限要求，但點光源產生點照度遵循距離平方反比定律。在光源光強一定的情況下，過分增加光源與照度計算點的空間距離必然會折損不必要的光源效能)。以圖1為例，A為近泳池側馬道懸掛燈具位置，應為水平離開泳池中心14 500 mm，并在垂直方向上具有8 477 mm的靈活布置空間。B為遠泳池側馬道懸掛燈具位置，應為水平離開泳池中心20 806～24 759 mm的三角形陰影區域，并在垂直方向上同樣具有8 477 mm的靈活布置空間。

3 照明指標研究

3.1 照明指標分類

根據JGJ 153《體育場館照明設計及檢測標準》中對于游泳館場地照明標準的指標有6個等級規定。具體參數如表1所示。

表1 游泳館場地照明標準值

表1中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級照明標準均針對無轉播要求的場地；Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ級照明標準是電視轉播要求下的場地照明標準。其中，非轉播要求時僅具有水平照度Eh，及其最小照度與最大照度之比U1和最小照度與平均照度之比U2的參數要求。當場地攝像轉播時，主攝像機方向垂直照度Evmai，輔攝像機方向垂直照度Evaux，及其各自的U1，U2均具有嚴格參數要求，而在此條件下，水平照度已具備相關參數要求，因而無具體參數描述。當然，水平與垂直照度的衡量是以確定計算參考計算平面為前提的。

①～⑥共六項場地照明指標中，①指標針對現場運動員、裁判員、觀眾等可視角度出發，其主要控制標準是為現場競賽及觀賞提供必要的照明條件為出發點，當然，對于轉播質量也有至關重要的影響因素。②和③號指標針對電視轉播質量角度出發，以垂直照度值來衡量轉播質量條件。對于④⑤⑥指標，其參數是選擇場地照明光源的重要指標。

3.2 場地照度

對于體育場館而言，光源距離計算點的距離與光源尺寸相比要大的多，可將體育場館專用投光燈視為點光源。以游泳館馬道懸掛某投光燈S(x,y,z)為例，其對位于照度計算參考水平面(X，Y)平面上的某點P(xp,yp,0)的各方向照度如圖2所示。

圖2 投光燈對某點照度

馬道于馬道空間內光源S(x,y,z)，其中心光強線在水平面上的瞄準點為T(xt,yt,0)。空間中光源S與其瞄準點T的方位角Φ和仰角θ分別為：

(1)

(2)

(3)

則瞄準點T與P點偏差角γ=Ф′-Φ

(4)

空間中，光源S中心光強線至P點的水平偏移角α為

(5)

而光源S中心光強線至P點的垂直偏移角β為

β=θ′-θ

(6)

其中

(7)

至此，空間內投光燈S(x,y,z)至空間內X，Y平面上某點P(xp,yp,0)的光強值I(α,β)可通過前述計算后由光源光通分布圖查得。

光源S中心光強線換算至直角坐標系垂直方向與P點夾角，即P點入射角度為

(8)

因此，空間內光源S(x,y,z)在P(xp,yp,0)點產生的水平照度Eh和入射方向的垂直照度Ev分別為

(9)

(10)

對于安裝多盞投光燈的游泳館，其計算水平面上的水平照度為

(11)

而其垂直照度因入射方向的迥異，歸算至空間X軸垂直照度Evx=EvsinФ′和Y軸垂直照度Evy=Ev·cosФ′進行計算，即

(12)

(13)

因此，照度均勻度為

(14)

(15)

(16)

垂直照度歸算至直角坐標X、Y軸后衡量具有現實意義，對于具有轉播要求的泳池，攝像機的位置具有專業規律。游泳池主攝像機設置在平行于泳池縱軸的主看臺上。與游泳者平行的跑動攝像機跟隨游泳者的運動。游泳池輔攝像機設置在泳池兩端用來拍攝起跳和轉身。因此，垂直照度歸算至直角坐標系后的數值與場地攝像成像質量息息相關。

3.3 場地攝像

目前，“第十四屆全國運動會”電視轉播以高清轉播為設計標準，同時甲級、特級體育場館設計預留4K高清轉播的基礎條件。同樣尺寸的高清攝像器件成像面積比標清的小；同時高清攝像機其成像像素數增多，每個像素更小，導致其靈敏度相較標清下降；另外，高清攝像機鏡頭的景深要比標清的景深小。基于以上原因，較之標清、高清攝像機轉播技術，需要拍攝的景物表面照度更為嚴格[2]。

垂直照度是被照亮區域運動員三維影像立體感優劣的重要指標。電視轉播攝像機的方向范圍內的垂直照度及垂直照度的均勻度都對電視轉播質量產生較大影響。現代競賽運動項目轉播中，攝像機根據所拍攝的景物的不同，具有更加細致的分類，以表2中某游泳館競賽轉播攝像機機位表為例[3]。如表2中的高標準HDTV轉播級游泳比賽攝像機分類所示，其具體位置如圖3所示。

圖3中，泳池轉播主攝像機分布于觀眾臺，輔攝像機分布于起始、終點岸側。在空間中大多數攝像機機位瞄準角正交于照度計算參考平面的X,Y軸線處。光照條件不好時，高清攝像機拍攝對焦困難，需要增加光圈，導致景深變得更小。惟一的解決辦法就是增加景物照度，使用合適的光圈，保證對焦的方便、快捷。

表2 游泳館競賽轉播攝像機機位

圖3 HDTV轉播級游泳比賽攝像機位置

目前，游泳館競賽場地照度計算及測量大量采用網格法，如表3所示。

表3 游泳館照度計算及測量網格[4]

圖3中50 m×25 m泳池根據表3中國標要求以網格化劃分區域，其水平照度計算及檢測點以表示，同時垂直照度計算及檢測點以●表示。

實際上，以水平照度與垂直照度評價照明效果在大多數的公共建筑(影劇院、體育場館等)中并非理想評價指標。這些場所若采用空間照度或垂直面照度來評價更具有意義。平均球面照度計算更多強調空間內某點半徑為r的假象小球表面上的平均照度，是光源在空間某點小球面上的亮度立體角積分。平均柱面照度與此類似，是指空間內一個假象小圓柱體側面上的平均照度。限于篇幅，關于多種照度計算及評價方法，本文不再展開說明。

3.4 場地照明光源

1)顯色指數。光源的顯色指數(CRI),其定義為：待測光源照明下的物體顏色和參考光源物體顏色的符合程度。CIE以14種顏色作為“測色法”的顏色實驗樣品，如圖4所示。

圖4 顯色指數樣品圖塊

CRI指數表達了顏色樣品在待測光源照射下與參考光源照射下的顏色符合程度。光源對9～14種顏色樣品中某一種顏色樣本的顯色指數稱為特殊顯色指數Ri,根據在參照光源下和待測光源下各個實驗色的色差ΔEi，計算出光源特殊顯色指數[5]:

Ri=100-4.6ΔEi

(17)

而其中1～8實驗色用于一般顯色指數Ra的計算：

(18)

顯色指數目前是評價人工光源還原物體顏色能力的一種方法。游泳館場地照明Ⅳ和Ⅴ級要求Ra=80，Ⅵ級要求R9=90。而針對采用LED光源的Ⅵ級游泳館而言，其特殊顯色指數要求R9=20。體育照明行業中，R9(飽和紅色)的重要性越來越高。R9越高證明其光源照射出來的效果更為逼真、鮮艷。直觀感受可以通過游泳館內人員眼中五星紅旗的顏色觀察出來，R9值較低，鮮艷的五星紅旗往往會呈現橘色。當然，上述CRI對于色彩還原度的評價隨著近年來白光LED技術的飛速發展，越來越顯得局促。除此之外的CQS(color quality scale)選用15個高飽和度色塊，在計算色差ΔEi和計算特殊顯色指數時做了改進。事實上，CRI是針對人眼對光源色的感知程度的描述，而TLCI(television lighting consistency index)是針對攝像機對照明環境中色彩還原表現能力的描述。TLCI是由歐洲廣播聯盟(European Broadcasting Union)提出，并在電視轉播方面應用，其目的是為了描述在攝像機上得到正確的顏色表現而需要的色彩校正情況，同樣用0～100的數值表示，但兩者之間反映在顏色的敏感曲線和峰值都有不同。關于其他顯色指數評價計算，并非本文研究重點，因而不再過多探究。

2)相關色溫。在任何波長下能夠全部吸收任何波長的輻射的物體被稱之為絕對黑體，隨著絕對黑體加熱溫度的升高，按照普朗克計算出在各種溫度時的相對應光譜功率分布轉換成CIE1931色度坐標，絕對黑體不同溫度的色光變化在CIE1931色度圖上形成的弧形軌跡，稱為黑體軌跡。某一光源的色度與絕對黑體輻射在某一溫度下的色度一樣，則這一溫度稱之為某光源的色溫，而現實中的光源光色在色度圖上往往不能準確地落在絕對黑體軌跡上，因而用光源與黑體軌跡相近的顏色來確定該光源的色溫，即相關色溫。目前所有的LED產品所標示的色溫都為相關色溫。以圖5為例，圖中直線是等相關色溫線，弧線是黑體軌跡線。可以看出不同的色坐標也可以有相同的相關色溫。因此色坐標與色溫是一對多的關系，相同的色溫有不同的色坐標，相同的色溫能夠產生不同顏色的視神經感官，繼而引入色容差概念。

圖5 光源色度圖

目前國標要求游泳館Ⅰ—Ⅴ級場地照明要求光源為4 000 K,Ⅵ級則為5 500 K，但不能大于6 000 K。其相關色溫的要求在感官上正好符合自然光在一天之內的上午變化范圍。8:00之后的自然光大致在4 000 K(暖白光)左右，12:00左右大致為5 000～6 000 K(日光色)。

3)色容差。游泳館場地照明當采用LED光源時，其同類光源的色容差是有國標要求的。通常應用白光LED照明場合，要求光源盡量具有一致的光譜或至少相同或接近的色品。這種相同或相近要求包括對同廠家同批次、同廠家不同批次、不同廠家的產品。

色容差是表征光源光色檢測時的色坐標值與標準光源色坐標值之間差別。數值越小，準確度越高。根據MacAdam提出的橢圓直角坐標系方程[6]，以色容差來描述偏離標準顏色的色差的可察覺性，其計算如下：

(19)

式中，橢圓系數g11，g12，g22根據確定參考色坐標(xc,yc)的不同而異。以歐盟ErP指令(EU)No.1194/2012指令為例，其規定的標準顏色光源的色品坐標目標值如表4所示。

表4 歐盟ErP標準顏色光源色品坐標及橢圓參數

表4中，根據橢圓參數a、b、θ值，可以計算橢圓系數如下[7]：

(20)

(21)

(22)

據此，選定的參考色坐標點橢圓參數與色容差可知。

目前，歐盟ErP指令1194/2012,色容差≤6SDCM；能源之星ANSI C78.377，色容差≤7SDCM；JGJ 153—2016規定體育場館當采用LED燈時，選用同類光源的色容差≤5SDCM。

4 結論

本文以建設中的“第14屆全國運動會”游泳館為研究載體，通過對比不同標準在游泳場館競賽場地的照明參數，深入研究此類照明各項控制型指標的計算、設計及評估的標準與方法。研究表明，符合國際、國內單項游泳比賽標準TV高清轉播級的游泳場地照明在馬道設置、照度計算、光源選擇中都具有嚴格參數要求。其中，光源的選擇更需要從顯色指數、相關色溫、色容差三個方面進行計算及評估。當然，根據最新的CIE報告及相關論文研究表明，對于光源顏色有多種數學描述方式；對于光照投射景物作用于視覺神經的色反饋也同樣存在各種評估模型算法描述，如何構建最為優化的數學模型，有待繼續深入的研究。