中間視覺條件下亮度對視力清晰度影響的“E”方法測定

關雪峰 趙海天 胡姍姍

(深圳大學建筑與城市規劃學院，深圳 518000)

引言

道路照明設計從最初以照度作為標準，到后來采用照度和亮度雙重指標體系，因為駕駛員直接感受的是路面亮度而不是照度，而照度設計標準沒有被完全摒棄是因為其在降低人行道的交通事故，減少犯罪危害，促進城市夜晚活動等方面有長［1］。但隨著對道路照明理論和實踐的深入研究，亮度設計標準也具有一定的缺陷，它主要考慮三個因素:路面的反射特性、燈具的光分布和燈具或燈桿的幾何布局，它沒有考慮路面上物體與背景的亮度變化及二者的對比度。實踐證明這些因素對于道路照明至關重要:Box在研究了紐約 Syracuse地區城市街道的時候發現該地區的夜間事故率和道路照明水平呈現出一個“U”形的曲線，即在一定水平上增加照明水平將使夜間事故率下降，但下降到某一最低值后，增加照明水平反而會使夜間事故率提高［2］;Scott在英國做了類似的研究，發現亮度均勻度增加反而提高了閾值，使目標物變得更難發現［3］。于是提出可見度①可見度就是指能看到和辨認出目標物的輪廓和形體的難易程度。客觀上說，就是看物體的清晰程度。設計方法以彌補亮度設計的不足之處。目前國際上普遍采用小目標可見度STV作為可見度設計標準評價指標，小目標可見度設計方法能綜合反應路面上目標物表面亮度Lt、緊鄰的背景亮度Lb、目標物與背景亮度對比度②亮度對比度C:是目標物表面亮度與背景亮度的差與背景亮度的比值，即C=△L/Lb=(Lt—Lb)/Lb。等影響因素［4］。但STV的函數表達式相當復雜，且只有在一些假設的前提下，才能表達成實用的計算式;而且對于小物體具體尺寸和表面反射系數的選擇理由不夠充分［5，6］。這對于想了解亮度與視力清晰度的關系，是不利的。因此本文的作者設計了一個簡單、能直觀反映人視力感覺效果的實驗，探尋目標物亮度、背景亮度、△L以及亮度對比度C對視力清晰度的影響。

在日常生活中，眼睛的視力評價、駕駛員的視力考試都是通過“視力表”來檢驗的。“視力表測試”通常是在一定的條件下，利用視力表來測試人眼分辨物體的能力等級。其優點在于能正確地表達視力和視力的增減幅度［7］;可以對所測視力結果進行比較和統計學處理［8］，這對于所測數據進行回歸分析是十分必要的;視力表的幅面、格式、視力測量的方式都有統一的國家規范標準，因此保證了實驗的可靠性。由此可見，視力表可以作為評價可見度的一種客觀尺度。本文的實驗便是利用“視力表”這一評價尺度，在模擬的中間視覺①中間視覺:按照國際照明協會規定，亮度水平在幾個cd/m2以上的視覺叫明視覺，亮度水平在10－3cd/m2以下的視覺叫暗視覺。介于明視覺和暗視覺之間的叫中間視覺，其亮度水平范圍為0.001～3cd/m2，道路照明是其中最典型的例子。條件下，探尋亮度與視力清晰度之間的關系。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗目的

在模擬的中間視覺條件下，探尋目標物亮度、背景亮度、△L以及亮度對比度C對視力清晰度的影響，并從中尋求出視力清晰度等級變化規律。

1.2 實驗條件

光學實驗室

佳能450D單反相機:像素1200萬

國家標準對數視力表 (GB 11533－1989)

單向調壓器:動態范圍0～250V，全自動交流穩壓器;

XYI－Ⅲ照度計:動態范圍0.1～100klx，儀器精度 ±4%

XYL－V全數字亮度計:動態范圍0.1～100kcd/m2，儀器精度 ±5%

白熾燈:功率100W，光效7～19lm/W，色溫2800K，顯色指數95～99Ra

1.3 背景亮度與目標亮度對比分類的確定

圖1

視力表中黑色“E”字定位目標物，目標物周圍的白色區域 (白紙)定位背景。目標物與背景相互獨立，自由調節，按灰度劃分，共分成0～255個亮度級。為了節省工作量，以及對亮度級中灰度差級的把握，將255個亮度級分為四個大等級:Ⅰ級(對應的灰度是0)、Ⅱ級 (對應的灰度是85)、Ⅲ級 (對應的灰度是 170)、Ⅳ級 (對應的灰度是255)，為了方便說明，用 (α，β)表示，α表示目標物灰度等級，β表示背景灰度等級。α∈ {0，85，170，255}，β∈ {0，85，170，255}，將這些灰度等級作用在目標物和背景之上，共產生12組灰度等級。如圖2，3。

2 實驗方案

2.1 實驗校正

此實驗誤差主要來自目標顯示誤差。目標顯示誤差是由目標物亮度和其周圍臨界的背景亮度的分布均勻性決定的。為了技術上便于計算，在小視角情況下通常假設背景亮度是緊鄰目標物上下邊界的中點的亮度平均值［9］。因此在實驗準備階段需要對目標背景亮度分布均勻性進行校對實驗:選取目標物的中點和四周的角點，測量并記錄其亮度值 (如圖5)。然后繼續調節光源亮度，重復以上操作5次。為了計算亮度測量誤差的大小，采用樣本標準差S來衡量:

圖2 正對比

圖3 負對比

式中:Li——第i次亮度測量值;

樣本標準差S計算結果如圖5所示。

表1 不同電壓下不同測點的亮度變化

圖4 實驗方案示意圖

圖5

從表1可以看出，標準差值很小，因此變動性很小，平均數的代表性很大。屏幕的亮度分布比較均勻，達到實驗要求。

2.2 實驗步驟

整個實驗分為兩部分，第一部分實驗根據不同背景灰度等級分為四個階段，每個階段根據目標灰度等級又分為三組 (如圖2)。由于中間視覺亮度水平范圍是在0.001～3cd/m2［10］，而一般的道路照明亮度最低值是 0.03cd/m2［11］，所以測量范圍采用0.05～4cd/m2，亮度調節以0.05cd/m2為單位遞增。每一次調節背景亮度的同時，都要對目標物進行拍照并測量其中心表面垂直照度 (照度的測量采用求平均值的辦法)，然后讓觀察者對目標物——視力表進行評價 (如同駕駛員進行視力檢查的方法)，并記錄看到的等級范圍——視力表中的第幾行。重復以上操作，直到不同灰度等級視力表全部測量完畢 (目標中心表面垂直照度只測試一次即可)。需要特殊說明的是:相機所拍攝的所有相片的參數設置都是固定不變的，這樣可以保證拍出來的照片在同一條件下，彼此之間的相對值是準確的。

第二部分實驗是通過接觸式調壓器改變光源亮度，測試不同背景灰度以及不同目標物灰度的視力清晰度等級。根據全自動穩壓器0～255的量程，將其分成從12.5伏～250伏20等分，分別對12種不同灰度對比的視力表進行測量，操作步驟和第一部分實驗相同，只是不再需要亮度計進行測量。 (因為不同灰度等級的背景達到相同的亮度，所需的光源亮度是不一樣的，如果還用目標或背景亮度作為基本變量，是無法將以上12種不同灰度對比等級的回歸曲線納入一個坐標系進行比較，因此沒有可比性。)

最后便是將拍攝的照片放到電腦上進行等級判斷。需要特殊說明的是:判斷所有照片等級是在相同的條件下 (同樣的屏幕亮度、放大倍數以及視距)進行的，這樣可以保證所有判斷的視力等級的相對值是確定不變的。

3 實驗結果分析

第一部分實驗主要是研究在相同背景下不同灰度目標物對視力清晰度等級的影響。對測量得出的數據和判斷后的視力等級進行回歸分析，其數值、趨勢等如圖6～9;第二部分實驗主要是研究目標物與背景亮度差△L相等時，不同灰度的視力表 (不同目標亮度與背景亮度)對視力清晰度等級的影響，以及正、負對比對視力清晰度的影響。將結果進行回歸分析，其數值、趨勢等如圖10～13。

圖6 不同灰度目標物視力等級對比 (255等級背景)

圖7 不同灰度目標物視力等級對比 (170等級背景)

由圖6～9得知:無論何種灰度等級的背景，隨著背景亮度從0開始增加，曲率也從無窮大逐漸趨近于0，回歸曲線逐漸趨于平緩。開始的時候視力清晰度顯著增加，但隨著背景亮度繼續增加，清晰度增加幅度逐漸減弱，最后趨于0;隨著背景亮度的不斷提高，視力清晰度等級變化范圍主要集中在4.8～5.2之間。在滿足國家道路照明亮度標準1.5cd/m2［12］前提下，視力清晰等級基本都能達到5.0以上，符合國家道路照明標準，同時也達到視力表測試的標準線。

因此，對于道路照明來說，增加光源的輸出功率固然可以提高路面的背景亮度和視力清晰等級，但當背景亮度達到某一區域以后，繼續增加光源的輸出功率，盡管路面背景亮度也會隨之增加，但視力清晰度增加幅度很小，視覺效果不明顯。

由圖10可知:光源電壓與目標物垂直照度成指數增長，且曲線相關比R2=0.9978，接近于1，擬合度非常理想。

圖8 不同灰度目標物視力等級對比 (85等級背景)

圖9 不同灰度目標物視力等級對比 (0等級背景)

圖10 光源電壓與目標物表面垂直照度對比

圖11 目標物與背景灰度等級 (即△L)相差3倍的視力表視力清晰等級對比

圖12 目標物與背景灰度等級 (即△L)相差2倍的視力表視力清晰等級對比

圖13 目標物與背景灰度等級 (即△L)相差1倍的視力表視力清晰等級對比

4 實驗結論

1.在同一背景灰度 (背景亮度)下，目標物與背景灰度對比強烈的 (即亮度差△L大的)，亮度對比度C大，視力清晰度等級高。(如圖6～9)

2.在目標物與背景亮度差絕對值相同的情況下(即︱△L︱相等)，隨著背景灰度等級的增加，背景亮度增加，亮度對比度C減少，視力清晰等級增加。(如圖11～13)

3.在其他條件不變的情況下，正對比的視力清晰度等級明顯低于負對比的視力清晰度等級。此結論說明人眼在亮背景上看暗物體的能力比在暗背景上看亮物體的能力要強。(如圖11～13)

因此，對于道路照明來說，在其他條件相同的情況下，當路面背景亮度高于目標物亮度時比路面背景亮度低于目標物亮度時，目標物更容易被發現。

在此實驗中，為了便于測量，沒有對視角的選取進行細分，只是選取理想狀態下視角為零的情況。實際上駕駛員在行車時，一般均是注意正前方車道線上情況。但是對于交通流量大、交通分隔狀況和控制情況較差的快速路，人或動物有可能會橫穿道路，目標物就會偏離駕駛員的中心視線，此時會對辨識物體清晰度產生影響;從路面反射到小目標的反射光可占小目標總亮度的15%，如不考慮路面反射的話，這將會較大地改變可見度水平值，因此還需要對此影響進行修正［13］。

［1］李鐵楠.城市道路照明設計.2007年1月

［2 ］Box，P.C.， “Relationship between Illumination and Freeway Accidents” Illuminating Engineering，Vol.66，No.5，May/June1971

［3］Scott，P.P.，Cobb，J.，Hargroves，R.A.，and“Road Marsden，A.M.，Lighting and Accidents”Proceedings of the C1E，Kyoto，Japan，August 1979

［4］顧九春，楊占鵬，吳凱，武娜.“基于Tarvip的城區道路照明可見度評價的思路與方法”.城市照明，2007年11卷，第四期

［5］CIE Technical Report.115－1995《Recommendations for the Lighting of Road for motor and pedestrian traffic》

［6］Merle E.Kech，FIES.A New Visibility Criterion for Roadway Lighting.Journal of the Illuminating Engineering Society，Winter，2001

［7］劉家琦.“實用眼科學”，實用眼科學，2008年3月

［8］李爽樂，李觀富.中國實用眼科雜志第13卷 (1995)第7期

［9］Olkan Cuvalci.Bugra Ertas.Roadway Lighting Design Methodology and Evaluation

［10］林燕丹，陳大華，邵紅.“基于視覺功能法的中間視覺光度學模型及其在道路照明中的應用”，照明工程學報，2006年9月，第三期

［11］陳仲林，李毅，楊春宇，胡英奎，劉英嬰.“道路照明中的光生物效應研究”，照明工程學報2007年9月，第三期

［12］張紹綱，趙建平.綠色照明工程實施手冊 ［M］.中國建筑工業出版社，2003

［13］司徒寧儉.城市道路照明設計