道路和隧道照明視覺功效測量系統的研制及應用

張青文，胡英奎，翁 季，劉英嬰，楊春宇，梁樹英

(重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

經濟的快速發展促進了城市道路和公路隧道的建設，即使在夜間，道路交通流量亦有增無減。在這種形式下，如何提高城市道路和公路隧道的照明質量，以減少交通事故，保障道路安全顯得尤為重要。而照明質量的提高，很大程度上取決于照明設計標準的科學性。目前，世界各國的道路及隧道照明設計標準中僅以亮度、照度、亮度或照度均勻度及眩光指數等作為照明質量的主要評價指標。近年來，隨著照明科技領域的深入研究，人們已意識到不同光源色溫會對人的生理乃至心理產生相應的影響。且有研究表明，在滿足道路和隧道照明條件下的亮度范圍內，用高色溫的緊湊型熒光燈照明能縮短駕駛人員對障礙物的反應時間，從而增快對瞬態事件的反應速度;反之，用低色溫的緊湊型熒光燈照明則會延長反應時間，導致大腦反應遲鈍。即不同的光源色溫將影響駕駛人員的視覺功效。

LED照明光源作為一種具有環保與節能潛力的新型光源已開始運用于道路和隧道照明中，相比于傳統的低色溫高壓鈉燈(2000 K～2400 K），LED的色溫可選范圍很廣(2000 K～7000 K），這為研究適用于道路或隧道照明的光源色溫提供了條件。為進行這一研究，我們依托于國家自然科學基金，研制出“城市道路和隧道照明視覺功效測量系統”。該系統根據視覺功效法測量原理，可采用高壓鈉燈(HPS）、金鹵燈(MH）及不同色溫LED實驗用燈來營造道路或隧道的照明環境，通過對受測人在不同照明光源、色溫及亮度條件下，對瞬態出現的目標物所產生的反應時間及瞳孔變化數據的測取和數據處理，由此獲得適用于道路或隧道照明的光源及色溫信息。

該系統在BM—5A色度∕亮度計、SMI眼動儀及PR—650光譜掃描儀的配合使用下，具有較強的使用功能，較高的測量精度和穩定性。該系統為不同光源色溫在道路和隧道照明中的應用研究創造了條件，其研究結果將為城市道路和公路隧道照明設計標準的制定提供更加科學的依據。

1 基于反應時間(Reaction Time）的視覺功效法

該系統根據視覺功效法的測量原理而研制。這種方法是測試在不同照明環境下(如改變光源屬性、色溫、背景亮度、目標偏心角、目標亮度等），人眼對于背景中隨機出現的目標的反應時間。視覺功效法可模擬實際的視覺作業環境，以直接評價不同照明條件下操作者的視覺作業能力和建立以反應時間為基礎的視覺模型，從而評價人眼真實的視覺功效。研究表明，反應時間與人眼中的M信道有關，傳輸神經纖維以不同的速度傳輸亮度和彩色(色溫）信息，雖然，當一個視覺作業(夜間駕駛）按照速度(反應時間）被定義的時候，大腦將首先接受亮度信息，其次為彩色(色溫）信息，但色溫變化是否會引發人們的生理及心理效應(非視覺效應），從而對反應時間產生影響，尚需實驗驗證，因此，對某一確定的光源而言，當亮度為某一恒定值時，采用視覺功效法測取反應時間并同時采集人眼的瞳孔變化信息，由此探究反應時間及瞳孔變化信息(生理變化）與色溫的變化關系應是行之有效的。

2 系統的構成及工作原理

該系統采用定量與定性相結合的實測方式可分別在不同色溫的LED燈、HPS燈及MH燈所產生的亮度范圍(其亮度范圍滿足國家道路或隧道照明設計標準的規定）內，并以此為背景光(即道路或隧道照明下的光照條件），用隨機可變的光斑或灰度視標為目標(光斑亮度大于背景亮度，稱正對比方式，不同灰度視標的亮度低于背景亮度，則稱為負對比方式），模擬出夜間道路環境中可能出現的障礙物(本實驗中，僅采用LED實驗用燈照明時，背景光、光斑及灰度視標的亮度可變范圍分別為 0.1～80 cd/m2，10～100 cd/m2及0.3 ～0.5 cd/m2），使觀測者在特定的視看條件下作出最快的反應，并通過按鍵由電子快門記錄下其反應時間，通過對實測結果的分析，尋求在不同光照條件下，反應時間隨不同光源、色溫、背景亮度、視標對比度和視標偏心角的變化規律。系統由弱光燈箱、強光燈箱、光學系統、電子計時儀和觀測箱五個部分構成(見圖1）。

1）弱光燈箱:弱光燈箱內可分別安裝MH燈、HPS燈和LED燈源，用以產生低亮度背景光和正對比測量方式下的目標光斑。箱內設有風機散熱裝置，以防止高溫所帶來的負面影響。光源供電可由開關進行切換。燈箱內的調節裝置可保證光源發光體的中軸線通過透光孔圓心，使出射光有效地被透鏡匯聚。

2）強光燈箱:為使該系統模擬隧道入口及出口段的黑洞及白洞效應現象，可通過眼動儀測量人眼在此狀況下的瞳孔變化情況，以掌握其視覺滯后規律(因篇幅所限，該實驗過程及控制原理，本文中不再作詳細介紹），或需要高亮度的背景光時，故在觀測箱頂部設有強光燈箱。燈箱內所設置的金鹵燈、高壓鈉燈和LED燈源可通過調節手輪控制光源發光體進入燈箱的長度，以此改變觀測箱內的背景亮度(其中的遮光罩用于瞬時遮擋鈉燈和金鹵燈在切斷電源后的余光，以模擬隧道入口段的白洞效應現象），即在弱光燈箱的組合下，可增大觀測箱內的背景光亮度范圍，以滿足負對比的測量方式。

圖1 道路及隧道照明視覺功效測量系統示意圖

3）光學系統，如圖2所示，由透鏡、反光鏡、可變光欄、減光片及其調節裝置構成的光學系統，運用幾何光學的原理，可將來自弱光燈箱光源的發散光匯聚為平行光束，并以不同的光路在觀測箱內形成背景光和視標光斑。光路中的反光鏡、可變光欄及減光片可控制光路和觀測箱內的亮度變化(包括背景光和視標光斑），可將觀測箱中的背景光控制在低亮度的范圍內，以滿足正對比測試需要。

整個光學系統被封閉在暗箱內，可有效防止雜散光對測量帶來的誤差。

暗箱外側的調節手輪，用來控制減光片的透光率，以進光量的大小改變觀測箱內的亮度范圍。

4）電子計時儀:電子計時儀由電源、微處理器、顯示模塊、電子快門和四組控制按鈕組成，其基本結構如圖3所示。

電源采用交流變壓器將220 V市電轉變為雙15 V交流信號，并經整流、濾波后分別變換為5 V和12 V直流信號，再經三端穩壓模塊為微處理器、顯示模塊和電磁繼電器提供電能。

圖2 道路及隧道照明視覺功效測量系統(側立面）構造示意圖

圖3 電子計時儀基本結構框圖

微處理器是整個計時儀的核心，它響應并執行外部的各種命令，從而控制光路的開、閉和遮光筒的起落，并將受檢者的反應時間在LED數碼塊上顯示出來。

顯示模塊由4位數碼管和4塊74LS164集成電路構成，可在微處理器的控制下顯示十進制數據。

電子快門由電磁繼電器和機械光路快門構成，并由微處理器控制繼電器的吸合，以光路和機械快門的開、閉，實現對光源的選擇及目標光斑和灰色視標的控制。

圖4為電子計時儀操作軟件流程框圖，由圖4可知，啟動電源后，微處理器開始執行程序流程。按下“開始”按紐，經過6～8 s，計時儀進入工作狀態，首先選擇待測光源，接著啟動操作軟件，進入TEST界面后，輸入測量信息，然后啟動“眼動儀”測量軟件，接著按下“測量”按鈕，此時，根據所選的測量方式(正對比或負對比測量方式），微處理器將控制電子快門打開，觀測箱內出現目標光斑或灰色視標，受檢者立即按下手動開關，微處理器產生中斷，進入中斷處理程序，此時快門關閉，并計算出受檢者的反應時間和眼動儀的啟動及結束時間(眼動儀將在該時間段內自動記錄下受測人的瞳孔變化過程），在數碼管上顯示出來。如果2 s后，受檢者還未按下開關，微處理器則認為檢測無效，并自動關閉電子快門，再次按下“開始”按紐，儀器進入下一次檢測。計時儀的四個控制按鈕可分別進行測試開始、復位、反應時間記錄和調光控制的操作。

圖4 電子計時儀操作軟件流程框圖

5）觀測箱:觀測箱為一直徑2.0 m，高0.75 m的半圓柱空間，背板下端開有觀察孔和監測孔，可分別進行目視觀測和亮度監測。

箱體內壁噴有均勻擴散材料硫酸鋇，由光學系統匯聚和調整后的光線進入箱體后，經背板內壁處反光鏡反射至內壁兩側，分別形成均勻散射的背景光和高匯聚的視標光斑，以滿足正對比測量需要。觀測箱背部底段設有暗目標組，即由三種不同反射比的灰色視標組成。為滿足視標偏心角的變化，三個視標分別為0°、左偏 10°和右偏 10°(0°位于觀測者視線中軸方向），每次測量前，可在受測人未知的情況下，事先改變視標偏心角，以測取不同偏心角下的受測人反應時間。頂部的強光燈箱可控制箱體內的亮度變化，以改變灰色視標的亮度值，從而滿足負對比的測量需要。

觀測箱是受檢者的直接觀測對象，其內部的光照條件，必須滿足實驗要求，它是整個系統的重要組成部分。

3 亮度監測及瞳孔測量

要保證背景光亮度在規定的范圍內，或控制視標光斑和灰色視標的強弱變化，均需采用高精度的亮度計進行監測并調控。本系統采用了日本Topcon公司的BM－5A色度/亮度計，進行亮度監測，該儀器設有0.1°/0.2°/1°/2°4 個測量角，亮度測量范圍為:0.0001 ～1200000 cd/m2。亮度測量精度為±4%of rdg。

系統還同時采用了德國SMI公司生產的IVIEW X眼動儀測取受測人的瞳孔變化。該設備運用紅外和眼罩式微型攝像機可分別進行人眼瞳孔和視線追蹤測量。測試過程中，被測者頭戴裝有半反半透鏡和紅外攝像機的頭盔(頭盔的種類可選擇），被測者目光透過眼前的半反半透鏡注視物體圖像，一部分光線反射到攝像頭被記錄下來，從而確定眼珠和瞳孔的位置，計算出眼珠的水平和垂直運動的時間、距離、速度及瞳孔直徑。另一個攝像頭攝取被測者注視的物體圖像并確定注視位置。攝像機可追蹤虹膜和瞳孔上的角膜反射對頭部相對運動進行補償。攝像機每秒采集50禎圖像(特殊應用時可以有更高的采樣頻率）。儀器具有自動校準功能，可隨時校準受測者因頭部或身體擺動而引起的誤差，從而保證儀器的測量精度。

4 實驗方法及數據處理

4.1 實驗方法

系統分別對HPS和4種色溫的LED光源進行了實測，并獲得了20～25歲(受測人均具有正常的色覺和矯正視力）年齡段，共有5人的反應時間測試數據。

每個受檢者在150 W HPS燈和均為14 W的4種不同色溫LED光源照明下，分別以0.5～1.5 cd/m2范圍內的4個背景亮度，0°和左右10°偏心角和0.4°視標對比值為條件進行反應時間測試，實驗參數設置見表1。每個受檢者的各項測試不低于十個數據，并剔掉其中的異常數據再取其平均，以防止生理和心理上的不穩定因素所帶來的測量誤差。

表1 實驗參數列表

實驗在暗室中進行，測量前，受檢者有足夠的適應時間。測量時，受檢者右眼緊靠觀測箱右側的觀測孔，當探測到視標出現時，快速按下控制鈕，電子記錄儀和眼動儀將實時記錄下受檢者的反應時間和瞳孔變化。

4.2 數據處理結果

利用統計分析軟件對4種背景亮度下(包括不同偏心角和確定視標對比度）的6000多條反應時間實測數據進行了數據處理，并通過回歸分析，分別得到高壓鈉燈和4種色溫LED光源下反應時間與背景亮度之間的函數表達式和各測量條件下的反應時間平均值，并得到了4種背景亮度下被測人員反應時間隨光源色溫變化曲線，見表2、圖5。

表2 受測人在各背景亮度下的反應時間(ms）

由表2和圖5不難看出:在各背景亮度下，受測人的反應時間隨色溫的變化趨勢基本一致，但相對于低色溫和高色溫時的反應時間，中間色溫時的反應時間最短。在所測量的光源中，4700 K色溫的LED與1650 K色溫的HPS光源對受測人視覺功效的影響相差不大，但將其相比于另3種色溫的LED光源，其視覺功效相對較差。這說明，在道路照明的中間視覺亮度條件下，中低色溫的LED光源所產生的照明效果較好，而低色溫的HPS光源和高色溫的LED光源所產生的照明效果相對較差。

圖5 4種背景亮度下被測人員反應時間隨光源色溫變化曲線

由圖5中反應時間隨光源色溫變化曲線的趨勢亦可表明，色溫在3500 K附近時反應時間最短，此時，受測人應具有最佳視覺功效，即照明效果最好。

需說明的是，在圖5中，4種背景亮度下被測人員的反應時間隨光源色溫的變化趨勢存在局部差異，這是由于人類具有復雜的生理或心理特點，因此，所導致的測量誤差在所難免，但測量精度應在誤差允許范圍內，這由所有曲線變化的一致性亦可看出。

5 小結

實驗及研究結果表明，道路和隧道照明視覺功效測量系統具有較高的測試精度和工作效率。它模擬實際的視覺作業環境，以人眼視覺系統對信息的處理機制為根據，以此評價人眼真實的視見能力，滿足了采用視覺功效法研究光源色溫對視覺功效影響的需要。同時，該設備還可應用于隧道入口和出口段的視覺功效測量，以探究出科學合理的亮度標準，從而防止黑洞或白洞效應對駕駛人員帶來的安全隱患并提高節能效果。事實證明，該設備的成功研制及其應用，為創建安全、節能與舒適的道路及隧道照明環境，提供了可靠的實驗依據。對我國道路和隧道照明工程的實施具有重要的應用價值。

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