公路隧道照明中對比顯示系數閾值研究實驗方案設計

蔡賢云，翁 季，杜 峰，張青文

(重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045)

公路隧道照明中對比顯示系數閾值研究實驗方案設計

蔡賢云，翁 季，杜 峰，張青文

(重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045)

文章建立了對比顯示系數閾值與閾限亮度差之間的關系，并確定采用定值刺激法來研究閾限亮度差。研究的目的是確定不同觀察視角ɑ、不同背景亮度下的閾限亮度差ΔL0，并以閾限亮度差為基礎求得對比顯示系數閾值qc0。在明確實驗依據和目的后，詳細論述了實驗設備的選擇情況和實驗參數的確定，實驗參數包括觀察視角、背景亮度、識別幾率和觀察者的選取等內容。

對比顯示系數閾值；閾限亮度差；定值刺激法；實驗設備；實驗參數

0 引 言

2004年CIE(國際照明委員會)發布的文件中給出了基于察覺對比法的公路隧道入口段亮度公式

(1)

公式(1)中qc即為對比顯示系數，qc表示給定區域的路面亮度Lb與小目標物面向行車方向中點處的垂直照度Ev之間的比值，qc=Lb/Ev。在CIE 189—2010中，對比顯示系數被視為公路隧道照明質量的評價依據之一。但現階段關于對比顯示系數的研究較少，通過實驗確定對比顯示系數與隧道內光的空間相對分布有關，即與隧道照明方式、燈具間距、燈具掛高、光源功率、燈具配光、隧道內的反射增量系數有關。

道路照明中對小目標物可見度的研究很多，但隧道照明中卻缺乏對可見度的探討，重慶大學杜峰曾對國內外以可見度為基礎的隧道照明設計方法作了分析，并對該方法作了展望。筆者也曾將道路照明中小目標物可見度引入對比顯示系數的研究中，通過對可見度中閾限亮度差ΔL0的研究，建立對比顯示系數與閾限亮度差之間的關系。在確立了對比顯示系數閾值和閾限亮度差的關系后，在做具體實驗之前，需要明確實驗目的，對實驗的設備進行選取，并確定合適的實驗參數，如此才能確保實驗的順利進行。

1 實驗目的

通過研究已經得到路面背景亮度Lb、閾限亮度差ΔL0和對比顯示系數qc之間的關系(如公式2所示)。閾限亮度差ΔL0是指剛剛滿足小目標物被看見時目標物閾限亮度Lt0與背景亮度Lb之間的差值，可用公式3表示。

(2)

其中，qc0為對比顯示系數閾值。

ΔL0=Lt-Lb

(3)

從公式2中可發現：當背景亮度Lb不變時，閾限亮度差ΔL0越高，則對比顯示系數閾值qc0也越高。而閾限亮度差ΔL0與觀察視角ɑ、背景亮度Lb有關，三者之間的視覺功效關系可以通過視覺實驗求得，通過實驗數據處理可求得三者之間的視覺功效曲線。

因此，本研究的目的是確定不同觀察視角ɑ、不同背景亮度下的閾限亮度差ΔL0，并以閾限亮度差為基礎求得對比顯示系數閾值qc0，可見閾限亮度差ΔL0是核心。

2 實驗依據

常用的測量閾限亮度差ΔL0的方法有3種：定值刺激法(又被稱為強迫選擇法)、極限法和調整法。在道路照明的研究領域，通常采用定值刺激法和調整法。Aulhorn和Adrian關于小目標物可見度研究中閾限亮度差的確定采用了調整法，即被測試的刺激量從低于閾限亮度值逐步提高到可以察覺到的閾限水平。

1946年Blackwell關于閾限亮度差的研究應用了定值刺激法。將刺激量分成多份并且保證刺激量隨機出現，觀察者在不同刺激量影響下觀察到的結果被記錄下來進而獲得實驗數據，進一步通過數據分析，獲得觀察者正確識別幾率為50%時對應的閾限亮度差。重慶大學張晟鵬碩士論文《城區機動車道路照明可見度研究》和翁季教授的《機動車交通道路照明設計標準研究》也采用了定值刺激法。

文章關于閾限亮度差的視覺實驗采用定值刺激法來研究。結合Blackwell的初始實驗情況和翁季、張晟鵬論文的實驗方法，并且受經濟條件、實驗環境和時間等因素的制約，采用計算機模擬來完成閾限亮度差視覺實驗。

3 實驗設備

3.1 實驗程序

閥限亮度差實驗程序使用符合萬維網協會推薦的HTML5和SVG規范進行編寫，并且在Microsoft Internet Explorer 11上進行了多次測試，可以正確運行，滿足實驗要求，程序界面如圖1所示。實驗人員根據實際觀測距離，調整朗道爾環各參數值。在調整好背景亮度、圖片亮度和圖片停留時間后，點擊“開始測試”按鈕即可進行實驗。受試者通過鍵盤上的“上下左右”方向鍵來判斷朗道爾環開口方向。實驗完成后會顯示實驗結果(圖2)，可直接復制或導出保存。

圖1 程序操作界面

圖2 程序測試結果界面

3.2 顯示器

顯示器屏幕背景亮度和小目標物(即朗道爾環)亮度是否均勻分布需要通過亮度計測量來確定。在實驗準備階段，重復測量屏幕和朗道爾環不同位置的亮度(各測點分布如圖3所示)。在測量各測點亮度基礎上，分析各測點的標準差是否在誤差允許范圍之內，是否能達到閾限亮度差視覺實驗的要求。

3.3 LM-3亮度計

LM-3瞄點式亮度計如圖4所示，該亮度計為成像式亮度計，選用穩定性高，光譜響應曲線與CIE發布的V(λ)曲線嚴格匹配的光電探測部件，并具有嵌入式單片機系統和低功耗液晶顯示器。LM-3瞄點式亮度計具有穩定、準確、使用方便和節電等優點。LM-3亮度計的亮度測量范圍為0.001～4 000 000 cd/m2，亮度測量精度為±3 %。LM-3瞄點式亮度計內置4個視場角(1°，0.3°，0.1°，0.03°)，最小視場角可達0.03°，精確的瞄準裝置和極小的視場角可滿足隧道照明測量需要。

圖3 測點分布圖

圖4 LM-3亮度計

3.4 觀察裝置

實驗中朗道爾環開口尺寸、觀察者與屏幕之間的尺寸決定了觀察視角α的大小，計算機編程時各視角的開口尺寸已經確定，實驗時需保證觀察者和計算機屏幕之間的距離恒定為1 m。如圖5所示，將三腳架放在距離屏幕1 m的位置同時保證觀察者的頭部擱在三腳架托盤上。其次在三腳架前放置小木桌將計算機鍵盤放置其上，保證觀察者可以通過視看屏幕來按壓鍵盤上的方向鍵判斷朗道爾環開口方向。

圖5 實驗裝置

4 實驗參數的確定

4.1 視角α的確定

受隧道照明實際情況的影響，本實驗觀察視角的選取綜合考慮小目標物尺寸和不同車速安全停車視距兩個因素。其中視角α可通過公式4得到

(4)

公式中d為視標的開口尺寸，l為停車視距(與行車速度有關)。因此最終確立的四個視角α如表1所示。

表1 觀察視角表

4.2 背景亮度Lb的確定

依據國際照明委員會及JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》的規定，隧道入口段宜劃分為th1、th2兩個照明段，其對應的亮度分別為Lth1，Lth2，它們是過渡段tr1，tr2，tr3，中間段in1，in2以及出口段ex1，ex2對應亮度的取值依據。本研究中隧道照明亮度范圍在1.0 cd/m2～150 cd/m2。

因此選擇100.1、100.5、100.9、101.3、101.7、102.1cd/m2亮度依次為1.258 9、3.162 3、7.943 3、19.952 6、50.118 7、125.892 5 cd/m2。由此確定的背景亮度為理論值，在實際測試中得到的屏幕背景亮度與理論值有偏差。在實驗中，實際屏幕背景亮度可由對應的背景亮度標定數值來衡量。

4.3 識別幾率的確定

按照清華大學詹慶旋教授《建筑光環境》,識別幾率的計算公式如下：

(5)

其中，P為識別幾率，nT為被測試者正確回答的次數，n為目標物出現的總次數，k為目標物開口方向數。本實驗中目標物出現總次數為12次，目標物開口方向為4。

在閾限亮度差預備實驗中發現，觀察者判別朗道爾環開口方向變化時，因個體性差異，每一組12次中正確判斷的范圍為6～8次，對應的識別幾率為33.33%～55.56%，因此閾限亮度差實驗識別幾率選擇從33.33%(正確判斷6次)開始。根據本實驗的實際情況選取的6種不同識別幾率及正確判斷次數如表2所示。

表2 識別幾率表

4.4 觀察者的選取

本實驗每次由兩名測試者和兩名觀察者(被測試者)共同完成。兩名測試者分工明確，其中一人負責實驗各參數的調節，另一名測試者負責記錄。 觀察者總共選取20人，視力正常，未經過屈光矯正(屈光不正包括遠視、近視及散光)。觀察者中男女各10人，年齡在20～30歲之間，平均年齡25歲。

5 結 論

文章通過小目標物可見度來研究對比顯示系數，并建立了對比顯示系數閾值和閾限亮度差之間的關系。在此基礎上重點研究閾限亮度差，確立了實驗依據和實驗目的，并確定了實驗設備的選擇和改造。而在實驗參數的確定上，主要從觀察視角、背景亮度、識別幾率和觀察者的選取四個方面做了詳細說明，以期能進一步完善具體實驗。

[1] CIE. CIE 88—2004 Guide for the lighting of road tunnels and underpasses[S].CIE Central Bureau,2004.

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[12] 詹慶旋.建筑光環境[M].臺灣：淑馨出版社，1991.

Experimental Program Design Based on Contrast Revealing Coefficient Threshold in Tunnel Lighting

CAI Xianyun, WENG Ji, DU Feng, ZHANG Qingwen

(Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China)

In this paper, the function relation between minimum luminance threshold and contrast revealing coefficient threshold has been set up. The minimum luminance threshold experiment was based on constant stimulation method. The purpose of this study was to determine different minimum luminance threshold value under different viewing angle and background luminance. Then, the selection of experimental equipment and the determination of experimental parameters was discussed detailedly. And the experimental parameters included viewing angle, background luminance, recognition probability and the choice of experiment observers.

contrast revealing coefficient threshold; minimum luminance threshold; constant stimulation method; experimental equipment; experimental parameters

2016- 12-20 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278507)

蔡賢云，男，重慶大學建筑城規學院博士研究生，主要從事建筑光環境研究。

照明研究