关雪峰 赵海天 胡姗姗

(深圳大学建筑与城市规划学院，深圳 518000)

引言

道路照明设计从最初以照度作为标准，到后来采用照度和亮度双重指标体系，因为驾驶员直接感受的是路面亮度而不是照度，而照度设计标准没有被完全摒弃是因为其在降低人行道的交通事故，减少犯罪危害，促进城市夜晚活动等方面有长［1］。但随着对道路照明理论和实践的深入研究，亮度设计标准也具有一定的缺陷，它主要考虑三个因素:路面的反射特性、灯具的光分布和灯具或灯杆的几何布局，它没有考虑路面上物体与背景的亮度变化及二者的对比度。实践证明这些因素对于道路照明至关重要:Box在研究了纽约 Syracuse地区城市街道的时候发现该地区的夜间事故率和道路照明水平呈现出一个“U”形的曲线，即在一定水平上增加照明水平将使夜间事故率下降，但下降到某一最低值后，增加照明水平反而会使夜间事故率提高［2］;Scott在英国做了类似的研究，发现亮度均匀度增加反而提高了阈值，使目标物变得更难发现［3］。于是提出可见度①可见度就是指能看到和辨认出目标物的轮廓和形体的难易程度。客观上说，就是看物体的清晰程度。设计方法以弥补亮度设计的不足之处。目前国际上普遍采用小目标可见度STV作为可见度设计标准评价指标，小目标可见度设计方法能综合反应路面上目标物表面亮度Lt、紧邻的背景亮度Lb、目标物与背景亮度对比度②亮度对比度C:是目标物表面亮度与背景亮度的差与背景亮度的比值，即C=△L/Lb=(Lt—Lb)/Lb。等影响因素［4］。但STV的函数表达式相当复杂，且只有在一些假设的前提下，才能表达成实用的计算式;而且对于小物体具体尺寸和表面反射系数的选择理由不够充分［5，6］。这对于想了解亮度与视力清晰度的关系，是不利的。因此本文的作者设计了一个简单、能直观反映人视力感觉效果的实验，探寻目标物亮度、背景亮度、△L以及亮度对比度C对视力清晰度的影响。

在日常生活中，眼睛的视力评价、驾驶员的视力考试都是通过“视力表”来检验的。“视力表测试”通常是在一定的条件下，利用视力表来测试人眼分辨物体的能力等级。其优点在于能正确地表达视力和视力的增减幅度［7］;可以对所测视力结果进行比较和统计学处理［8］，这对于所测数据进行回归分析是十分必要的;视力表的幅面、格式、视力测量的方式都有统一的国家规范标准，因此保证了实验的可靠性。由此可见，视力表可以作为评价可见度的一种客观尺度。本文的实验便是利用“视力表”这一评价尺度，在模拟的中间视觉①中间视觉:按照国际照明协会规定，亮度水平在几个cd/m2以上的视觉叫明视觉，亮度水平在10－3cd/m2以下的视觉叫暗视觉。介于明视觉和暗视觉之间的叫中间视觉，其亮度水平范围为0.001～3cd/m2，道路照明是其中最典型的例子。条件下，探寻亮度与视力清晰度之间的关系。

1 实验装置与方法

1.1 实验目的

在模拟的中间视觉条件下，探寻目标物亮度、背景亮度、△L以及亮度对比度C对视力清晰度的影响，并从中寻求出视力清晰度等级变化规律。

1.2 实验条件

光学实验室

佳能450D单反相机:像素1200万

国家标准对数视力表 (GB 11533－1989)

单向调压器:动态范围0～250V，全自动交流稳压器;

XYI－Ⅲ照度计:动态范围0.1～100klx，仪器精度 ±4%

XYL－V全数字亮度计:动态范围0.1～100kcd/m2，仪器精度 ±5%

白炽灯:功率100W，光效7～19lm/W，色温2800K，显色指数95～99Ra

1.3 背景亮度与目标亮度对比分类的确定

图1

视力表中黑色“E”字定位目标物，目标物周围的白色区域 (白纸)定位背景。目标物与背景相互独立，自由调节，按灰度划分，共分成0～255个亮度级。为了节省工作量，以及对亮度级中灰度差级的把握，将255个亮度级分为四个大等级:Ⅰ级(对应的灰度是0)、Ⅱ级 (对应的灰度是85)、Ⅲ级 (对应的灰度是 170)、Ⅳ级 (对应的灰度是255)，为了方便说明，用 (α，β)表示，α表示目标物灰度等级，β表示背景灰度等级。α∈ {0，85，170，255}，β∈ {0，85，170，255}，将这些灰度等级作用在目标物和背景之上，共产生12组灰度等级。如图2，3。

2 实验方案

2.1 实验校正

此实验误差主要来自目标显示误差。目标显示误差是由目标物亮度和其周围临界的背景亮度的分布均匀性决定的。为了技术上便于计算，在小视角情况下通常假设背景亮度是紧邻目标物上下边界的中点的亮度平均值［9］。因此在实验准备阶段需要对目标背景亮度分布均匀性进行校对实验:选取目标物的中点和四周的角点，测量并记录其亮度值 (如图5)。然后继续调节光源亮度，重复以上操作5次。为了计算亮度测量误差的大小，采用样本标准差S来衡量:

图2 正对比

图3 负对比

式中:Li——第i次亮度测量值;

样本标准差S计算结果如图5所示。

表1 不同电压下不同测点的亮度变化

图4 实验方案示意图

图5

从表1可以看出，标准差值很小，因此变动性很小，平均数的代表性很大。屏幕的亮度分布比较均匀，达到实验要求。

2.2 实验步骤

整个实验分为两部分，第一部分实验根据不同背景灰度等级分为四个阶段，每个阶段根据目标灰度等级又分为三组 (如图2)。由于中间视觉亮度水平范围是在0.001～3cd/m2［10］，而一般的道路照明亮度最低值是 0.03cd/m2［11］，所以测量范围采用0.05～4cd/m2，亮度调节以0.05cd/m2为单位递增。每一次调节背景亮度的同时，都要对目标物进行拍照并测量其中心表面垂直照度 (照度的测量采用求平均值的办法)，然后让观察者对目标物——视力表进行评价 (如同驾驶员进行视力检查的方法)，并记录看到的等级范围——视力表中的第几行。重复以上操作，直到不同灰度等级视力表全部测量完毕 (目标中心表面垂直照度只测试一次即可)。需要特殊说明的是:相机所拍摄的所有相片的参数设置都是固定不变的，这样可以保证拍出来的照片在同一条件下，彼此之间的相对值是准确的。

第二部分实验是通过接触式调压器改变光源亮度，测试不同背景灰度以及不同目标物灰度的视力清晰度等级。根据全自动稳压器0～255的量程，将其分成从12.5伏～250伏20等分，分别对12种不同灰度对比的视力表进行测量，操作步骤和第一部分实验相同，只是不再需要亮度计进行测量。 (因为不同灰度等级的背景达到相同的亮度，所需的光源亮度是不一样的，如果还用目标或背景亮度作为基本变量，是无法将以上12种不同灰度对比等级的回归曲线纳入一个坐标系进行比较，因此没有可比性。)

最后便是将拍摄的照片放到电脑上进行等级判断。需要特殊说明的是:判断所有照片等级是在相同的条件下 (同样的屏幕亮度、放大倍数以及视距)进行的，这样可以保证所有判断的视力等级的相对值是确定不变的。

3 实验结果分析

第一部分实验主要是研究在相同背景下不同灰度目标物对视力清晰度等级的影响。对测量得出的数据和判断后的视力等级进行回归分析，其数值、趋势等如图6～9;第二部分实验主要是研究目标物与背景亮度差△L相等时，不同灰度的视力表 (不同目标亮度与背景亮度)对视力清晰度等级的影响，以及正、负对比对视力清晰度的影响。将结果进行回归分析，其数值、趋势等如图10～13。

图6 不同灰度目标物视力等级对比 (255等级背景)

图7 不同灰度目标物视力等级对比 (170等级背景)

由图6～9得知:无论何种灰度等级的背景，随着背景亮度从0开始增加，曲率也从无穷大逐渐趋近于0，回归曲线逐渐趋于平缓。开始的时候视力清晰度显著增加，但随着背景亮度继续增加，清晰度增加幅度逐渐减弱，最后趋于0;随着背景亮度的不断提高，视力清晰度等级变化范围主要集中在4.8～5.2之间。在满足国家道路照明亮度标准1.5cd/m2［12］前提下，视力清晰等级基本都能达到5.0以上，符合国家道路照明标准，同时也达到视力表测试的标准线。

因此，对于道路照明来说，增加光源的输出功率固然可以提高路面的背景亮度和视力清晰等级，但当背景亮度达到某一区域以后，继续增加光源的输出功率，尽管路面背景亮度也会随之增加，但视力清晰度增加幅度很小，视觉效果不明显。

由图10可知:光源电压与目标物垂直照度成指数增长，且曲线相关比R2=0.9978，接近于1，拟合度非常理想。

图8 不同灰度目标物视力等级对比 (85等级背景)

图9 不同灰度目标物视力等级对比 (0等级背景)

图10 光源电压与目标物表面垂直照度对比

图11 目标物与背景灰度等级 (即△L)相差3倍的视力表视力清晰等级对比

图12 目标物与背景灰度等级 (即△L)相差2倍的视力表视力清晰等级对比

图13 目标物与背景灰度等级 (即△L)相差1倍的视力表视力清晰等级对比

4 实验结论

1.在同一背景灰度 (背景亮度)下，目标物与背景灰度对比强烈的 (即亮度差△L大的)，亮度对比度C大，视力清晰度等级高。(如图6～9)

2.在目标物与背景亮度差绝对值相同的情况下(即︱△L︱相等)，随着背景灰度等级的增加，背景亮度增加，亮度对比度C减少，视力清晰等级增加。(如图11～13)

3.在其他条件不变的情况下，正对比的视力清晰度等级明显低于负对比的视力清晰度等级。此结论说明人眼在亮背景上看暗物体的能力比在暗背景上看亮物体的能力要强。(如图11～13)

因此，对于道路照明来说，在其他条件相同的情况下，当路面背景亮度高于目标物亮度时比路面背景亮度低于目标物亮度时，目标物更容易被发现。

在此实验中，为了便于测量，没有对视角的选取进行细分，只是选取理想状态下视角为零的情况。实际上驾驶员在行车时，一般均是注意正前方车道线上情况。但是对于交通流量大、交通分隔状况和控制情况较差的快速路，人或动物有可能会横穿道路，目标物就会偏离驾驶员的中心视线，此时会对辨识物体清晰度产生影响;从路面反射到小目标的反射光可占小目标总亮度的15%，如不考虑路面反射的话，这将会较大地改变可见度水平值，因此还需要对此影响进行修正［13］。

［1］李铁楠.城市道路照明设计.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］顾九春，杨占鹏，吴凯，武娜.“基于Tarvip的城区道路照明可见度评价的思路与方法”.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］刘家琦.“实用眼科学”，实用眼科学，2008年3月

［8］李爽乐，李观富.中国实用眼科杂志第13卷 (1995)第7期

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

［10］林燕丹，陈大华，邵红.“基于视觉功能法的中间视觉光度学模型及其在道路照明中的应用”，照明工程学报，2006年9月，第三期

［11］陈仲林，李毅，杨春宇，胡英奎，刘英婴.“道路照明中的光生物效应研究”，照明工程学报2007年9月，第三期

［12］张绍纲，赵建平.绿色照明工程实施手册 ［M］.中国建筑工业出版社，2003

［13］司徒宁俭.城市道路照明设计