道路和隧道照明视觉功效测量系统的研制及应用

张青文，胡英奎，翁 季，刘英婴，杨春宇，梁树英

(重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

经济的快速发展促进了城市道路和公路隧道的建设，即使在夜间，道路交通流量亦有增无减。在这种形式下，如何提高城市道路和公路隧道的照明质量，以减少交通事故，保障道路安全显得尤为重要。而照明质量的提高，很大程度上取决于照明设计标准的科学性。目前，世界各国的道路及隧道照明设计标准中仅以亮度、照度、亮度或照度均匀度及眩光指数等作为照明质量的主要评价指标。近年来，随着照明科技领域的深入研究，人们已意识到不同光源色温会对人的生理乃至心理产生相应的影响。且有研究表明，在满足道路和隧道照明条件下的亮度范围内，用高色温的紧凑型荧光灯照明能缩短驾驶人员对障碍物的反应时间，从而增快对瞬态事件的反应速度;反之，用低色温的紧凑型荧光灯照明则会延长反应时间，导致大脑反应迟钝。即不同的光源色温将影响驾驶人员的视觉功效。

LED照明光源作为一种具有环保与节能潜力的新型光源已开始运用于道路和隧道照明中，相比于传统的低色温高压钠灯(2000 K～2400 K），LED的色温可选范围很广(2000 K～7000 K），这为研究适用于道路或隧道照明的光源色温提供了条件。为进行这一研究，我们依托于国家自然科学基金，研制出“城市道路和隧道照明视觉功效测量系统”。该系统根据视觉功效法测量原理，可采用高压钠灯(HPS）、金卤灯(MH）及不同色温LED实验用灯来营造道路或隧道的照明环境，通过对受测人在不同照明光源、色温及亮度条件下，对瞬态出现的目标物所产生的反应时间及瞳孔变化数据的测取和数据处理，由此获得适用于道路或隧道照明的光源及色温信息。

该系统在BM—5A色度∕亮度计、SMI眼动仪及PR—650光谱扫描仪的配合使用下，具有较强的使用功能，较高的测量精度和稳定性。该系统为不同光源色温在道路和隧道照明中的应用研究创造了条件，其研究结果将为城市道路和公路隧道照明设计标准的制定提供更加科学的依据。

1 基于反应时间(Reaction Time）的视觉功效法

该系统根据视觉功效法的测量原理而研制。这种方法是测试在不同照明环境下(如改变光源属性、色温、背景亮度、目标偏心角、目标亮度等），人眼对于背景中随机出现的目标的反应时间。视觉功效法可模拟实际的视觉作业环境，以直接评价不同照明条件下操作者的视觉作业能力和建立以反应时间为基础的视觉模型，从而评价人眼真实的视觉功效。研究表明，反应时间与人眼中的M信道有关，传输神经纤维以不同的速度传输亮度和彩色(色温）信息，虽然，当一个视觉作业(夜间驾驶）按照速度(反应时间）被定义的时候，大脑将首先接受亮度信息，其次为彩色(色温）信息，但色温变化是否会引发人们的生理及心理效应(非视觉效应），从而对反应时间产生影响，尚需实验验证，因此，对某一确定的光源而言，当亮度为某一恒定值时，采用视觉功效法测取反应时间并同时采集人眼的瞳孔变化信息，由此探究反应时间及瞳孔变化信息(生理变化）与色温的变化关系应是行之有效的。

2 系统的构成及工作原理

该系统采用定量与定性相结合的实测方式可分别在不同色温的LED灯、HPS灯及MH灯所产生的亮度范围(其亮度范围满足国家道路或隧道照明设计标准的规定）内，并以此为背景光(即道路或隧道照明下的光照条件），用随机可变的光斑或灰度视标为目标(光斑亮度大于背景亮度，称正对比方式，不同灰度视标的亮度低于背景亮度，则称为负对比方式），模拟出夜间道路环境中可能出现的障碍物(本实验中，仅采用LED实验用灯照明时，背景光、光斑及灰度视标的亮度可变范围分别为 0.1～80 cd/m2，10～100 cd/m2及0.3 ～0.5 cd/m2），使观测者在特定的视看条件下作出最快的反应，并通过按键由电子快门记录下其反应时间，通过对实测结果的分析，寻求在不同光照条件下，反应时间随不同光源、色温、背景亮度、视标对比度和视标偏心角的变化规律。系统由弱光灯箱、强光灯箱、光学系统、电子计时仪和观测箱五个部分构成(见图1）。

1）弱光灯箱:弱光灯箱内可分别安装MH灯、HPS灯和LED灯源，用以产生低亮度背景光和正对比测量方式下的目标光斑。箱内设有风机散热装置，以防止高温所带来的负面影响。光源供电可由开关进行切换。灯箱内的调节装置可保证光源发光体的中轴线通过透光孔圆心，使出射光有效地被透镜汇聚。

2）强光灯箱:为使该系统模拟隧道入口及出口段的黑洞及白洞效应现象，可通过眼动仪测量人眼在此状况下的瞳孔变化情况，以掌握其视觉滞后规律(因篇幅所限，该实验过程及控制原理，本文中不再作详细介绍），或需要高亮度的背景光时，故在观测箱顶部设有强光灯箱。灯箱内所设置的金卤灯、高压钠灯和LED灯源可通过调节手轮控制光源发光体进入灯箱的长度，以此改变观测箱内的背景亮度(其中的遮光罩用于瞬时遮挡钠灯和金卤灯在切断电源后的余光，以模拟隧道入口段的白洞效应现象），即在弱光灯箱的组合下，可增大观测箱内的背景光亮度范围，以满足负对比的测量方式。

图1 道路及隧道照明视觉功效测量系统示意图

3）光学系统，如图2所示，由透镜、反光镜、可变光栏、减光片及其调节装置构成的光学系统，运用几何光学的原理，可将来自弱光灯箱光源的发散光汇聚为平行光束，并以不同的光路在观测箱内形成背景光和视标光斑。光路中的反光镜、可变光栏及减光片可控制光路和观测箱内的亮度变化(包括背景光和视标光斑），可将观测箱中的背景光控制在低亮度的范围内，以满足正对比测试需要。

整个光学系统被封闭在暗箱内，可有效防止杂散光对测量带来的误差。

暗箱外侧的调节手轮，用来控制减光片的透光率，以进光量的大小改变观测箱内的亮度范围。

4）电子计时仪:电子计时仪由电源、微处理器、显示模块、电子快门和四组控制按钮组成，其基本结构如图3所示。

电源采用交流变压器将220 V市电转变为双15 V交流信号，并经整流、滤波后分别变换为5 V和12 V直流信号，再经三端稳压模块为微处理器、显示模块和电磁继电器提供电能。

图2 道路及隧道照明视觉功效测量系统(侧立面）构造示意图

图3 电子计时仪基本结构框图

微处理器是整个计时仪的核心，它响应并执行外部的各种命令，从而控制光路的开、闭和遮光筒的起落，并将受检者的反应时间在LED数码块上显示出来。

显示模块由4位数码管和4块74LS164集成电路构成，可在微处理器的控制下显示十进制数据。

电子快门由电磁继电器和机械光路快门构成，并由微处理器控制继电器的吸合，以光路和机械快门的开、闭，实现对光源的选择及目标光斑和灰色视标的控制。

图4为电子计时仪操作软件流程框图，由图4可知，启动电源后，微处理器开始执行程序流程。按下“开始”按纽，经过6～8 s，计时仪进入工作状态，首先选择待测光源，接着启动操作软件，进入TEST界面后，输入测量信息，然后启动“眼动仪”测量软件，接着按下“测量”按钮，此时，根据所选的测量方式(正对比或负对比测量方式），微处理器将控制电子快门打开，观测箱内出现目标光斑或灰色视标，受检者立即按下手动开关，微处理器产生中断，进入中断处理程序，此时快门关闭，并计算出受检者的反应时间和眼动仪的启动及结束时间(眼动仪将在该时间段内自动记录下受测人的瞳孔变化过程），在数码管上显示出来。如果2 s后，受检者还未按下开关，微处理器则认为检测无效，并自动关闭电子快门，再次按下“开始”按纽，仪器进入下一次检测。计时仪的四个控制按钮可分别进行测试开始、复位、反应时间记录和调光控制的操作。

图4 电子计时仪操作软件流程框图

5）观测箱:观测箱为一直径2.0 m，高0.75 m的半圆柱空间，背板下端开有观察孔和监测孔，可分别进行目视观测和亮度监测。

箱体内壁喷有均匀扩散材料硫酸钡，由光学系统汇聚和调整后的光线进入箱体后，经背板内壁处反光镜反射至内壁两侧，分别形成均匀散射的背景光和高汇聚的视标光斑，以满足正对比测量需要。观测箱背部底段设有暗目标组，即由三种不同反射比的灰色视标组成。为满足视标偏心角的变化，三个视标分别为0°、左偏 10°和右偏 10°(0°位于观测者视线中轴方向），每次测量前，可在受测人未知的情况下，事先改变视标偏心角，以测取不同偏心角下的受测人反应时间。顶部的强光灯箱可控制箱体内的亮度变化，以改变灰色视标的亮度值，从而满足负对比的测量需要。

观测箱是受检者的直接观测对象，其内部的光照条件，必须满足实验要求，它是整个系统的重要组成部分。

3 亮度监测及瞳孔测量

要保证背景光亮度在规定的范围内，或控制视标光斑和灰色视标的强弱变化，均需采用高精度的亮度计进行监测并调控。本系统采用了日本Topcon公司的BM－5A色度/亮度计，进行亮度监测，该仪器设有0.1°/0.2°/1°/2°4 个测量角，亮度测量范围为:0.0001 ～1200000 cd/m2。亮度测量精度为±4%of rdg。

系统还同时采用了德国SMI公司生产的IVIEW X眼动仪测取受测人的瞳孔变化。该设备运用红外和眼罩式微型摄像机可分别进行人眼瞳孔和视线追踪测量。测试过程中，被测者头戴装有半反半透镜和红外摄像机的头盔(头盔的种类可选择），被测者目光透过眼前的半反半透镜注视物体图像，一部分光线反射到摄像头被记录下来，从而确定眼珠和瞳孔的位置，计算出眼珠的水平和垂直运动的时间、距离、速度及瞳孔直径。另一个摄像头摄取被测者注视的物体图像并确定注视位置。摄像机可追踪虹膜和瞳孔上的角膜反射对头部相对运动进行补偿。摄像机每秒采集50祯图像(特殊应用时可以有更高的采样频率）。仪器具有自动校准功能，可随时校准受测者因头部或身体摆动而引起的误差，从而保证仪器的测量精度。

4 实验方法及数据处理

4.1 实验方法

系统分别对HPS和4种色温的LED光源进行了实测，并获得了20～25岁(受测人均具有正常的色觉和矫正视力）年龄段，共有5人的反应时间测试数据。

每个受检者在150 W HPS灯和均为14 W的4种不同色温LED光源照明下，分别以0.5～1.5 cd/m2范围内的4个背景亮度，0°和左右10°偏心角和0.4°视标对比值为条件进行反应时间测试，实验参数设置见表1。每个受检者的各项测试不低于十个数据，并剔掉其中的异常数据再取其平均，以防止生理和心理上的不稳定因素所带来的测量误差。

表1 实验参数列表

实验在暗室中进行，测量前，受检者有足够的适应时间。测量时，受检者右眼紧靠观测箱右侧的观测孔，当探测到视标出现时，快速按下控制钮，电子记录仪和眼动仪将实时记录下受检者的反应时间和瞳孔变化。

4.2 数据处理结果

利用统计分析软件对4种背景亮度下(包括不同偏心角和确定视标对比度）的6000多条反应时间实测数据进行了数据处理，并通过回归分析，分别得到高压钠灯和4种色温LED光源下反应时间与背景亮度之间的函数表达式和各测量条件下的反应时间平均值，并得到了4种背景亮度下被测人员反应时间随光源色温变化曲线，见表2、图5。

表2 受测人在各背景亮度下的反应时间(ms）

由表2和图5不难看出:在各背景亮度下，受测人的反应时间随色温的变化趋势基本一致，但相对于低色温和高色温时的反应时间，中间色温时的反应时间最短。在所测量的光源中，4700 K色温的LED与1650 K色温的HPS光源对受测人视觉功效的影响相差不大，但将其相比于另3种色温的LED光源，其视觉功效相对较差。这说明，在道路照明的中间视觉亮度条件下，中低色温的LED光源所产生的照明效果较好，而低色温的HPS光源和高色温的LED光源所产生的照明效果相对较差。

图5 4种背景亮度下被测人员反应时间随光源色温变化曲线

由图5中反应时间随光源色温变化曲线的趋势亦可表明，色温在3500 K附近时反应时间最短，此时，受测人应具有最佳视觉功效，即照明效果最好。

需说明的是，在图5中，4种背景亮度下被测人员的反应时间随光源色温的变化趋势存在局部差异，这是由于人类具有复杂的生理或心理特点，因此，所导致的测量误差在所难免，但测量精度应在误差允许范围内，这由所有曲线变化的一致性亦可看出。

5 小结

实验及研究结果表明，道路和隧道照明视觉功效测量系统具有较高的测试精度和工作效率。它模拟实际的视觉作业环境，以人眼视觉系统对信息的处理机制为根据，以此评价人眼真实的视见能力，满足了采用视觉功效法研究光源色温对视觉功效影响的需要。同时，该设备还可应用于隧道入口和出口段的视觉功效测量，以探究出科学合理的亮度标准，从而防止黑洞或白洞效应对驾驶人员带来的安全隐患并提高节能效果。事实证明，该设备的成功研制及其应用，为创建安全、节能与舒适的道路及隧道照明环境，提供了可靠的实验依据。对我国道路和隧道照明工程的实施具有重要的应用价值。

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