光源光谱能量分布对行人视觉作业的影响研究回顾*

杨 秀 郝洛西

(同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

1 引言

按照国际照明委员会 (CIE)的规定，中间视觉(Mesopic vision)的亮度水平范围为0.001～3cd/m2，介于明视觉 (Photopic vision，亮度水平大于3 cd/m2)和暗视觉 (Scotopic vision，亮度水平小于0.001 cd/m2)之间［1］，人行道路照明正处于中间视觉亮度范围。目前，国际上研究中间视觉的方法主要有视亮度匹配法和视觉功效法［2］。早期的研究主要集中于前者，而近十年来由于后者更接近实际的视觉情况而逐渐被研究人员所重视。2010年CIE 1-58技术委员会发布了的技术报告CIE 191:2010，报告中推荐了基于视觉功效法的中间视觉光度学系统模型［3］，这有助于开展中间视觉条件下相关视觉作业及功效的深入研究。目前的研究主要集中于机动车道路照明，较少涉及人行道路，而机动车道路与人行道路照明场景中的视觉作业差异很大。在实际的人行道路照明场景中，路面水平照度、垂直照度、亮度及亮度对比度、眩光、光照分布等等都是影响视觉辨认的重要照明因素。但在人行道路中的不同适应亮度环境下，被激活的人眼感光细胞对于光谱的响应敏感度存在明显差异［4］，使得光源光谱能量分布 (SPD，Spectral power distribution)对行人的视觉作业产生重要影响。然而从目前中间视觉领域的研究来看，SPD对于真实场景中何种视觉作业具有怎么样的影响，以及对这些视觉作业的影响程度等内容尚未获得统一的结论［5，6］。

本文有三个目的:首先，从理论上寻找证据，证明在人行道路照明条件下SPD是一个影响视觉辨认的重要因子;其次，了解在人行道路照明真实场景中照明需求，以及最重要的视觉作业有哪些;第三，客观的分析过去的研究，评价SPD对于视觉辨认的影响是否已被证实，相关研究到何种程度，如果没有，接下来我们需要做哪些实验工作。

2 中间视觉条件下人眼的视觉生理学特征

人眼视觉系统的视网膜中存在四种感光细胞，每种都含有不同的感光色素，因此对于不同SPD的光谱敏感度存在差异。这四种感光细胞可分为两类:杆状细胞和锥状细胞。所有的杆状细胞都具有相同的光谱敏感度。其他三种感光统称为锥状细胞 (分别是短波-锥状细胞、中波-锥状细胞和长波-锥状细胞)，每种感光细胞对于不同波长光的敏感度存在明显差异。杆状细胞和锥状细胞在视网膜上的分布是不均匀的 (见图1)，锥状细胞主要集中在视轴上中央凹的小区域范围内，而且视网膜上的其他区域也分布着少量的锥状细胞。在黄斑处没有杆状细胞，从中央窝越往外，杆状细胞的密度越来越大，到偏离视轴约15°处达到最大。三种锥状细胞在视网膜上的分布也是不均匀的，中波-锥状细胞和长波-锥状细胞主要集中在中央凹，而短波-锥状细胞大量集中在中央凹外围，但随后往外的区域内就出现骤减［4］。

图1 视网膜上锥状细胞与杆状细胞随着视野偏心度变化的分布情况

由于锥状细胞和杆状细胞的不同光敏感性以及在视网膜内分布的区域不同，使得这两类细胞在具体的视觉作业时所承担的作用也不同，杆状细胞对于视野周围活动的对象有很高的识别能力，同时感光度比锥状细胞高，对识别暗处对象有很大的帮助，但没有分辨颜色的能力。而锥状细胞主要是用于观察线上视觉内各种对象的运动、形状、颜色等细节内容。从明视觉到暗视觉过渡的中间视觉状态下，锥状细胞与杆状细胞共同起作用，但人眼视网膜内被激活的锥状感光细胞数目逐渐减少，杆状细胞则越来越多，也导致眼睛所响应的光谱灵敏度曲线逐渐向短波方向移动，最大光谱光视效能值也从明视觉的555nm逐渐向暗视觉的507nm靠近，这种现象被称为“浦尔金耶偏移”(Purkinje Shift)。这一改变是由人眼视网膜中的感光细胞的分光灵敏度特性决定的。因此，在进行一定的视觉作业时，不同SPD的光源对视觉作业的影响是可能存在较大差异。

在颜色视觉信息处理方面，存在着三种视觉通道，这取决于三种锥状细胞对于不同波长光的分光敏感性的特征 (见图2)，使得光源SPD对人眼在颜色视觉方面的视觉处理显得至关重要。根据三种锥状细胞之间的相互组合，可得到一个非颜色无拮抗通道和两个颜色拮抗通道，它们分别是非颜色通道、红-绿拮抗通道和黄-蓝拮抗通道。而这些颜色视觉系统的拮抗结构决定了视觉作业中对颜色的感知［4，7］，而且无论是明视觉还是中间视觉这三个通道都是共同被激活的。

图2 长波-锥状细胞、中波-锥状细胞和短波-锥状细胞对于不同波长光的相对敏感度

从以上人眼在中间视觉条件下的生理学特征的分析可知，不同感光细胞具有不同的分光敏感度，而且在不同的视场角范围内起作用的感光细胞也不同，以及颜色视觉信息处理中的三个颜色通道的存在，使得在不同适应亮度的中间视觉条件下，光源SPD对人行道路照明中的视觉作业必定存在影响。

3 人行道路照明场景中的视觉作业

要想了解人行道路照明中光源光谱能量分布(SPD)对视觉辨认的影响情况，那么就首先需要知道真实人行道路照明场景中的主要视觉作业有哪些?

从相关理论可知，人的需求有生理、安全、社交和自我价值实现等的需求，这也是室外照明应满足行人的最基本需求。在人行道路照明中，首先应满足对环境的特征认知，满足行人对环境的安全感、舒适感和明亮感的需求;满足行人在行走过程中能察觉地面上的高差或障碍物;满足步行者能有足够的时间辨认行人的衣着、举动和面部特征等，以确定他们的意图，在必要的时候采取防卫动作或逃避;可以较为方便地认清路牌和标识等内容。行人的视觉作业与需求和驾驶员的有很大不同，满足机动车驾驶员视觉功效要求的照明指标，可能不适用于人行道路。步行道路内的移动速度慢，在真实的视觉过程中，往往是多种视觉作业同时发生，如行人在行走中，用余光感受到了路边的路人，既而转向过去辨认该路人的面部特征，同时也会注意其衣着、动作等，甚至此时还会用余光去观察周边可能发生的情况以及障碍物和地面高差等，并可能再次转向去查看可能存在的标识和路牌等内容。这一系列的视觉活动所对应的视觉作业是非常复杂的，这些视觉作业中最先需要周边视觉 (off-axis)的探测，紧跟着才是使用线上视觉 (on-axis)的中央凹部分观察细节，并进行周边视觉与线上视觉的不断交替。因此，我们可以将这些人行步道中复杂的视觉过程简化和抽象成较为单一的视觉作业，如面部辨识、障碍物探测、标识识别、颜色识别等，而这些视觉作业也是步行道路照明中最基本和最主要的内容。

4 人行道路照明中SPD的影响作用

2010年CIE 1-58技术委员会发布了的技术报告CIE 191:2010推荐了基于视觉功效法的中间视觉光度学系统模型，这有助于开展中间视觉条件下相关视觉作业及功效的深入研究。那么，在中间视觉光度学模型被推荐之后，该领域的相关研究似乎应针对具体的视觉作业展开才更为合理。中间视觉下的视觉功效指标涉及到对视敏度 (visual acuity)、周边视觉探测 (off-axis detect)、对比灵敏度 (contrast sensitivity)、色彩辨认能力 (colour naming ability)等方面的考察，而反应到实际照明场中的视觉作业则表现为面部辨识、障碍物探测、标志识别和颜色识别等。

4.1 面部辨识

1982年van Bommel W.和Caminada E.基于E T Hall提出的“最接近区域”的概念，提出了用面部辨认距离的实验作为测量照明视觉功效的概念，并发现半柱面照度与面部辨识关系最密切，当半柱面照度在人的面部照度值为0.8lx时，在4m距离处将可使得它们被辨认出来，并将该距离内的相互辨认作为一个关键指标。［8，9］随后的面部辨识的研究基本上沿用了这一方法。

Boyce PR 和 Rea MS.(1990)［10］在一个开放场地进行了低压钠灯和高压钠灯的安全照明研究，结果发现安全照明可以增加对入侵者的探测和面部辨识，但低压钠灯和高压钠灯对于入侵者的探测和面部辨识具有同样的效果。Rea MS、Bullough JD、Akashi Y(2009)［11］的研究，在真实场景中分别在高压钠灯和金属卤化物灯光源下进行面部识别实验。该研究没有发现金属卤化物灯和高压钠灯两个场景下在统计学上的差异，并得出在该场景下，颜色信息对于面部辨识不重要。以上的研究并没有发现金卤灯和高压钠灯在在面部辨认方面影响的差异，但也有相关的研究与他们不同。

Raynham P、Saksvikrl nning T(2003)［9］在 van Bommel W.、Caminada E.(1982)［8］的基础上进行了类似的室内真实场景的模拟实验，让被试者走向一个被观察者或者两个距离3m的被观察者并辨认其面孔。结果显示，对于面部辨认，荧光灯白光确实远优于钠灯。Knight C、Van Kemenade J、Deveci Z(2007)［12］进行的户外真实场景的面部辨识实验，实验光源为高压钠灯 (2000K、显色性25)和两个金卤灯 (2800K，显色性大于60)，并让被试者距离15m的位置辨认灯前1.5m处的八张真人头像大小的名人照片。结果显示，在城市白光金卤灯光源下，居民辨识的面部照片所需要的平均距离高于高压钠灯，在相同的位置上金卤灯需要更低的垂直照度，甚至仅是高压钠灯的一半，而这归功于金卤灯黄光含量较少的特点，另外也说明了更好显色性有助于面部辨识。姚其等人 (2007)［13］也采用了C Knight同样的实验方法，结果显示金卤灯在面部辨识方面明显优于高压钠灯。C Knight(2010)［14］在欧洲三个国家采用类似的方法研究面部辨识，但实验的结果存在不一致性。在所有户外的实验中，大多数的被试认为比起高压钠灯来说，在金卤灯下具有更好的面部识别。但也存在钠灯下辨识距离更近的情况，作者分析了这个不一致可能是由于面部辨识的视觉作业较为复杂所致。

显然，关于光源光谱对面部辨识影响的研究尚未获得统一的答案。以上研究中采用的光源主要是高压钠灯、白光金卤灯或荧光灯，虽然这些对比光源在黄光含量方面有明显的区别，但在具体的研究结果分析中均未针对光源SPD，所以难以确定SPD与面部辨认之间的内在关系。还有一些原因可能导致研究结果的不一致，室外真实场景的研究中难以严格控制实验条件，实验中目标面部的照度数量和光分布在不断变化，目标或观察者的不同速度移动，不同的观察者需要不同的时间来思考等等，这都可能带来实验结果的偏差［15］;而且在诸多实验中被观察的对象是名人的照片，二维的照片也很难真实反应出三维的面部情况，这也增加了实验的误差。

4.2 障碍物探测

在中间视觉条件下对障碍物探测方面的研究，主要涉及被看物体的可见度和被探测程度等方面。居家奇、陈大华 (2006)［16］研究应急照明的光谱对疏散和逃生的影响，指出周边视觉的探测很重要，并说明在低照明情况下，光源的光谱能量分布如能很好匹配暗视觉光效函数的灵敏区域，那么就能采用较小功率的光源以弥补逃生的低照度。崔璐璐、陈仲林和殷颖 (2008)［17］针对车行道路照明中进行不同光源条件下小目标可见度的研究，结果表明显色性、光源色温对小目标辨认有最为直接的影响。Kurt W I、P E(2008)［18］研究了夜间驾驶条件下物体探测需求的可见度水平，并说明了年龄、前照灯的光束形式、目标的反射率对于警觉的驾驶员探测目标可见度具有很重要影响，而目标尺寸和位置对于目标探测时的可见度水平没有影响。以上的研究成果一定程度上说明了光源SPD对于小目标物体的可见度与探测具有一定的影响，但这些研究多集中与车行道路场景中可见度及反应时间等问题，而人行道路照明场景与车行道路中的视觉作业完全不同，对于人行道路来说，对障碍物的探测率更为重要。

Fotios S、Cheal C(2009)［19］针对人行道路照明场景中的视觉作业，研究了不同光源类型、照度及被试年龄对障碍物探测的影响。结果显示在0.2lx时障碍物探测受到光源类型的影响，且随着光源S/P值的增加，探测能力也随之提高。然而，针对人行道路真实场景中的障碍物探测研究还较少，主要由于受到实验可操作性的影响，但是室内模拟场景下障碍物探测值得开展，以更加精确的方法确定光源的SPD对人行道路照明场景中障碍物探测情况。

4.3 标识识别

人行道路照明中重要的视觉作业之一是标识识别，而这一视觉作业的好坏反应了中间视觉条件下人眼的视锐度。影响标识识别的因素有环境的适应亮度水平、照度水平、视标的亮度及亮度对比度等，但是照明光源的SPD对于标识识别是否有显著影响还不得而知。另外，在实际的人行道路照明场景中，标识识别还会存在颜色的因素［6］以及标识的正负对比差异问题［20］，这些对标识识别也存在较大影响。

许多研究表明光源SPD对于无颜色视标的视锐度辨识没有影响，如Eloholma等人 (1999)［21］测试不同亮度环境条件下的视锐度，实验中采用高低两种亮度对比度的Landolt环，亮度从0.19cd/m2到5.2cd/m2，实验用的照明光源是日光色的荧光灯以及加了红、绿、蓝滤色片的荧光灯，但结果显示在所有的亮度条件下，不同光谱的光源对Landolt环的视锐度影响均没有差别。PR Boyce等人 (1999［22］和2003［23］) 通过辨认Landolt环，研究了光源SPD对无颜色视觉目标辨认的影响，结果都显示光源光谱对视标的视觉辨认没有影响。

但在真实的场景中，标识的识别可能存在颜色信息，人眼的“颜色拮抗通道”对标识识别具有重要贡献［6，24］。FotiosS 和 Cheal C.(2007)［6］通过设计并置的两个试验箱进行对比实验，采用了四种不同的视觉目标:黑色Landolt环、Bailey-lovie视力表、Pelli-Robson视力表以及彩色的Landolt环，并分别在 五 个 光 源 (LPS、2000K-HPS、3000K-CFL、2800K-MH1、4200K-MH2)条件下，进行无颜色与颜色目标的视锐度等的实验。结果发现SPD对于中央的无颜色视标作业任务没有帮助，而在使用彩色目标的敏感视觉作业中，显示了目标颜色与SPD之间的相互作用关系，但具体是怎样的关系还需要进一步的研究才能确定。

4.4 颜色识别

在中间视觉条件下，视网膜内的锥状细胞依然活跃，使得颜色识别也是一个非常重要的视觉作业。如前所述，颜色视觉依赖于三个视觉通道作用，并对人行道路照明中对颜色视觉作业有贡献。但是对于人行道路照明中的颜色识别，起决定作用的是光源的显色性，而不是色温［25］。另外，随着LED光源的普及应用，用传统的CIR显色指数的颜色评价体系来评价LED光源存在缺陷:色空间不均匀、颜色样品饱和度过低等问题［26，27］。所以对颜色评价需要更多的关注。

Boyce PR、Bruno(1999)［22］的研究发现在中间视觉条件下照度水平的增加有助于颜色识别准确率的提高，金卤灯和紧凑型荧光灯比钠灯对颜色辨识更精准。英国标准BS5489-1(2003)甚至允许辅助街道上的照明在显色性与照度之间进行取舍，规定如果使用具有高显色性的光源，可以选择更低一级别的地面平均照度。Knight C、Van Kemenade J、Deveci Z(2007)［12］进行的户外真实场景中的颜色识别实验，在高压钠灯 (2000K、显色指数25)和两个金卤灯 (2800K，显色指数大于60)的场景下进行，让被试者距离15m的位置行进并辨认灯前1.5m处的8个颜色的毛巾，结果显示白光更有利于颜色的辨认。姚其等人 (2007)［13］在高压钠灯与金卤灯的道路上进行颜色识别的实验，结果显示对红色、黄色、蓝色的辨认，金卤灯优于高压钠灯，高压钠灯在黄绿色上的辨认优于金卤灯，但总体来说白光的金卤灯更具优势。

在人行道路照明场景中的颜色识别方面，白光的金卤灯比黄光的高压钠灯具有更高的颜色辨识能力和正确率，这似乎可以得出黄光含量较高的光源对于颜色辨识不利。但是我们同样知道高压钠灯的显色性远不如金卤灯，在颜色辨识方面的差异很可能是由于显色性的不同造成的。那么对于显色性相同的不同SPD光源来说，他们之间对于颜色辨认是否存在差异，还不得而知，需要开展更多具有针对性的研究来验证这一问题。

5 结语

从以上的分析我们已经清楚的知道，SPD对人行道路照明中的视觉作业有着重要的影响。但是从真实的视觉作业来看，SPD对何种视觉作业具有怎么样的影响，以及对于这些视觉作业的影响程度等还需要进一步的深入研究，而且即使已经获得一定结果的研究也可能存在问题，需要引起我们的注意。回顾这些研究，可分为两类:实验室条件下的实验研究和真实场景条件下的实验研究。我们不难发现这样的问题，实验室的研究完全脱离了人行道路的照明方式及光分布特点，采用更加抽象的方法进行，这些实验忽略了实际场景中不确定性而复杂的视觉作业间的相互影响。而实际场景条件下的研究，则受到环境的影响很大，很多影响因素难以控制，也可能导致了实验结果的偏差［15］。因此，我们需要重新梳理思路，提出更好的实验方法来进一步深入地研究中间视觉条件下的相关视觉问题。

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