暗視覺測量及中間視覺評價體系——以1980A 彩色亮度計為測試工具

倪孟麟，張 瑩，張志宏，董樹凱

(天津市照明學(xué)會計量測試專業(yè)委員會)

1 錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞

錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞是以它們的形狀命名的，錐狀細(xì)胞b 和桿狀細(xì)胞a 的末端靠近脈絡(luò)膜，它們位于視網(wǎng)膜的最后層。光線由角膜進(jìn)入眼球至視網(wǎng)膜，先通過視網(wǎng)膜的其他層次，最后才到達(dá)桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。第二層為雙極細(xì)胞和其他細(xì)胞，桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞都與雙極細(xì)胞連結(jié)。一般來說，每一個錐狀細(xì)胞都與一個雙極細(xì)胞相連接。這是為了在光亮條件下，每一個錐狀細(xì)胞作為一個單元，能夠精準(zhǔn)地分辨外界景象的細(xì)節(jié)。而桿狀細(xì)胞則不同，幾個桿狀細(xì)胞只連結(jié)一個雙極細(xì)胞。這是為了在黑暗條件下通過幾個桿狀細(xì)胞對外界的微弱光起總合作用。

越靠近視網(wǎng)膜邊緣部分，桿狀細(xì)胞越多。桿狀細(xì)胞的靈敏度極高，在低照度下，主要靠它來辨別明暗，但對彩色不敏感，主要確定人眼的暗視覺特性;越靠近視網(wǎng)膜中心部分，錐狀細(xì)胞越密，它既能辨別光的強(qiáng)弱，又能辨別顏色，主要確定人眼的明視覺特性，白天視覺過程主要由錐狀細(xì)胞完成;夜晚的視覺過程主要由桿狀細(xì)胞起作用，所以人們在夜晚只能看到黑白畫面，無法辨別顏色。科學(xué)工作者奧斯特伯格(G ﹒Osterberg)曾以視網(wǎng)膜的164 個代表區(qū)為取樣區(qū)，計算了錐狀細(xì)胞與桿狀細(xì)胞的分布情況，發(fā)現(xiàn)人眼視網(wǎng)膜大約有650 萬個錐狀細(xì)胞和1 億個桿狀細(xì)胞，視網(wǎng)膜的中央窩每平方毫米有14 萬～16 萬個錐狀細(xì)胞。離開中央窩，錐狀細(xì)胞急劇減少，而桿狀細(xì)胞急劇增多，在離開中央窩20°的地方，桿狀細(xì)胞的數(shù)量最多，這就是人眼對中心和邊緣圖像具有不同分辨力的原因。

2 明視覺和暗視覺

明視覺狀態(tài)下，人眼的錐狀細(xì)胞起主導(dǎo)作用，對波長為555 nm 的黃綠光最敏感;暗視覺環(huán)境下，人眼的桿狀細(xì)胞發(fā)揮作用，對波長為507 nm 的藍(lán)綠光最敏感;夜景照明有些屬于中間視覺，而道路照明大多屬于中間視覺，兩種視覺細(xì)胞同時感知，對波長為507～555 nm范圍的綠光最敏感。目前國際上尚沒有中間視覺的定量數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模式，用同一測試儀器1980A 可分別測出明視覺暗視覺的光度數(shù)據(jù)，為確切獲取S/P 數(shù)據(jù)和建立中間視覺的數(shù)學(xué)模式奠定必要的基礎(chǔ)。

人眼對桿狀細(xì)胞與錐狀細(xì)胞的最大感受在光波的不同部位。桿狀細(xì)胞決定人眼的暗視覺特性，它在510 nm(藍(lán)綠色)時具有最低相對輻射能量，即波長為510 nm 處具有最高靈敏度。錐狀細(xì)胞決定人眼的明視覺特性，它在波長為555 nm(黃綠色)處具有最高靈敏度，在400 nm 和700 nm 處明視覺特性具有最低靈敏度。

國際照明委員會規(guī)定了明視覺特性曲線和暗視覺曲線，兩種視覺特性見圖1。CIE 明視覺特性和暗視覺特性在色度學(xué)中分別稱為“CIE 明視覺標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”和“CIE 暗視覺標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”，它們代表光譜不同波長的能量對人眼產(chǎn)生光感覺的效率，雖然兩條曲線的明亮度相差很大，但為了方便使用，CIE將兩條曲線進(jìn)行了歸一化處理，使明視覺函數(shù)和暗視覺函數(shù)均成為相對值。用公式表示，即在引起明亮感相等的條件下

式中φλm和φλ分別為波長λm和λ 的輻射通量。

CIE 正式推薦的明視覺光譜光效率曲線［V(λ)］和暗視覺光譜光效率曲線［V'(λ)］是將原CIE 1924明視覺曲線和CIE 1951 暗視覺曲線修勻后用算術(shù)坐標(biāo)表示，成為兩條近似對稱的圓鐘形曲線，見圖1。［V(λ)］和［V'(λ)］的函數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

圖1 明視覺和暗視覺的光譜光效率

表1 明視覺與暗視覺的光譜光效率函數(shù)(最大值為1)

續(xù)表

在圖1 中，V(λ)和V'(λ)的相對值代表等能光譜波長λ 的單色輻射所引起的明亮感覺的程度，明視覺曲線V(λ)的最大值在555 nm 處，即光譜555 nm 波長的黃綠色最明亮，越向光譜兩端的光愈來愈暗;暗視覺曲線V'(λ)的最大值在507 nm 處，即507 nm 波長的光譜最明亮。整個暗視覺曲線V'(λ)相對于明視覺曲線V(λ)向短波方向推移，長波端的能見范圍減小，短波端的能見范圍略有擴(kuò)大。暗視覺曲線V'(λ)的形狀主要決定于桿狀細(xì)胞的視覺特性，適用于0.001 cd/m2以下的亮度水平;明視覺曲線V(λ)的形狀主要決定于錐狀細(xì)胞的視覺特性，適用于1 cd/m2以上的亮度水平。在明視覺和暗視覺之間的亮度稱為中間視覺。中間視覺既有錐狀細(xì)胞參與，也有桿狀細(xì)胞參與。在明視覺條件下觀察大面積表面時(＞10°視場角)，多少也有桿狀細(xì)胞參與，因此明視覺特性略有變動。

在人眼可以感覺的部分，人眼對各個波長光的感覺也不同，因而按照CIE 標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的視覺特性［V(λ)和V'(λ)］來評價的輻通量Φe即為光通量Φv，輻通量與光通量的關(guān)系為:

對于明視覺

對于暗視覺

式中Km是明視覺的最大光譜光效率函數(shù)。

3 嚴(yán)格和確切獲取S/P 是研究中間視覺的關(guān)鍵與中心

夜景照明與人類中間視覺密切相關(guān)，在夜景照明和道路照明的光環(huán)境中，人類視覺器官的錐狀細(xì)胞與桿狀細(xì)胞同時參與相應(yīng)的觀察與感知。目前國際上尚沒有中間視覺的定量數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模式，本文提出用同一測試儀器1980A 分別測出明視覺和暗視覺的光度數(shù)據(jù)，以克服不同儀器帶來的誤差，為確切獲取S/P數(shù)據(jù)和建立中間視覺的數(shù)學(xué)模式奠定必要的基礎(chǔ)。

對不同光源的光譜分布P(λ)，可用暗視覺范圍的光譜光視效率V'(λ)分光迭加后得到暗視覺時的光通S(相對)和用明視覺范圍的光譜光視效率V (λ)分光迭加后得到明視覺時的光通P(相對)，為此，S/P能代表一個光源在暗視覺和明視覺下產(chǎn)生的光通之間的差異。

文章認(rèn)為最中心的問題是確切和嚴(yán)格測出明視覺S 與暗視覺P，獲取S/P 數(shù)值，其中最關(guān)鍵是應(yīng)采用同一測試儀器分別測出人類明視覺與暗視覺的定量數(shù)據(jù)，以克服儀器之間所帶來的差別。

1980A 彩色亮度計亮度測試范圍寬達(dá)10-4cd/m2到108cd/m2。

1980A 有兩組濾波器旋轉(zhuǎn)支架，每組可分別裝入七種濾波器，因此可以實現(xiàn)在一臺1980A 分別裝入明視覺濾光片PHOTOPIC 和夜視濾光片Scotopic(night vision)Filter，可以確切嚴(yán)格地實現(xiàn)測量相應(yīng)情況下人類的明視覺和暗視覺并獲取S/P 數(shù)值，2010年v國際照明委員會正式出臺了基于視覺功效的中間視覺光度學(xué)推薦系統(tǒng)，這是一個重大的突破，對未來LED 道路照明的發(fā)展和推廣有著重要的意義。

同時能測量明視覺和暗視覺的彩色亮度計的測試結(jié)果將會有助于逐漸建立準(zhǔn)確的中間視覺評價體系。

1980A 彩色亮度計同時含夜視濾光片Scotopic(night vision)Filter measuring below 0.34 cd/m2，可以測量和研究相應(yīng)情況下人類的視覺，我們可提供該儀器和各種類型的技術(shù)服務(wù)。

［1］倪孟麟.彩色電視的彩色還原［J］.電視技術(shù)通訊，1979

［2］荊其誠，等.色度學(xué)［M］.科學(xué)出版社，1979

［3］倪孟麟，等.彩色電視彩色復(fù)現(xiàn)的測量與理想色度值的測定［J］.世界廣播電視，1996

［4］倪孟麟.數(shù)字圖像系統(tǒng)的色度測定及顏色校準(zhǔn)［R］.世界廣播電視，1995

［5］倪孟麟.彩色電視的彩色復(fù)現(xiàn)［R］電視技術(shù)論壇，2001

［6］殷玉喆，馬煜，周慶國，等.光源色度國家基標(biāo)準(zhǔn)裝置體系的建設(shè)［S］

［7］安永成，等.彩色電視機(jī)性能測量與方法［M］.電子工業(yè)出版社