公路隧道照明中對(duì)比顯示系數(shù)閾值研究實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

蔡賢云，翁 季，杜 峰，張青文

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

公路隧道照明中對(duì)比顯示系數(shù)閾值研究實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

蔡賢云，翁 季，杜 峰，張青文

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

文章建立了對(duì)比顯示系數(shù)閾值與閾限亮度差之間的關(guān)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(chǔ)求得對(duì)比顯示系數(shù)閾值qc0。在明確實(shí)驗(yàn)依據(jù)和目的后，詳細(xì)論述了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇情況和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定，實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括觀察視角、背景亮度、識(shí)別幾率和觀察者的選取等內(nèi)容。

對(duì)比顯示系數(shù)閾值；閾限亮度差；定值刺激法；實(shí)驗(yàn)設(shè)備；實(shí)驗(yàn)參數(shù)

0 引 言

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

(1)

公式(1)中qc即為對(duì)比顯示系數(shù)，qc表示給定區(qū)域的路面亮度Lb與小目標(biāo)物面向行車方向中點(diǎn)處的垂直照度Ev之間的比值，qc=Lb/Ev。在CIE 189—2010中，對(duì)比顯示系數(shù)被視為公路隧道照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)依據(jù)之一。但現(xiàn)階段關(guān)于對(duì)比顯示系數(shù)的研究較少，通過實(shí)驗(yàn)確定對(duì)比顯示系數(shù)與隧道內(nèi)光的空間相對(duì)分布有關(guān)，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(nèi)的反射增量系數(shù)有關(guān)。

道路照明中對(duì)小目標(biāo)物可見度的研究很多，但隧道照明中卻缺乏對(duì)可見度的探討，重慶大學(xué)杜峰曾對(duì)國內(nèi)外以可見度為基礎(chǔ)的隧道照明設(shè)計(jì)方法作了分析，并對(duì)該方法作了展望。筆者也曾將道路照明中小目標(biāo)物可見度引入對(duì)比顯示系數(shù)的研究中，通過對(duì)可見度中閾限亮度差ΔL0的研究，建立對(duì)比顯示系數(shù)與閾限亮度差之間的關(guān)系。在確立了對(duì)比顯示系數(shù)閾值和閾限亮度差的關(guān)系后，在做具體實(shí)驗(yàn)之前，需要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備進(jìn)行選取，并確定合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如此才能確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過研究已經(jīng)得到路面背景亮度Lb、閾限亮度差ΔL0和對(duì)比顯示系數(shù)qc之間的關(guān)系(如公式2所示)。閾限亮度差ΔL0是指剛剛滿足小目標(biāo)物被看見時(shí)目標(biāo)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(duì)比顯示系數(shù)閾值。

ΔL0=Lt-Lb

(3)

從公式2中可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)背景亮度Lb不變時(shí)，閾限亮度差ΔL0越高，則對(duì)比顯示系數(shù)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(guān)，三者之間的視覺功效關(guān)系可以通過視覺實(shí)驗(yàn)求得，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(chǔ)求得對(duì)比顯示系數(shù)閾值qc0，可見閾限亮度差ΔL0是核心。

2 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

常用的測(cè)量閾限亮度差ΔL0的方法有3種：定值刺激法(又被稱為強(qiáng)迫選擇法)、極限法和調(diào)整法。在道路照明的研究領(lǐng)域，通常采用定值刺激法和調(diào)整法。Aulhorn和Adrian關(guān)于小目標(biāo)物可見度研究中閾限亮度差的確定采用了調(diào)整法，即被測(cè)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(guān)于閾限亮度差的研究應(yīng)用了定值刺激法。將刺激量分成多份并且保證刺激量隨機(jī)出現(xiàn)，觀察者在不同刺激量影響下觀察到的結(jié)果被記錄下來進(jìn)而獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)分析，獲得觀察者正確識(shí)別幾率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的閾限亮度差。重慶大學(xué)張晟鵬碩士論文《城區(qū)機(jī)動(dòng)車道路照明可見度研究》和翁季教授的《機(jī)動(dòng)車交通道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究》也采用了定值刺激法。

文章關(guān)于閾限亮度差的視覺實(shí)驗(yàn)采用定值刺激法來研究。結(jié)合Blackwell的初始實(shí)驗(yàn)情況和翁季、張晟鵬論文的實(shí)驗(yàn)方法，并且受經(jīng)濟(jì)條件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和時(shí)間等因素的制約，采用計(jì)算機(jī)模擬來完成閾限亮度差視覺實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.1 實(shí)驗(yàn)程序

閥限亮度差實(shí)驗(yàn)程序使用符合萬維網(wǎng)協(xié)會(huì)推薦的HTML5和SVG規(guī)范進(jìn)行編寫，并且在Microsoft Internet Explorer 11上進(jìn)行了多次測(cè)試，可以正確運(yùn)行，滿足實(shí)驗(yàn)要求，程序界面如圖1所示。實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)際觀測(cè)距離，調(diào)整朗道爾環(huán)各參數(shù)值。在調(diào)整好背景亮度、圖片亮度和圖片停留時(shí)間后，點(diǎn)擊“開始測(cè)試”按鈕即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。受試者通過鍵盤上的“上下左右”方向鍵來判斷朗道爾環(huán)開口方向。實(shí)驗(yàn)完成后會(huì)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2)，可直接復(fù)制或?qū)С霰４妗?/p>

圖1 程序操作界面

圖2 程序測(cè)試結(jié)果界面

3.2 顯示器

顯示器屏幕背景亮度和小目標(biāo)物(即朗道爾環(huán))亮度是否均勻分布需要通過亮度計(jì)測(cè)量來確定。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，重復(fù)測(cè)量屏幕和朗道爾環(huán)不同位置的亮度(各測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示)。在測(cè)量各測(cè)點(diǎn)亮度基礎(chǔ)上，分析各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差是否在誤差允許范圍之內(nèi)，是否能達(dá)到閾限亮度差視覺實(shí)驗(yàn)的要求。

3.3 LM-3亮度計(jì)

LM-3瞄點(diǎn)式亮度計(jì)如圖4所示，該亮度計(jì)為成像式亮度計(jì)，選用穩(wěn)定性高，光譜響應(yīng)曲線與CIE發(fā)布的V(λ)曲線嚴(yán)格匹配的光電探測(cè)部件，并具有嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)和低功耗液晶顯示器。LM-3瞄點(diǎn)式亮度計(jì)具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、使用方便和節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)。LM-3亮度計(jì)的亮度測(cè)量范圍為0.001～4 000 000 cd/m2，亮度測(cè)量精度為±3 %。LM-3瞄點(diǎn)式亮度計(jì)內(nèi)置4個(gè)視場(chǎng)角(1°，0.3°，0.1°，0.03°)，最小視場(chǎng)角可達(dá)0.03°，精確的瞄準(zhǔn)裝置和極小的視場(chǎng)角可滿足隧道照明測(cè)量需要。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布圖

圖4 LM-3亮度計(jì)

3.4 觀察裝置

實(shí)驗(yàn)中朗道爾環(huán)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(jì)算機(jī)編程時(shí)各視角的開口尺寸已經(jīng)確定，實(shí)驗(yàn)時(shí)需保證觀察者和計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)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(huán)開口方向。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

4.1 視角α的確定

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

(4)

公式中d為視標(biāo)的開口尺寸，l為停車視距(與行車速度有關(guān))。因此最終確立的四個(gè)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(jù)國際照明委員會(huì)及JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》的規(guī)定，隧道入口段宜劃分為th1、th2兩個(gè)照明段，其對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)亮度的取值依據(jù)。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(shí)際測(cè)試中得到的屏幕背景亮度與理論值有偏差。在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際屏幕背景亮度可由對(duì)應(yīng)的背景亮度標(biāo)定數(shù)值來衡量。

4.3 識(shí)別幾率的確定

按照清華大學(xué)詹慶旋教授《建筑光環(huán)境》,識(shí)別幾率的計(jì)算公式如下：

(5)

其中，P為識(shí)別幾率，nT為被測(cè)試者正確回答的次數(shù)，n為目標(biāo)物出現(xiàn)的總次數(shù)，k為目標(biāo)物開口方向數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)物出現(xiàn)總次數(shù)為12次，目標(biāo)物開口方向?yàn)?。

在閾限亮度差預(yù)備實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，觀察者判別朗道爾環(huán)開口方向變化時(shí)，因個(gè)體性差異，每一組12次中正確判斷的范圍為6～8次，對(duì)應(yīng)的識(shí)別幾率為33.33%～55.56%，因此閾限亮度差實(shí)驗(yàn)識(shí)別幾率選擇從33.33%(正確判斷6次)開始。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況選取的6種不同識(shí)別幾率及正確判斷次數(shù)如表2所示。

表2 識(shí)別幾率表

4.4 觀察者的選取

本實(shí)驗(yàn)每次由兩名測(cè)試者和兩名觀察者(被測(cè)試者)共同完成。兩名測(cè)試者分工明確，其中一人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)各參數(shù)的調(diào)節(jié)，另一名測(cè)試者負(fù)責(zé)記錄。 觀察者總共選取20人，視力正常，未經(jīng)過屈光矯正(屈光不正包括遠(yuǎn)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(jié) 論

文章通過小目標(biāo)物可見度來研究對(duì)比顯示系數(shù)，并建立了對(duì)比顯示系數(shù)閾值和閾限亮度差之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究閾限亮度差，確立了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，并確定了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇和改造。而在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定上，主要從觀察視角、背景亮度、識(shí)別幾率和觀察者的選取四個(gè)方面做了詳細(xì)說明，以期能進(jìn)一步完善具體實(shí)驗(yàn)。

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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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278507)

蔡賢云，男，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院博士研究生，主要從事建筑光環(huán)境研究。

照明研究