不同照度和色溫下道路路標背景與辨識力之間的關(guān)系

衡濤，文惠，許統(tǒng)維

（1.深圳大學 建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 深圳 518060；2.深圳市建筑環(huán)境優(yōu)化設(shè)計研究重點實驗室，廣東 深圳 518060）

在道路照明中，路燈的照度及色溫值直接影響著道路照明的效果，影響著駕駛?cè)藛T對標識牌的辨識力，間接決定了行車速度和車間距. 為了保證參與交通人員的安全，道路照明必須保證一定的照度和舒適的色溫[1-2]. 盡管國內(nèi)外學者對夜間的行車安全問題進行了實驗研究，但是，鮮有實驗設(shè)計同時考慮照度、色溫對不同背景顏色標識牌辨識力的影響，以及性別與道路標識牌辨識力之間的關(guān)系[3-6].

目前國內(nèi)道路照明普遍存在照明不足和照度不均勻的現(xiàn)象，這將造成駕駛?cè)藛T的辨識力和舒適度降低，帶來交通安全隱患. 同時，廣泛應(yīng)用的LED 路燈的色溫隨意選取的現(xiàn)象也非常普遍，甚至在同一道路上出現(xiàn)色溫值懸殊的路燈，這都會對駕駛員的辨識力與舒適度造成一定的影響[6-8]. 為了保證行車安全，減少不必要的電能消耗，本文將探討在不同的照度與色溫環(huán)境下，不同背景顏色標識牌與辨識力的關(guān)系，以及不同性別與辨識力之間的關(guān)系，確定趨于理想的道路照明條件，以期為道路的照度及色溫設(shè)計提供參考.

1 實驗

1.1 實驗儀器

照度計，型號：杭州新葉 XYI-III，產(chǎn)地：浙江杭州；色度計，杭州新葉 XYC-I，產(chǎn)地：浙江杭州.

1.2 實驗設(shè)計

實驗中道路標識牌用不同背景顏色的國際標準視力表（后簡稱視標）替代[9]，本次實驗由兩部分組成：1）照度為變量，不同背景顏色視標與辨識力之間的關(guān)系研究；2）色溫為變量，不同背景顏色視標與辨識力之間的關(guān)系研究.

實驗對象為在校大學生，年齡在20～22 歲，男女各12 名，無基礎(chǔ)性眼疾，裸眼或矯正視力達到 1.0～1.2 的視力水平，男女兩組的視力條件相同. 交通道路標志配色為黃色背景黑色字體、綠色背景白色字體以及藍色背景白色字體（后文簡稱為黃底黑字、綠底白字及藍底白字）.

第一部分實驗（不同照度條件下）：實驗變量包括 9 組照度和 3 張不同背景顏色的視標（采用國際標準視力表）. 照度等級依據(jù)不同的夜間行車環(huán)境及預實驗分別選取為0.2 lx、0.5 lx、1 lx、2 lx、5 lx、10 lx、20 lx、50 lx、85 lx；色溫條件選擇日常照明中常見色溫4 500～ 5 000 K .

第二部分實驗（不同色溫條件下）：實驗變量包括 4 組色溫和 3 張不同背景顏色的視標（采用國際標準視力表）. 色溫等級依據(jù)不同的夜間行車環(huán)境及預實驗分別選取2 350 K、4 250 K、5 850 K、8150 K ；目前城市道路的限速一般為60～ 8 0 km/h ，依據(jù)相關(guān)文獻，時速70 km/h 的照度值為48 lx[1,7,10-11]，實驗中照度值取48 lx.

1.3 實驗場景

為了排除其他光源和反射光的干擾，實驗在地下某光學實驗室進行，室內(nèi)濕度和溫度恒定，四周用黑布形成圍擋，實驗場景如圖1 所示. 實驗前，對每位實驗人員在距離視力表5.0 m 處的固定位置進行矯正視力測試，其辨識力以標準視力表的讀數(shù)為量化指標. 為了減輕光源直射對實驗人員的影響，將光源背向?qū)嶒炚甙仓?，并在光源和實驗者之間設(shè)置兩個格柵（半徑分別為0.725 m 和5.0 m），以格柵中間圓形孔作為觀察口. 照度計和色度計測試點分別設(shè)在視力表的兩條對角線位置，測試數(shù)據(jù)并取其平均值.

圖1 實驗場景

1.4 實驗步驟

1）將視力表固定在指定位置

2）確定實驗常量值，調(diào)節(jié)色溫為4 500～ 5 000 K （第二部分實驗：調(diào)節(jié)照度為48 lx）.

3）調(diào)節(jié)照度到對應(yīng)的照度值（第二部分實驗：調(diào)節(jié)色溫到對應(yīng)的色溫值）

4）將測試者安排在距離視力表5 m 外的固定位置，依照工作人員的指示依次完成辨識任務(wù)，每個視標字母的識別時間為3 s，直到無法正確辨識，將被測人員能準確辨識的最后一排視力值作為其辨識力.

5）保持原照度（色溫）變量不變，更換視標，直到實驗者將 3 張不同背景顏色的視標全部辨識完畢.

6）調(diào)查測試者的舒適度情況，給出舒適度等級評價.

7）更換照度變量，重復上述實驗，直到9 組照度變量（4 組色溫變量）全部辨識完畢.

由于電流和燈具本身特性，整個實驗過程中的照度和色溫值波動在±3%（控制設(shè)備誤差范圍內(nèi)）范圍內(nèi).

2 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2.1 第一部分實驗數(shù)據(jù)分析

以照度值為橫坐標、辨識力值為縱坐標，繪制 24 位測試者在照度變化條件下對不同背景顏色視力表的辨識力變化規(guī)律，如圖 2 所示：1）實驗者的辨識力隨著照度的增加呈對數(shù)增長趨勢，其辨識力在30 lx 后增長趨于平穩(wěn)；2）實驗者對 3 種背景顏色視標的總體辨識力排序為藍底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

為了研究性別與舒適度之間的關(guān)系，對參與測試學生進行了舒適度的問卷調(diào)查. 實驗中，每位測試者做完一組照度實驗后，都需填寫舒適度調(diào)查問卷，其中“1”代表非常不舒適；“2”代表不舒適；“3”代表一般舒適；“4”代表舒適. 舒適度統(tǒng)計見圖3：1）在照度變化范圍內(nèi)，女生的舒適度要明顯高于男生；2）在低于1 lx 和2～ 5 lx照度下，男生舒適度要高于女生；而在1～ 2 lx和高于5 lx 的下，女生的舒適度普遍高于男生；3）50 lx 后，女生的舒適度仍有增長趨勢，而男生的舒適感開始下降.

圖2 不同照度下辨識力的變化

2.2 第二部分實驗數(shù)據(jù)分析

色溫與辨識力的關(guān)系如圖 4 所示：1）在低色溫下，測試學生對 3 種背景顏色視標的整體辨識力相對高于中色溫（3 000～ 5 000 K ）和高色溫（ ＞ 5 000 K）；2）對于背景視標的辨色，測試學生的辨識力排序為：藍底白字＞綠底白字＞黃底黑字；3）在2 350～ 5 850 K 的色溫下，黃底黑字和綠底白字背景下的辨識力變化都是先降低，而后，隨著色溫的持續(xù)增高，黃底黑字背景下的辨識力開始升高，而綠底白字背景下的辨識力卻開始降低；4）藍底白字背景下的辨識力則隨著色溫的升高先升高后降低再緩慢升高，且在大部分色溫下，其辨識力要高于其他兩種背景.

圖3 不同照度下，男女舒適度的變化

圖4 不同色溫下辨識力的變化

3 實驗數(shù)據(jù)對比分析

3.1 第一部分實驗數(shù)據(jù)對比分析

不同性別在照度變化條件下，對不同背景顏色視標的辨識力變化規(guī)律如圖5 所示.

圖5 不同性別在照度變化條件下，對不同背景顏色視標的辨識力

從圖 5-a 可以看出：在低于5 lx 的條件下，男生對黃底黑字、綠底白字以及藍底白字三種不同顏色背景視標的辨識力有一定的差別，大致趨勢為：藍底白字＞綠底白字＞黃底黑字；在5 ～20 lx的下，黃底黑字背景下辨識力的增長速度明顯高于其他兩種背景，總體辨識力為綠底白字＞黃底黑字＞藍底白字；在高于50 lx 的下，3 種背景下的辨識力差值減小，大致趨勢為藍底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

從圖5-b 可以看出：在低于5 lx 的條件下，女生對3 種背景顏色下視標的辨識力幾乎沒有差別；而在高于5 lx 的條件下，對 3 種背景顏色視標的辨識力變化開始出現(xiàn)較為明顯的差異，藍底白字與綠底白字背景下的辨識力呈持續(xù)增長趨勢，且藍底白字下的辨識力要略高于其他兩種背景；而黃底黑字背景下的辨識力隨照度的增加出現(xiàn)了降低的趨勢. 總體來看，隨照度增大對 3 種背景辨識力的差異性逐漸擴大，辨識力排序為藍底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

對男女在黃底黑字、綠底白字及藍底白字等3 種不同背景顏色的辨識力進行對比分析，結(jié)果見圖6.

從圖6-a 可以看出：在黃底黑字背景下，在照度小于20 lx 時，男女之間的辨識力差異性較小，多個測點的女生的辨識力都略強于男生，但在50 lx 附近男女生辨識力發(fā)生了突變，女生的辨識力明顯下降，男生的辨識力要強于女生. 男女生在照度大于20 lx 后的辨識力均趨于穩(wěn)定.

從圖 6-b 可以看出：在綠底白字背景下，除了在5 ～20 lx男生的辨識力高于女生，其他照度情況下男女生間的辨識力相差很小.

從圖 6-c 可以看出：在藍底白字背景下，除了在2 lx 的照度下男生的辨識力高于女生，在其他照度下，女生的辨識力始終略高于男生.

綜上，從照度影響角度研究，綠底白字背景和5 ～20 lx照度下，男生的辨識力高于女生；在藍底白字背景和大于2 lx 的照度下，女生的辨識力始終高于男生. 對整個群體辨識力排序：藍底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

圖6 3 種背景下男女辨識力的對比

4.2 第二部分實驗的數(shù)據(jù)對比分析

不同性別在不同色溫條件下，對不同背景顏色視標的辨識力變化規(guī)律如圖7 所示.

圖7 不同性別在色溫變化條件下，對不同背景顏色視標的辨識力

從圖 7-a 可以看出：在色溫變化范圍內(nèi)，男生在黃底黑字及綠底白字兩種背景下的辨識力變化幅度較大，且始終低于藍底白字背景下的辨識力. 隨著色溫的增加，藍底白字背景下的辨識力較為穩(wěn)定，在4 250 K 達到最高值后逐漸降低；黃底黑字背景下的辨識力先處于穩(wěn)定狀態(tài)后緩慢降低再迅速增高；綠底白字背景下的辨識力則先迅速降低后緩慢增高再迅速降低，穩(wěn)定性最差. 總體辨識力：藍底白字＞黃底黑字＞綠底白字.

從圖7-b 可以看出：女生在綠底白字背景下的辨識力隨著色溫的增加而逐漸降低，但始終高于其他兩種背景下的辨識力；黃底黑字背景下的辨識力先迅速降低后緩慢增加再緩慢降低；藍底白字背景下的辨識力則是先維持不變后降低再增高，但整體變化較穩(wěn)定. 總體辨識力：綠底白字＞黃底黑字＞藍底白字.

對男女不同背景顏色視標的辨識力進行對比分析，結(jié)果見圖8.

圖8 不同色溫時，男女對3 種不同背景視標辨識力的對比

從圖 8-a 可以看出：在黃底黑字背景下，隨著色溫的增加，男生的辨識力先迅速降低，后緩慢增加再緩慢降低，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；而女生的辨識力先處于穩(wěn)定狀態(tài)，后緩慢降低再迅速增高. 總體看來，男生在低色溫下有最高辨識力，在高色溫下辨識力變化較穩(wěn)定；而女生則是在高色溫下有最高辨識力，在低色溫下辨識力變化較穩(wěn)定.

從圖8-b 可以看出：在綠底白字背景下，女生的辨識力隨著色溫的增加而持續(xù)降低，但始終高于同等條件下男生的辨識力；男生辨識力的變化趨勢則隨著色溫的增加先降低后升高再降低.

從圖 8-c 可以看出：在藍底白字條件下，男生的辨識力要明顯高于女生；變化趨勢上看，男生的辨識力是先增加后減少，而女生是先不變再下降后上升，且在5 850 K 處有最低值.

綜上，相同的照度條件，黃底黑字背景下，男生辨識力隨著色溫的增加越來越穩(wěn)定，且在最低色溫處有最佳辨識力，而女生辨識力隨著色溫的增加越來越不穩(wěn)定，且在最高色溫處有最佳辨識力；綠底白字背景下女生的辨識力要明顯高于男生且變化較穩(wěn)定；藍底白字背景下男生的辨識力則明顯高于女生的辨識力.

4 結(jié)論

實驗結(jié)果表明：1）從舒適度角度研究，20 lx 是一個臨界點. 在20 lx 前辨識力與舒適感隨著照度的增加急劇增長，而在20 lx 之后增長緩慢，女生的舒適度普遍高于男生；2）從照度影響角度研究，對整個群體，照度低于30 lx 時，辨識力會隨著照度增加急劇增大，當照度超過30 lx 時，辨識力變化非常平緩，甚至有減小現(xiàn)象，辨識力排序：藍底白字＞綠底白字＞黃底黑字；3）從色溫影響角度研究，藍底白字背景下男生辨識力高于女生，在綠底白字背景下女生辨識力高于男生，且在黃底黑字背景下男生在最低色溫區(qū)域有最佳辨識力，而女生在最高色溫區(qū)域有最佳辨識力，對整個群體辨識力來講，低色溫的辨識力高于高色溫的辨識率.

機動車在行駛過程中，車燈光線會直接照射在路邊標識牌的表面，原本只有路燈照射的標識牌表面的照度及色溫都會發(fā)生改變，不同型號車燈的照度及色溫都不一樣，故這種變化是不可控的. 在光環(huán)境比較復雜的情況下，照度、色溫和路標色彩三種因素的搭配決定了駕駛員的舒適感和辨識力，因此選擇一種較高辨識力的照明方式尤為重要. 在滿足道路照明規(guī)范、保證安全駕駛辨識力的條件下，從節(jié)能和舒適度考慮，道路路燈可以采用如下優(yōu)化方案：照度控制在30～ 40 lx、色溫控制在3 000～ 4 500 K 、道路標識牌色彩搭配為藍底白字.