基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源設(shè)計(jì)方法

喬衛(wèi)東, 張 恒, 王嘉明, 李 奕

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,陜西 西安 710048；2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 光學(xué)計(jì)量測(cè)試中心,陜西 西安 710065)

1 引 言

長(zhǎng)時(shí)間遭受眩光會(huì)損傷人的視力，影響人們的身體健康安全[1,2]。眩光是指由于亮度的分布不適當(dāng)、范圍太大，或存在極端亮度對(duì)比，引起不舒適感或分辨物體細(xì)節(jié)能力減弱的一種視覺(jué)條件[3]。目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者致力于眩光的研究，Huang K等[4,5]基于察覺(jué)對(duì)比度法對(duì)隧道照明眩光展開(kāi)研究；詹自翔等[6]論述了駕駛界面設(shè)計(jì)與照明之間的匹配關(guān)系，結(jié)合高速列車駕駛界面照明的特點(diǎn)，提出了一種基于統(tǒng)一眩光值(unified glare rating，UGR)眩光評(píng)估公式和小光源UGR修正公式的高速列車駕駛界面照明眩光評(píng)估模型；Yang Y等[7,8]研究了LED光源的均勻性和光譜功率分布對(duì)眩光的影響，提出了兩種新的模型mUGRSPD和QUGRSPD，并用其主觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這兩種模型的適用性，結(jié)果表明:mUGRSPD模型和QUGRSPD模型與主觀評(píng)價(jià)存有較高的相關(guān)性；Andrew M.等[9]通過(guò)幾何模型與實(shí)例分析研究了反射太陽(yáng)光形成的眩光對(duì)高速公路擁堵現(xiàn)象的影響。Tashiro T[10]等研究了3種背景亮度下的LED不適眩光，且提出了一種新的mUGRAyama模型，用“有效眩光亮度(leff)”來(lái)取代眩光源的平均亮度。

在眩光測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)方面，相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)照明統(tǒng)一眩光值(UGR)校準(zhǔn)裝置，可對(duì)統(tǒng)一眩光值(UGR)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，并可溯源至國(guó)家光亮度和幾何參數(shù)計(jì)量基準(zhǔn)[11～13]。但是室外道路照明場(chǎng)景和隧道照明場(chǎng)景中的眩光仍采用閾值增量(threshold increment，TI)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其測(cè)量裝置的校準(zhǔn)問(wèn)題有待解決，因此設(shè)計(jì)一款基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源不僅方便校準(zhǔn)眩光測(cè)量裝置，保證測(cè)量精度，還可以統(tǒng)一眩光測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)市場(chǎng)穩(wěn)定。

2 室外道路照明場(chǎng)景的眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)

TI是國(guó)際照明委員會(huì)(International Commission on illumination，CIE)和中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部推薦使用的戶外道路照明眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)[14,15]。TI 指當(dāng)出現(xiàn)眩光源時(shí)，為了達(dá)到相同良好的視看條件，物體與背景之間對(duì)比度需要提高的百分比，其計(jì)算方法公式[16,17]為

(1)

其中，

(2)

式中：Lv是初始等效光幕亮度,cd/m2；Lav是路面的平均初始亮度,cd/m2；Lv,k是第k個(gè)燈具產(chǎn)生的初始等效光幕亮度,cd/m2；n是燈具數(shù)量。

3 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源的設(shè)計(jì)方案

為了保證背景亮度的均勻性，基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源的結(jié)構(gòu)必須滿足在有限的實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)保證眩光源背景亮度統(tǒng)一的要求[18,19]，而且在戶外道路照明場(chǎng)景中，駕駛員視野中的景物存在明顯的近大遠(yuǎn)小的現(xiàn)象，最終匯聚于視野消失點(diǎn)[20,21]，因此需要更好的模擬戶外道路照明的真實(shí)場(chǎng)景，基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源設(shè)計(jì)為左右軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要由眩光源主面板和左、右兩塊擋板組成，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不僅需要滿足TI的測(cè)量要求，而且眩光源的布局規(guī)劃和發(fā)光面積必須符合人眼視覺(jué)特性。

3.1 眩光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

眩光測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)CIE 140：2019-Road Lighting Calculations[17]確定測(cè)量TI時(shí)的水平視角θTI1和垂直視角θTI2。眩光源主面板的長(zhǎng)為L(zhǎng)1，高為L(zhǎng)2。眩光源主面板由4塊尺寸相同(l1×l2)的矩形面板組合而成。根據(jù)測(cè)量TI時(shí)的垂直視角和眩光源主面板的尺寸確定測(cè)量點(diǎn)與眩光源主面板之間的距離,測(cè)量點(diǎn)在眩光源主面板上的投影點(diǎn)與眩光源主面板的中心點(diǎn)重合。

圖1 眩光測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

已知測(cè)量TI時(shí)的垂直視角θTI2，眩光源主面板的半高度l2,則實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量點(diǎn)與眩光源主面板之間的距離R′為

(3)

由測(cè)量TI時(shí)實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量點(diǎn)與眩光源主面板之間的距離、眩光源主面板的尺寸、測(cè)量TI時(shí)的水平視角，可以確定左、右兩塊擋板的大小以及與眩光源主面板之間的夾角。

設(shè)眩光源主面板左擋板的最短長(zhǎng)度為L(zhǎng)3,左擋板與眩光源主面板之間的夾角為θL,則

L3=(R′·tan(θTI1/2)-l1)·cos(θTI1/2)

(4)

θL=π-(θTI1/2)

(5)

同理,眩光源主面板右擋板的長(zhǎng)為L(zhǎng)3,高為L(zhǎng)2。

眩光源主面板和左、右擋板表面全部均勻噴涂高反射率的漫反射材料(硫酸鋇涂層)，提高眩光源主面板及其左右擋板均勻性的同時(shí)保證其亮度水平。

3.2 眩光源的布局

圖2是現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景。提取圖2中的關(guān)鍵因素后得到的道路照明三維場(chǎng)景模擬圖如圖3所示,其中的S1、S2和S3分別表示現(xiàn)實(shí)環(huán)境中路燈1、2、3在視線方向的投影面積；H1、H2、H3分別為路燈1、2、3 對(duì)應(yīng)的投影面S1、S2和S3的左上頂點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)道路照明場(chǎng)景中測(cè)量點(diǎn)X之間的垂直高度差；D1、D2分別為路燈1與路燈2、路燈2與路燈3之間的間距；T為測(cè)量點(diǎn)X到路燈1、2、3連線的距離,垂足為Q；d為垂足Q至路燈1之間的距離,R為現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景中測(cè)量點(diǎn)與路燈在視線方向上的投影面積之間的距離。

圖2 現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景

圖3 道路照明三維場(chǎng)景模擬圖

圖4 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源主面板示意圖

P為古斯(Guth)位置指數(shù)，當(dāng)現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景中測(cè)量點(diǎn)與路燈在視線方向上的投影面積之間的距離R、現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景中測(cè)量點(diǎn)到路燈連線的水平距離T、現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景中測(cè)量點(diǎn)與路燈之間的垂直高度H確定時(shí)，T/R和H/R隨之確定，則P唯一。

在符合人類視覺(jué)特性的前提下,為了得到標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源中各個(gè)眩光源的坐標(biāo),需要保持標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源中每個(gè)燈具的P′均與現(xiàn)實(shí)路燈照明環(huán)境三維場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)燈具的P相等,則根據(jù)現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景中測(cè)量點(diǎn)與各個(gè)路燈之間的位置關(guān)系,可知：

n=1,2,3，…,k

(6)

n=1,2,3,…,k

(7)

3.3 眩光源的發(fā)光面積

ω為現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)應(yīng)路燈的立體角,當(dāng)現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景中，測(cè)量點(diǎn)與路燈在視線方向上的投影面積S之間的距離R、測(cè)量點(diǎn)到路燈連線的距離T、測(cè)量點(diǎn)與路燈之間的垂直高度H和路燈在視線方向上的投影面積S確定時(shí),ω唯一。

保持基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源裝置中，每個(gè)眩光源的立體角ω′均與ω相等,不僅可以得到每個(gè)眩光源的面積,而且能夠使其符合人類的視覺(jué)特性。根據(jù)現(xiàn)實(shí)路燈照明場(chǎng)景中測(cè)量點(diǎn)與各個(gè)路燈之間的位置關(guān)系得到：

n=1,2,3,…,k

(8)

4 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)

汽車處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，駕駛員視野內(nèi)的景物處于連續(xù)變化狀態(tài)，因此駕駛員感受到的環(huán)境亮度也在持續(xù)變化。為了模擬這種動(dòng)態(tài)的環(huán)境亮度，基于人眼的視覺(jué)惰性特點(diǎn)，眩光源亮度變化的最低頻率不應(yīng)<24 Hz[22,23]。

根據(jù)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(CJJ 45-2015)的規(guī)定[15]，城市道路的非道路照明設(shè)施對(duì)汽車駕駛員產(chǎn)生的眩光TI不應(yīng)>15%。為了匹配多種道路照明情況，提高標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源的適用范圍，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源的TI覆蓋范圍應(yīng)該在15%的基礎(chǔ)之上進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐貙挕?/p>

為驗(yàn)證基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源設(shè)計(jì)方案的可行性，利用虛擬儀器(LabView)搭建的基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源光源仿真系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)主界面

基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)設(shè)置有兩種校準(zhǔn)模式：校準(zhǔn)模式1適用于不同場(chǎng)景中，同一眩光值的模擬，即在最高輸出頻率為24Hz的情況下，每秒最多輸出24個(gè)相同的TI值，但是產(chǎn)生每個(gè)TI值的光源亮度組合不同；校準(zhǔn)模式2適用于不同場(chǎng)景中，不同眩光值的模擬，即在最高輸出頻率為24 Hz的情況下，每秒最多輸出24個(gè)不相同的TI值，產(chǎn)生每個(gè)TI值的光源亮度組合也不同。

基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源主面板上共有6個(gè)光源，每個(gè)光源設(shè)置有600 cd/m2、750 cd/m2、1 000 cd/m2、2 000 cd/m24個(gè)亮度等級(jí)，選取TI在 4.0%～16.0%范圍內(nèi)的光源亮度組合并將其輸出，表1為基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出的部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖6為基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的折線圖。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的折線圖

當(dāng)瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)按照校準(zhǔn)模式1工作時(shí)，其模擬的是不同場(chǎng)景中的同一眩光值(此處預(yù)設(shè)的TI=10)，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)模式1的結(jié)果

調(diào)整該仿真系統(tǒng)，使其工作在校準(zhǔn)模式2時(shí)，其模擬的是不同場(chǎng)景中的不同眩光值(此處預(yù)設(shè)的TI范圍為4.0%～16.0%)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)模式2的結(jié)果

通過(guò)以上仿真可知，瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源的設(shè)計(jì)符合人眼視覺(jué)特性。在兩種校準(zhǔn)模式下，瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源的最高輸出頻率均不小于人眼分辨頻率，而且其產(chǎn)生的眩光覆蓋范圍廣，滿足各種眩光測(cè)量?jī)x的計(jì)量校準(zhǔn)需求。

5 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源測(cè)試實(shí)驗(yàn)

5.1 可覆蓋眩光范圍檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)在光學(xué)暗室中搭建,眩光源主面板為3.0 m×2.6 m,左右擋板為1.7 m×2.6 m,擋板與主面版之間的夾角為120°。眩光源主面板和左右擋板的表面都均勻噴涂了硫酸鋇漫反射材料,主面板上安裝了6個(gè)亮度范圍為500 cd/m2～3 000 cd/m2的均勻矩形光源作為模擬眩光源,背景亮度范圍為5 cd/m2～20 cd/m2,兩組均勻投光燈提供。計(jì)算TI標(biāo)準(zhǔn)值需要準(zhǔn)確測(cè)量眩光源和背光源的亮度值和幾何位置參數(shù)。使用高精度的光譜輻射亮度計(jì)配合三維幾何調(diào)整機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)測(cè)量其亮度分布和位置信息,亮度值和幾何量值均可溯源至國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)。采用KONICA MINOLTACS-2000分光輻射亮度計(jì)采集各個(gè)眩光源的亮度信息,通過(guò)NET05全站型電子速測(cè)儀獲取測(cè)量點(diǎn)與各個(gè)眩光源之間的位置以及角度信息。

為了測(cè)試本系統(tǒng)的可覆蓋眩光范圍,校準(zhǔn)模式采用校準(zhǔn)模式2,在背景亮度為8 cd/m2時(shí)采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 采集的部分標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源數(shù)據(jù)

動(dòng)態(tài)眩光實(shí)時(shí)變化情況如圖9所示。

從圖9中可以看出，瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源產(chǎn)生的最大眩光TI值為26.7%，最小值為8.0%，覆蓋了戶外路燈照明環(huán)境中的絕大部分眩光值，符合眩光測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)要求。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源校準(zhǔn)模式2結(jié)果

5.2 動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)該系統(tǒng)采用LFA-3000-V200光源頻閃測(cè)量?jī)x檢測(cè)眩光源的閃爍頻率,光照度隨時(shí)間變化的波形如圖10所示,每個(gè)臺(tái)階代表實(shí)驗(yàn)空間中一個(gè)照度等級(jí),每個(gè)照度等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)TI值,因此圖10(a)中表示該實(shí)驗(yàn)空間中每秒變化5個(gè)TI值,其照度刷新頻率為5 Hz；同理,圖10(b)和圖10(c)中分別表示該實(shí)驗(yàn)空間中每秒變化10個(gè)和24個(gè)TI值,其照度刷新頻率分別為10 Hz和24 Hz。

圖10 亮度波形圖

5.3 不確定度評(píng)定

根據(jù)文獻(xiàn)[16]CIE 88：2014《Guide for the lighting of road tunnels.and underpasses》第6.13節(jié)規(guī)定，當(dāng)背景亮度>5 cd/m2時(shí)，分析閾值增量計(jì)算公式，建立不確定度評(píng)定數(shù)學(xué)模型如下：

(9)

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，最終確定的不確定度分量以及相關(guān)信息如表3所示。表中，u(xi)為輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ui為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，ui=|ci|u(xi)。

表3 不確定度分量以及相關(guān)信息

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

Urel=1.3% (k=2)

6 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)在基于人眼視覺(jué)特性的情況下,能夠模擬人眼感受到的動(dòng)、靜態(tài)眩光,為動(dòng)、靜態(tài)眩光理論的研究以及測(cè)量技術(shù)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

(2)從人眼視覺(jué)特性出發(fā),提出了基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)眩光源設(shè)計(jì)方法。該眩光源解決了目前眩光測(cè)量裝置面臨的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)、靜態(tài)眩光測(cè)量?jī)x的精確校準(zhǔn)與高效檢測(cè)。

(3)實(shí)驗(yàn)測(cè)量及誤差分析表明：該眩光源可模擬的動(dòng)、靜態(tài)眩光范圍為8.0%～26.7% ,覆蓋了戶外路燈照明環(huán)境中的絕大部分眩光值,而且其閃爍頻率可調(diào)節(jié),模擬眩光的擴(kuò)展不確定度為1.3%,滿足實(shí)際校準(zhǔn)需求。