莊 鵬

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院國家LED應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建廈門361004)

1 引言

在中間視覺區(qū)域，即暗視覺和明視覺之間的區(qū)域(亮度大約在0.001cd/m2～10cd/m2之間)，人眼的視覺功能同時(shí)由桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞決定，光譜光視效率函數(shù)隨著人眼適應(yīng)亮度的變化而變化。因此如果對(duì)于所有亮度水平的光度測量，都還是采用明視覺光譜光視效率函數(shù)，將導(dǎo)致錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)結(jié)果。中間視覺照明包括道路照明、隧道照明、緊急照明、停車場照明、飛機(jī)場照明、儀表盤照明、航天駕駛艙照明、某些交通信號(hào)照明、軍事照明、醫(yī)療照明和安保照明等。

中間視覺光度學(xué)幾十年來一直是國際照明界關(guān)心的課題(CIE，1989，CIE，2001)。直到90年代中期，對(duì)于該領(lǐng)域的研究大多采用視亮度匹配法。CIE81—1989《中間視覺光度學(xué):歷史、特殊問題和解決方法》闡述了基于視亮度匹配法的中間視覺系統(tǒng)。CIE141—2001《光度學(xué)補(bǔ)充系統(tǒng)的測試》對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行更新，指出不可能采用一個(gè)單一的光度學(xué)模型來描述中間視覺的特性。對(duì)應(yīng)不同的使用條件和亮度水平，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓舛葘W(xué)模型，才能對(duì)環(huán)境的照明效果進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，達(dá)到有效照明、節(jié)能和保障安全的目的。

到90年代后期，基于視覺功能法的中間視覺光度學(xué)引起了國際照明界的重視(Goodman，1997，McGowan和Rea，1994)。該方法采用特定的視覺任務(wù)，通過測量人眼對(duì)視覺目標(biāo)的察覺能力、辨別能力和反應(yīng)時(shí)間，來確定光譜光視效率函數(shù)。視覺功能法比視亮度匹配法更為直接和實(shí)用。例如，在駕駛汽車時(shí)，人們并不需要對(duì)路面相鄰區(qū)域的相對(duì)亮度進(jìn)行視覺評(píng)估，更重要的是能夠察覺和辨別處于視覺極限條件下的物體。我國學(xué)者一直活躍在中間視覺研究領(lǐng)域，在中間視覺的理論研究［1］［2］［3］［4］和實(shí)際應(yīng)用［5］［6］［7］中都取得了豐碩的成果，并參與了CIE191∶2010《基于視覺功效的中間視覺光度學(xué)推薦系統(tǒng)》的編制工作。

2010年，CIE191推薦了四種中間視覺光度學(xué)模型［8］，但至今還沒有文獻(xiàn)對(duì)這些光度學(xué)模型進(jìn)行過全面系統(tǒng)的分析，中間視覺光度量檢測儀器也未面世，很多照明設(shè)計(jì)和應(yīng)用者對(duì)中間視覺的概念仍然不清，更談不上應(yīng)用。本文對(duì)CIE191∶2010四種中間視覺模型的特點(diǎn)、適用范圍和應(yīng)用注意事項(xiàng)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析，并設(shè)計(jì)了中間視覺光度量測試儀器，能夠測量明視覺和中間視覺下燈具的光度量和發(fā)光效率，使中間視覺模型在照明測量和設(shè)計(jì)中能夠得到正確和有效的應(yīng)用。

2 CIE 191—2010推薦的中間視覺模型

2.1 中間視覺模型簡介

由于CIE光度學(xué)遵從相加性原理(CIE，1978)，因此中間視覺光度學(xué)模型也應(yīng)滿足相加性原理。相加性原理指出，對(duì)于給定的光譜輻射量，通過適當(dāng)?shù)墓庾V光視效率函數(shù)進(jìn)行加權(quán)后，在指定光譜范圍內(nèi)線性相加即可得到對(duì)應(yīng)的光度量。因此，中間視覺光度系統(tǒng)必須滿足兩個(gè)約束條件:(1)相加性;(2)中間視覺的光譜光視效率函數(shù)隨著亮度的增加趨向明視覺的光譜光視效率函數(shù)，隨著亮度的降低趨向暗視覺的光譜光視效率函數(shù)。滿足這些約束條件的中間視覺光度學(xué)模型的最簡單形式是明、暗視覺光譜光視效率函數(shù)的線性組合，即:

其中x為亮度適應(yīng)系數(shù)。

因?yàn)閂(λ)和V'(λ)均滿足相加性，因此式(1)定義的中間視覺光譜光視效率函數(shù)Vmes(λ)自然也滿足相加性。圖1為光譜光視效率函數(shù)(未歸一化)隨亮度的變化規(guī)律，由圖可見:隨著亮度的增加，光譜光視效率函數(shù)逐漸從暗視覺過渡到明視覺。由于中間視覺光譜光視效率函數(shù)依賴于人眼的亮度適應(yīng)狀態(tài)，因此相加性只在給定的亮度適應(yīng)水平上成立。

圖1 光譜光視效率函數(shù)

最近提出的兩個(gè)基于視覺功能的中間視覺模型，即UPS模型(Rea et al．，2004)和MOVE模型(Goodman et al．，2007)，均采用式(1)所示的形式將明視覺和暗視覺聯(lián)系起來，并滿足相加性原理。除了USP模型和MOVE模型之外，CIE還提出了中間模型(Intermediate system)。中間模型也采用式(1)所示的形式，且與MOVE模型一樣，亮度適應(yīng)系數(shù)和中間視覺亮度之間的關(guān)系為“對(duì)數(shù)-線性”關(guān)系，但調(diào)整了中間視覺區(qū)域的上、下極限。

2.2 USP模型

He等人(1997，1998)的研究工作奠定了USP模型的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1997年，He等人在高壓鈉燈和金鹵燈的8種亮度水平下(0.003cd/m2～10cd/m2之間)，測量了人眼的反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)條件為:目標(biāo)對(duì)比度C=2.3;被測目標(biāo)和背景的光譜功率分布一致，即視覺任務(wù)是只有亮度對(duì)比而沒有彩色對(duì)比的非彩色刺激量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)亮度高于0.6cd/m2時(shí)，桿體細(xì)胞對(duì)視覺任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間沒有貢獻(xiàn)。1998年，He等人采用兩眼的反應(yīng)時(shí)間差來測量中間視覺光譜光視效率函數(shù)，從而得到了計(jì)算中間視覺亮度的迭代方法。

2004年，Rea等人在He等人的研究基礎(chǔ)上提出了USP光度學(xué)統(tǒng)一模型，形式如式(1)所示。USP模型的中間視覺亮度和亮度適應(yīng)系數(shù)可由封閉形式的數(shù)學(xué)公式計(jì)算，中間視覺區(qū)域在0.001cd/m2～0.6cd/m2之間。

2.3 MOVE模型

MOVE模型(Eloholma等，2005，Goodman等，2007)是通過對(duì)夜間駕駛過程中的目標(biāo)察覺能力、察覺速度和目標(biāo)細(xì)節(jié)辨別能力的研究基礎(chǔ)上提出的。視覺目標(biāo)包括了彩色目標(biāo)和非彩色目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)條件為:背景明視覺亮度0.01cd/m2、0.1 cd/m2、1 cd/m2和10 cd/m2(有些實(shí)驗(yàn)也采用0.3 cd/m2和3 cd/m2);目標(biāo)偏心度為0°和10°;目標(biāo)視場角2°(和0.29°);目標(biāo)顯示時(shí)間△t≥3s(在某些反應(yīng)時(shí)間測量中采用△t≤500ms);對(duì)比度在臨界值附近;使用半寬度為10nm的準(zhǔn)單色光源和寬光譜光源;大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和背景采用不同的顏色(有色差條件)，而某些實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和背景采用相同的顏色(消色差條件);被測試者109位。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出周邊視力的中間視覺光度學(xué)模型(Goodman等，2007)，形式如式(2)所示，與式(1)不同的之處是增加了使Vmes(λ)的最大值取1的歸一化函數(shù)M(x)。MOVE模型的中間視覺亮度和亮度適應(yīng)系數(shù)通過迭代方法計(jì)算得到，中間視覺區(qū)域在0.01cd/m2～10cd/m2之間。

2.4 中間模型

盡管采用USP模型和MOVE模型計(jì)算中間視覺亮度所得的結(jié)果有差異(特別是對(duì)于低亮度、高色飽和度的光源差異更大)，但對(duì)于普通照明的大多數(shù)白色光源(如夜間的道路照明等)，這些差異即使在所有亮度水平下也很小。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)這兩個(gè)模型得出的結(jié)果比較接近，它們之間的主要區(qū)別在于中間視覺與明視覺分界點(diǎn)的不同。MOVE模型的分界點(diǎn)被認(rèn)為過高(Rea和Bullough，2007)，而UPS模型的分界點(diǎn)被認(rèn)為過低(Eloholma和Halonen，2006)。

USP模型和MOVE模型代表了兩類極端情況。在USP模型中，只對(duì)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測量，而不考慮顏色的影響，因此只適用于非彩色的視覺任務(wù);在MOVE模型中考慮了更為廣泛的視覺任務(wù)，由于不同視覺任務(wù)中人眼的彩色通道和非彩色通道的非線性交互作用，使得從暗視覺向明視覺的轉(zhuǎn)換變得非常復(fù)雜，給測試結(jié)果引入了更多的不確定度。USP模型采用較少的觀察者(3個(gè))以減少“噪聲”，而MOVE模型采用較多的觀察者(109個(gè))以減少觀察者之間個(gè)體差異造成的影響。必須指出，盡管MOVE實(shí)驗(yàn)中包括了非彩色的與彩色的視覺任務(wù)，但以彩色視覺任務(wù)為主。在夜間駕駛等現(xiàn)實(shí)情況中，既包括了非彩色視覺任務(wù)也包括了彩色視覺任務(wù)，因此MOVE模型對(duì)非彩色視覺任務(wù)可能考慮不足。為了使模型具有更廣泛的適用性，同時(shí)給予非彩色視覺任務(wù)更多的考慮，提出了介于USP模型和MOVE模型的中間模型，即MES1和MES2，形式也如式(2)所示。MES1模型的中間視覺區(qū)域?yàn)?.01cd/m2～3cd/m2，MES2模型為0.005cd/m2～5cd/m2。

在大多數(shù)情況下，MES2模型對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的符合程度比MES1模型好，因此CIE推薦采用MES2模型作為基于視覺功能的中間視覺光度學(xué)的推薦模型，計(jì)算公式如下:

其中M(m2)為使中間視覺光譜光視效率函數(shù)Vmes(λ)的最大值為1的歸一化函數(shù);m2為亮度適應(yīng)系數(shù):如果Lmes≥5.0cd/m2，則m2=1;如果Lmes≤0.005cd/m2，則m2=0;如果0.005cd/m2＜Lmes＜5.0cd/m2，則m2=0.3334lg Lmes+0.7670;Lmes為中間視覺亮度，計(jì)算公式如下:

其中Lp為明視覺亮度;Ls為暗視覺亮度;V'(λ0)=683/1699，為暗視覺光譜光視效率函數(shù)在555nm處的值;n為迭代步數(shù)。

3 各種光度學(xué)模型的特點(diǎn)和適用范圍

中間視覺亮度隨著人眼亮度適應(yīng)水平的不同而不同，圖2為USP模型、MOVE模型、MES1模型和MES2模型計(jì)算的中間視覺亮度與明視覺亮度之差隨明視覺亮度的變化規(guī)律(本文以亮度為例，事實(shí)上對(duì)于所有的光度量均有相同的規(guī)律)，由圖可見以下規(guī)律:

1) 在明視覺亮度Lp一定的情況下，中間視覺亮度Lmes隨著S/P值(即暗視覺光通量與明視覺光通量之比)的增加而增加。當(dāng)S/P=1時(shí)，Lmes與Lp始終保持一致;

2) 能量主要集中在短波段的光源(S/P＞1，如LED)，Lmes大于Lp;而能量主要集中在長波段的光源(S/P＜1，如高壓鈉燈)，Lmes小于Lp?？梢?，當(dāng)明視覺亮度相同時(shí)，在中間視覺區(qū)域，人眼感覺金鹵燈、LED燈比高壓鈉燈明亮;

3) Lmes與Lp之差絕對(duì)值的最大值，對(duì)于USP模型發(fā)生在Lp=0.2 cd/m2～0.3cd/m2，對(duì)于MOVE模型發(fā)生在Lp=4 cd/m2～5 cd/m2，對(duì)于MES1模型發(fā)生在Lp≈1 cd/m2，對(duì)于MES2模型發(fā)生在Lp=1 cd/m2～2 cd/m2;

4) MOVE模型在S/P=0.25且Lp=0.035cd/m2時(shí)、MES1模型在S/P=0.25且Lp=0.039 cd/m2時(shí)、MES2模型在S/P=0.25且Lp=0.019cd/m2時(shí)，Lmes的變化不平滑，這是因?yàn)楫?dāng)S/P值較小且亮度較低時(shí)，通過中間視覺模型的迭代公式計(jì)算的亮度適應(yīng)系數(shù)為負(fù)數(shù)，在實(shí)際情況下不能使用，應(yīng)令其為0，從而使Lmes的計(jì)算結(jié)果發(fā)生“突然”變化?？梢?，在編寫這三種模型的中間視覺應(yīng)用程序時(shí)，應(yīng)保證亮度適應(yīng)系數(shù)不能為負(fù)數(shù)。

5) 對(duì)于不同的S/P值，MOVE模型在中間視覺區(qū)域上界(Lp=10 cd/m2)的Lmes值差異較大，這表明在亮度較高區(qū)域，MOVE模型準(zhǔn)確度較低。

圖2 中間視覺與明視覺亮度差的變化規(guī)律

隨著亮度的減小，采用中間視覺模型的計(jì)算結(jié)果與明視覺的差異變大。例如，對(duì)于S/P值為0.65的高壓鈉燈和S/P值為2.5的金鹵燈，其中間視覺亮度相對(duì)明視覺亮度的變化率隨著亮度的減小而變大，由圖3可見:MOVE模型、MES1模型和MES2模型的變化規(guī)律非常相似，而USP模型與其他三個(gè)模型的差異較大。目前，大多數(shù)應(yīng)用于道路照明的光源其S/P值在0.65和2.5之間，采用中間視覺光譜光視效率函數(shù)與采用明視覺光譜光視效率函數(shù)的計(jì)算結(jié)果具有較明顯的差別。以MES2模型為例，在明視覺亮度為1 cd/m2的情況下，當(dāng)光源的S/P值在0.65和2.5之間變化時(shí)，中間視覺模型的計(jì)算結(jié)果與明視覺相比，會(huì)有－4%至+15%的變化;在0.3 cd/m2的亮度下，變化范圍擴(kuò)大到－8%至+29%。

圖3 中間視覺亮度相對(duì)明視覺亮度的變化率

沒有一個(gè)光度學(xué)模型能夠完全描述人眼視覺系統(tǒng)復(fù)雜的交互作用，對(duì)于不同的視覺任務(wù)和亮度水平，四種中間視覺光度學(xué)模型對(duì)于實(shí)測數(shù)據(jù)的符合程度是不同的:1)USP模型最符合低亮度水平下非彩色視覺任務(wù)的測試結(jié)果;2)MOVE模型、MES1模型和MES2模型最符合較高亮度水平下非彩色視覺任務(wù)的測試結(jié)果;3)MOVE模型最符合彩色視覺任務(wù)的測試結(jié)果;4)MES1模型和MES2模型對(duì)于彩色視覺任務(wù)測試結(jié)果的符合程度比MOVE模型略差，但這些差別相比于心理物理量所固有的不確定度可以忽略。

中間視覺推薦模型MES2的建立是基于周邊視覺條件的，在該條件下桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞對(duì)視覺響應(yīng)均有影響。但對(duì)于視場角小于2°的線上視覺，明視覺的光譜光視效率函數(shù)V(λ)適用于所有的亮度水平。在進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意到視覺功能會(huì)隨著目標(biāo)偏移度的變化而變化，當(dāng)需要同時(shí)處理線上視覺和周邊視覺的信息時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同情況制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。此外，當(dāng)視覺目標(biāo)色飽和度很高或光譜功率分布很窄時(shí)(S/P值很高或很低)，推薦模型與實(shí)際的視覺狀況并不相符。

4 中間視覺光度量測量儀器的設(shè)計(jì)和測量結(jié)果分析

中間視覺光譜光視效率函數(shù)隨著人眼適應(yīng)亮度的不同而不同，中間視覺光度量只能通過光源的光譜功率分布與相應(yīng)光譜光視效率函數(shù)的加權(quán)積分得到。為此研制了基于CCD光譜輻射度計(jì)的中間視覺光度量測試儀器，具有波長校準(zhǔn)、光譜輻射度校準(zhǔn)、光通量校準(zhǔn)和自吸收系數(shù)校準(zhǔn)等功能，除了能夠測量四種光度學(xué)模型下的中間視覺光度量外，還能夠測量明視覺光度量、暗視覺光度量，以及色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)等色度學(xué)參數(shù)。

采用該儀器測量了標(biāo)稱功率為150W的高壓鈉燈(S/P=0.77)、金鹵燈(S/P=1.43)和LED燈(S/P=1.71)，其明視覺、暗視覺光通量及中間視覺光通量隨明視覺亮度的變化規(guī)律如圖4、圖5、圖6所示。由圖可見:

圖4 中間視覺區(qū)域高壓鈉燈光通量隨Lp的變化關(guān)系

圖5 中間視覺區(qū)域金鹵燈光通量隨Lp的變化關(guān)系

圖6 中間視覺區(qū)域LED燈光通量隨Lp的變化關(guān)系

1) 在中間視覺區(qū)域，對(duì)于S/P＜1的光源，中間視覺光通量隨Lp的減小而減小，對(duì)于S/P＞1的光源，中間視覺光通量隨Lp的減小而增大。這表明當(dāng)明視覺光效相同時(shí)，S/P值越大的光源，其中間視覺光效就越高，且隨著適應(yīng)亮度的降低，光效優(yōu)勢越明顯;

2) MOVE模型、MES1模型和MES2模型測量得到的光通量隨Lp的變化曲線的模式基本一致，特別是MOVE模型和MES2模型的曲線基本平行，但USP模型的曲線與其他三者差別較大;

3) 在中間視覺的下界，USP模型測量的中間視覺光通量與暗視覺光通量最為接近，其次分別是MES2模型、MES1模型和MOVE模型。在中間視覺上界，MES2模型測量的中間視覺光通量與明視覺光通量最為接近，其次分別是MES1模型、USP模型和MOVE模型。但應(yīng)注意到一類特殊情況:當(dāng)S/P值較小且亮度較低時(shí)，通過中間視覺模型的迭代公式計(jì)算的亮度適應(yīng)系數(shù)為負(fù)數(shù)，需令其為0，從而使下界點(diǎn)上的Vmes(λ)與V'(λ)完全一致，因此在下界點(diǎn)上的中間視覺光通量就與暗視覺光通量完全相等，但這并不表明這三種模型在低亮度水平下的測量精度最高。四種光度學(xué)模型在下界點(diǎn)和上界點(diǎn)的中間視覺光通量及其與暗視覺和明視覺光通量的相對(duì)誤差如表1和表2所示;

4) 由測量曲線的連續(xù)性可以推出，USP模型在低亮度水平下測量精度最高，MES2模型在高亮度水平下測量精度最高，MES2模型在中間視覺區(qū)域的所有亮度水平下的綜合測量精度最高，這也是CIE選擇MES2模型作為推薦模型的原因之一。

表1 中間視覺下界點(diǎn)的光通量與暗視覺光通量的相對(duì)誤差

表2 中間視覺上界點(diǎn)的光通量與明視覺光通量的相對(duì)誤差

5 結(jié)論

CIE在考慮相加性及與明、暗視覺銜接性的基礎(chǔ)上提出了四種中間視覺光度學(xué)模型，其中USP模型只適用于非彩色視覺任務(wù)，而MOVE模型以彩色視覺任務(wù)為主，它們代表了視覺任務(wù)的兩類極端情況。UPS模型的中間視覺與明、暗視覺分界點(diǎn)被認(rèn)為過低，而MOVE模型的分界點(diǎn)被認(rèn)為過高，為了使模型具有更廣泛的適用性，同時(shí)給予非彩色視覺任務(wù)更多的考慮，CIE提出了中間模型MES1和MES2，并將MES2模型作為基于視覺功能的中間視覺光度學(xué)推薦模型。本文通過理論分析和實(shí)際測量，得出如下結(jié)論:

1)四種光度學(xué)模型的中間視覺區(qū)域各不相同。在低亮度區(qū)域，USP模型精度最高，在高亮度區(qū)域，MES2模型精度最高，在整個(gè)中間視覺區(qū)域，MES2模型的綜合精度最高，應(yīng)根據(jù)具體的視覺任務(wù)選擇合適的模型以提高測量精度;

2)當(dāng)光源的S/P值較小且亮度較低時(shí)，MOVE模型、MES1模型和MES2模型計(jì)算的亮度適應(yīng)系數(shù)為負(fù)數(shù)，在實(shí)際情況下不能使用，應(yīng)令其為0。在編制這三種模型的中間視覺光度量計(jì)算程序時(shí)，應(yīng)注意對(duì)亮度適應(yīng)系數(shù)進(jìn)行判斷，并作出相應(yīng)的處理;

3)亮度越小，中間視覺模型的測量結(jié)果與明視覺的差別越大，如果采用明視覺模型評(píng)價(jià)中間視覺照明質(zhì)量，將導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果;

4)在中間視覺區(qū)域，能量主要集中在短波段的光源比能量主要集中在長波段的光源具有更高的發(fā)光效能。

［1］陳仲林，楊春宇，何正軍．光譜光視效能最大值研究［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2003，14(3):1～3．

［2］陳仲林，楊春宇，何正軍．中間視覺函數(shù)表達(dá)式的研究［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2003，14(4):1～6．

［3］林燕丹．中間視覺狀態(tài)下人眼視覺功能的光譜響應(yīng)特性研究［D］．復(fù)旦大學(xué)2004年10月．

［4］胡英奎，陳仲林，楊春宇，等．改進(jìn)的中間視覺光度學(xué)模型［J］．燈與照明，2009，33(4):1～2，19．

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［8］CIE 191∶2010 technical report“Recommended system for mesopic photometry based on visual performance”．