公路隧道照明中間視覺環(huán)境對道路顯色性的影響

0中間視覺的模糊標準為了將必要的視覺信息傳遞給駕駛員，避免視覺信息不足導(dǎo)致交通事故，確保駕駛員的安全，提高舒適度。隧道照明包括:中間段照明、入口段照明、過渡段照明、出口段照明、接近段照明及引道和應(yīng)急照明。本文主要針對中間段照明。隧道中間段照明近似于道路照明,大多屬于中間視覺范疇。而現(xiàn)行的隧道照明設(shè)計規(guī)范和標準都沒有考慮中間視覺情況,而僅按明視覺錐狀感光細胞作用的條件進行照明計算。不僅如此,目前現(xiàn)行的隧道照明規(guī)范中也均沒有考慮隧道照明光源的光色對駕駛員的視覺功效影響,即未考慮光源的顯色性。在我國,對于光源顯色性的研究,目前仍沿用著CIE推薦的顯色指數(shù)法。但是在中間視覺時,人眼中的錐狀感光細胞和桿狀感光細胞同時起作用,這時對明暗、顏色、空間和響應(yīng)視感覺特性均要發(fā)生變化,使人眼最敏感的波長向可見光短波方向推移,即產(chǎn)生了普爾金耶效應(yīng)。而原有的顯色指數(shù)法評價只能對光源的顯色性作出總的評價,并沒有考慮到中間視覺條件下人眼的視感覺特性變化,也不能對光源的顯色性作出精確評價。本文將考慮隧道照明中間視覺環(huán)境對駕駛員視覺功效的影響,借鑒隧道照明可見度研究的方法,提出小目標顯色性視覺試驗法來研究隧道照明光源的顯色性。1兩不同光照的影響光源的顯色性是指照明光源對物體色表的影響,該影響是由于觀察者有意識或無意識地將它與參比光源下的色表相比較而產(chǎn)生的。顯色性是光源的光照能否正確呈現(xiàn)出物體顏色效果的一個性能。如果各色物體在某光源的照射下所呈現(xiàn)的顏色效果與標準光源(晝光)照射時相同或相似,則稱該光源的顯色性好或較好。反之,如果物體在受光照射后出現(xiàn)顏色失真,則稱該光源的顯色性差。顯色性又稱演色性或傳色性,它是光源(尤其是氣體放電光源)的一個重要指標,真實傳達物體在光源照射下的顏色效果和在標準光源照明下的顏色效果相一致的程度。1.1cie標準色度學(xué)系統(tǒng)色度是用ICE1931標準色度系統(tǒng)所表示的顏色性質(zhì)?，F(xiàn)代色度學(xué)采用CIE所規(guī)定的一套顏色測量原理、數(shù)據(jù)和計算方法,稱為CIE標準色度學(xué)系統(tǒng)。它用匹配某一顏色三原色比例來規(guī)定這一顏色,并在圖上標注了相應(yīng)顏色名稱。色度圖準確地表示了顏色視覺的基本規(guī)律和顏色混合的一般規(guī)律。目前國際上通用的CIE1931-XYZ色度圖(見圖1),是在CIE1931-RGB色度圖得基礎(chǔ)上導(dǎo)出。1.2各光譜系轉(zhuǎn)色法顏色是來之外界物體的輻射光對人眼錐體細胞刺激引起的感覺。這種感覺不僅與前言中敘說的光刺激人眼錐體細胞的光譜有關(guān)(孔色或原色),并與周圍環(huán)境有關(guān)(心理顏色)。物體表面原色取決于它的反射光譜,這與物體本身的光譜輻亮度系數(shù)β(K)及照明條件有關(guān)。不論兩個不同光譜輻亮度系數(shù)的物體在同樣照明條件下的顏色差別,還是同一個物體在兩個不同光源照明下引起的顏色差別,我們都稱之為色差△E。CIE推薦數(shù)個顏色空間,在不同顏色空間,色差表達式不同,以用來計算顯色指數(shù)的“CIE1964顏色空間”為例(以下未說明色差均指此顏色空間):那么色差式中U*、V*、W*可由我們熟悉的XYZ色度系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到:式中:ui、vi——樣品色坐標;uo、vo——照明光源色坐標?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)人眼對不同顏色的色容量不等,而且某顏色各方向的分辨力也不是等色差的,經(jīng)麥克亞當(MacAdam)等科學(xué)家們試驗,某點各方向色品分辨力近似地組成一個橢圓形,見圖2。1.3顯色指數(shù)量值1965年CIE制定一種評價光源顯色性的方法,簡稱“測驗色”法,這個方法是用一個顯色指數(shù)量值表示光源的顯色性。CIE規(guī)定了若干個顏色樣品(見表1),這些樣品中包括蒙塞爾顏色系統(tǒng)中各種有代表性的色調(diào),他們具有中等彩度,大約有相同的中等明度。一般顯色指數(shù)只能用1～8號顏色樣品來計算,特殊顯色指數(shù)可以用任意一種顏色樣品來計算。2uvw系統(tǒng)顯色指數(shù)計算顯色指數(shù)法是CIE推薦的顯色性評價方法。為了符合人類長期的照明習(xí)慣,CIE規(guī)定5000K以下的低色溫光源用普郎克輻射體作為參照光源,色溫5000K以上的用標準照明體D65作為參照光源,設(shè)定參照光源的顯色指數(shù)為100。評價時采用一套14種試驗顏色樣品,其中1～8用于光源一般顯色指數(shù)(8個數(shù)平均值),各試驗色樣的數(shù)值稱之為特殊顯色指數(shù)。我們平時說的“顯色指數(shù)”,即是一般顯色指數(shù)的簡稱。若某個試驗色樣在待評光源與參照光源照明下有顏色差△Ei,那么:特殊顯色指數(shù)Ri=100-46×△Ei(5)一般顯色指數(shù)Ra=(∑i=18Ri)/8(6)Ra=(∑i=18Ri)/8(6)測得待評光源的光譜D(K)并算得其色坐標xk、yk,顯色指數(shù)計算步驟如下:(1)用上述(3)式算出UVW系統(tǒng)的色坐標uk、vk;(2)找出離待評光源色坐標最近的參照光源,得到ux、vx;(3)設(shè)待評光源的Y為100,算得其照射下14種試驗色樣品反射光譜的Wki、uki、vki;(4)算出適應(yīng)性色位移后14種試驗色樣品的u′ki、v′ki,設(shè)FC=cr×cki/ckFD=dr×dki/dk所有c=(4-u-10×v)/vd=(1.708×v+0.404-1.481×u)/v那么u′ki=(10.872+0.404×FC-4×FD)/(16.518+1.481×FC-FD)v′ki=5.520/(16.518+1.481×FC-FD)(5)待評光源色坐標作適應(yīng)性色位移后為u′k、v′k,分別等于ur、vr;(6)用(4)式算出14種試驗色樣品在待評光源照射下的CIE1964顏色空間坐標W*ki、U*ki、V*ki;(7)算出參照光源照射下14種試驗色樣品的Wxi、uri、vri;(8)查表或算出14種和試驗色樣品在參照光源照射下的CIE1964顏色空間坐標W*ri、U*ri、V*ri;(9)用(1)、(2)式算出△Ei;(10)用(5)、(6)式算出顯色指數(shù)Ri,及一般顯色指數(shù)Ra。下表列出國內(nèi)常用的幾種光源的相關(guān)色溫和顯色指數(shù)。此外,隨著LED的推廣使用,國內(nèi)對LED的顯色指數(shù)也作了一些研究。3隧道照明光照顯色性在隧道照明中現(xiàn)有的標準大多只從照度和亮度等指標考慮其照明設(shè)計,沒有被估計到光源的顯色性這一因素。由于種種原因,顯色指數(shù)數(shù)值大小也不能精確反映顯色性,通常用一個數(shù)值范圍表明一種顯色質(zhì)量。結(jié)合《CIE隧道照明指南》中推薦的隧道小目標尺寸規(guī)定和隧道照明可見度的因素,采用以下方法測量隧道照明光源的顯色性。本實驗選擇了兩條隧道作為實驗隧道,分別是虎溪大學(xué)城隧道和重慶交通科研院的實驗隧道。3.1視頻點和視從點的特性實驗條件及實驗設(shè)備(見表3)。在實驗隧道中,視看目標的尺寸是20cm×20cm,并且放在道路上。視看目標的顏色規(guī)定為3種灰色(白色,灰色,黑色)和4種彩色(紅,黃,藍,綠)。幾種視看目標的特性列在表4中。觀察距離根據(jù)設(shè)計車速在40～110m之間設(shè)5個點。觀察者要回答一些信息,比如有沒有目標存在,目標是什么顏色。一共有10個觀察者。3.2觀察目標時,把所監(jiān)督的物種轉(zhuǎn)化為細胞,檢查結(jié)果主要分為3個步驟實驗要點和說明見圖3。(1)每個觀察者背對目標等待觀察,按照提示中規(guī)定的位置觀察目標(當觀察者交換時,視看目標用衣服遮住,以避過觀察者的眼睛)。(2)觀察者要回答以下問題:1)是否存在目標物;2)如果有,那么目標是什么顏色;3)輪換觀察者觀察目標;4)變換目標后重復(fù)1)～3)步驟;5)變換觀測距離后重復(fù)1)～4)步驟;6)變換路面亮度后重復(fù)1)～5)步驟。3.3結(jié)果分析3.3.1可見度比例分布視看目標的可見度比例見圖4。在觀測距離110m的地方,高壓鈉燈的可見度比例是69%(路面亮度3.2cd/m2),而同時,LED的可見度比例卻達到86%(路面亮度1.93cd/m2)?；谏鲜鼋Y(jié)果,發(fā)現(xiàn)即使LED的路面亮度較高壓鈉燈略低,但可見度卻高出高壓鈉燈。3.3.2預(yù)壓機水源顯色性對可見度的影響這個試驗也是為了檢驗視看目標的顏色是否可以正確識別。精確的和不精確的比例見圖5。圖中顯示LED精確識別顏色的比例占81%。而不精確識別的比例占19%,依照顏色名字的分布百分率見圖6。根據(jù)實驗結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)藍色往往被誤認為是綠色,綠色往往被誤認為是藍色,更甚的,黃色往往被誤認為是白色。(1)在隧道照明中,光源的顯色性直到近幾年才被評價。然而,我們發(fā)現(xiàn)采用高顯色性的光源對于提高目標的可見度是有效的。(2)根據(jù)觀察者回答視看目標的顏色名字,精確的顏色名字比例是81%。所以,發(fā)現(xiàn)采用高顯色性的光源,精確考慮隧道中的設(shè)施的可能性會更高。(3)根據(jù)分別對司機的問卷調(diào)查結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在顯色性好的光源下司機會覺得更明亮。另外,在顯色性好的光源下一些支路的可見度比率也可以有很大的提高。因此,我們相信采用顯色性好的光源將建立