中间视觉条件下汽车玻璃贴膜对视力清晰度影响的实验研究

关雪峰 邝志斌 赵海天

(深圳大学建筑与城市规划学院，深圳 518000)

1 引言

现如今车膜已成为汽车装饰消费的必需品。但由于其种类繁多以及消费者认识不足，不少车主盲目的将美观、私密等因素作为首选标准，完全忽略了车膜关乎行车安全最重要的性能指标——透光度。因此，国家强制性标准GB7258—1997的第一号修改单 (2000年7月1曰起实施)中规定［1］:“机动车驾驶室必须保证驾驶员的前方视野和侧方视野，前风窗玻璃驾驶员视区部位的透射比必须大于或等于70%，驾驶员座位两侧的窗玻璃的透射比必须大于或等于50%。”

目前商家给出车膜的各种参数指标 (如透光度、隔热率、紫外线阻隔率)都是针对白天 (明视觉)太阳光，对于夜晚处在中间视觉条件下的道路照明，光源不是太阳，取而代之的是不同种类的人工光源 (如高压钠灯、金属卤化物灯、LED灯等)，其透光度参数值是否还具有指导意义，便有待于验证;而且透光度并不等于清晰度，真正清晰度高的膜，即使透光率只有5%～6%的深色膜，其单向透视性也极佳［2］。因此，本文的实验便是在模拟的中间视觉环境中，在人工光源下研究汽车玻璃贴膜的视觉可见度和穿透性。

2 实验装置与准备

2.1 实验目的

在中间视觉条件下，研究不同种类车膜在人工光源下的视觉可见度，建立透光度与可见度的关系，以及不同种类车膜在不同人工光源下的穿透力。

2.2 实验条件

光学实验室;

佳能450D单反相机:1200万像素，国家标准对数视力表;

接触式单向调压器:动态范围0～250V，高精度全自动交流稳压器;

XYI-Ⅲ照度计:动态范围0.1～100klx，仪器精度±4%;

XYL-V全数字亮度计:动态范围0.1～100kcd/m2，仪器精度±5%。

福耀玻璃——微型捷达前挡风玻璃;

车膜01#～14#，共14种，详细参数见附表一;

光源:白炽灯、高压钠灯、金卤灯、LED灯、日光灯，其光谱参数见附表二。

2.3 实验准备

为防止外界光对实验结果产生影响，整个实验在暗室中进行。实验室的墙面均被刷成蓝黑颜色(尽量减少光线通过墙面反射对物体造成的影响，同时也可模拟夜晚的天空)，如图1所示。观察者与目标物——视力表分别置于实验室的两端，相距5米，目标物中心高度1.5米;采用双向布灯 (使目标物表面受光更加均匀)，灯具安装高度2.5米，光源与目标物水平距离为4米;亮度计对准目标并与光源同侧 (避免光线对亮度计造成影响);相机与光源同侧，距离目标物5米，高度1.5米 (使镜头，人眼睛与目标物处在同一水平线上且垂直与目标物)。在相机正前方一定的距离放置预先制作好的木盒，将贴有膜的小型风窗玻璃插进去。

3 实验方案

此实验方案示意图如图2所示。

图1 实验室的墙面

3.1 实验误差校正

此实验误差主要来自目标显示误差。目标显示误差是由目标物亮度和其周围临界的背景亮度的分布均匀性决定的。为了技术上便于计算，在小视角情况下通常假设背景亮度是紧邻目标物上下边界的中点的亮度平均值［3］。因此在实验准备阶段需要对目标背景亮度分布均匀性进行校对实验:选取目标物的中点和四周的角点，测量并记录其亮度值 (如图3)。然后继续调节光源亮度，重复以上操作5次。为了计算亮度测量误差的大小，采用样本标准差 S 来衡量［4］:

图2 实验方案示意图

式中 Li——第i次亮度测量值;

实验数据采集使用的是DC-0651B超高频RFID读卡器和无源标签，具有读写距离较远和数据传输快的特点。其频率范围为840～960 MHz，通讯协议EPC C1 GEN2/ISO18000-6C，有效识别距离为5 m左右。无源标签采用的是PCB抗金属标签，基材为FR-4，天线材质为蚀刻铜箔，标签芯片为Alien Higgs3/Impinj Monza 4QT，频率范围为902～928 MHz，尺寸为65 mm×25 mm×3.5 mm，体积较小、芯片灵敏。

L－——亮度测量值的平均值。

表1 不同电压下不同测点的亮度变化

图3 校准对数视力表

从表1可以看出，标准差值很小，因此变动性很小，平均数的代表性很大。屏幕的亮度分布比较均匀，达到实验要求。

3.2 透光度与照度透射率

透光度 (transparence)是相对于吸光度来说的，是光透过性的量度。用透过的光量与入射光量之比的百分率表示，又称透光率、透射率或透过率，通常以T表示［5］。其表达式为:

式中 Φ——透过介质的光通量 (lm);

Φ0——入射到介质表面的光通量 (lm)。

照度表达式为:

式中 E——透过介质的照度值 (lx);

E0——入射到介质表面的照度值 (lx)。

由于贴膜的汽车风挡玻璃的前后面积相同，即公式 (2)可简化为:

因此，汽车玻璃贴膜的透光度可用照度透射率T表示。

3.3 实验步骤

实验第一阶段是在不同人工光源条件下测试该车膜的透光度，用照度透射率T作为其评价指标，首先将照度计固定于预先制作好的贴有膜的挡风玻璃木盒中，如图4所示。在没有贴膜的情况下分别记录不同人工光源的照度值E0作为每种光源的初始照度值，然后在每种光源下分别测量不同种类车膜的照度值，最后利用公式T=/E0求出透射率。

图4 车膜透射率示意图

图5 实验设备位置图

实验第二阶段与文章“中间视觉条件下空间亮度对视力影响的‘E’方法实验测定”相同 (包括实验各装置的位置、参数，以便进行横向比较如图5所示)［4］:“在白炽灯光源下，选取白底黑字的国家标准对数视力表作为背景和目标物，测试车模对视觉可见度影响。由于实验是在中间视觉条件下进行的，中间视觉亮度水平范围是0.001～3cd/m2［6］，而一般的道路照明亮度最低值是0.03cd/m2［7］，所以测量范围采用0.05～4cd/m2，亮度调节以0.05cd/m2为单位递增。每一次调节背景亮度的同时，都要对目标物进行拍照并测量其中心表面垂直照度 (照度的测量采用求平均值的办法)，然后让观察者对目标物——视力表进行评价 (如同驾驶员进行视力检查的方法)，并记录看到的等级范围——视力表中的第几行 (由于人眼对物体识别是有差别的，因此选取男女比例相同且拥有正常视力的若干名观测者，取平均值作为最后的数值)。”重复以上操作，待背景亮度达到4cd/m2为止，换另一张膜。需特殊说明的是:在此期间，相机拍摄模式是手动的，所有拍摄的相片参数都是固定不变的，这样可以保证拍出来的照片是在同一水平下，彼此之间的相对值是准确的。相机参数如下:

相机型号:Canon 450D，EF-S 18～55mm 镜头Aperture Shutter ISO Exposure Mode Focal Length Size Quality 配件F8.0 2.5s 400 Manual 55mm M，normal， －1 Kenko，58mm MC UV 镜

4 实验数据与结果分析

实验首先研究车膜在不同人工光源环境下的透射系数，对测量、计算得出的数据进行整理与分析，其数值呈现在表2和有3中。

由表2可知，在五种人工光源条件下，前窗膜的透射率均高于其在白天太阳光下的透射值，但彼此之间的差别不大。由表3可知，在夜晚五种人工光源照明条件下，每种贴膜玻璃的透射率差别不大，但均低于GB7258—1997中规定值。

实验第二阶段是研究贴膜的风窗玻璃对视觉可见度的影响。以白炽灯为例对测量得出的数据和判断后的视力等级进行回归分析，其前窗和侧窗贴膜玻璃视力清晰等级分别呈现在图6，表4和图7，表5中。

表2 不同光源下的不同膜透射率统计值

表3 不同光源下不同贴膜玻璃的透射率统计值

图6 不同前窗贴膜玻璃视力等级回归曲线

表4 前窗贴膜玻璃回归曲线模型参数值

图7 不同侧窗贴膜玻璃视力等级回归曲线

表5 侧窗贴膜玻璃回归曲线模型参数值

由表4，表5得知，对于前窗、侧窗贴膜玻璃的视力等级与背景亮度的函数回归曲线 (S)y=eα+β/x和 (Logarithmic)y= α + βln(x)，其方差 R2均分别大于0.95和0.94，F值大，拟合率非常好。由此可以得出，回归曲线 (S)和 (Logarithmic)可以作为其函数表达式。

由表3，和图6，图7得知，对于贴膜的风窗玻璃，透射率大的，视力等级高，清晰度高;从图6可以看出，在中间视觉条件下，无膜视力等级曲线的曲率大于有膜的视力等级曲线曲率，且在0.1～2cd/m2范围内尤为突出:当背景亮度为0.1 cd/m2，无膜的视力等级为4.35，有膜的视力等级均低于4.0;当背景亮度为2 cd/m2，无膜的视力等级为5.1，有膜的视力等级均低于5.05;当背景亮度≥2.5 cd/m2，视力等级基本一致。由于以上五种前窗膜在白炽灯下透射率差距不大，因此视力清晰度也基本一致;从图7可以看出，当背景亮度为0.15 cd/m2，无膜的视力等级为4.65，有膜的视力等级均低于4.0;当背景亮度为0.45 cd/m2，10#膜才有视力等级，为4.2。由于五种侧窗膜的白炽灯透射率差别较大，因此其视力清晰等级相差悬殊。

将每一种车膜在白炽灯下的透射率T与无膜状态下的视力回归曲线方程中的X值 (背景亮度)的乘积作为自变量带入方程，得出的视力等级与人眼观测得到的视力等级基本吻合，其函数表达式为:y'=f(tx)。

5 实验结论

1)无论是前窗膜还是侧窗膜，在夜晚人工光源条件下，其驾驶视区部位的透光度远低于国家强制性标准 GB7258—1997规定的数值 (该值只适合于太阳光);相对于不同人工光光源，车膜的透光度差别不大。

2)在环境条件不变的情况下，车膜的透光度越高，其视觉可见度就越高。

如今汽车贴膜已是普遍现象，因此对于道路照明来说，在不过多消耗电力能源的情况下，是否可以相应的增加光源的输出功率，提高其路面平均亮度标准值便有待于探索。

［1］“GB7258—1997机动车运行安全技术条件第一号修改单．”中国道路运输．2000年，第5期．

［2］廖建华．“更严苛的汽车贴膜标准—清晰度”．音响改装技术．2007年，06期．

［3］Olkan Cuvalci．Bugra Ertas．Roadway Lighting Design Methodology and Evaluation．

［4］关雪峰，胡姗姗，赵海天．“中间视觉条件下亮度对视力清晰度影响的“E”方法测定”．照明工程学报，2010.Vol 21.No．3.P17～24．

［5］“透光度——百度百科”．网页:http:∥baike．baidu．com/view/1314960.htm。

［6］林燕丹，陈大华，邵红．“基于视觉功能法的中间视觉光度学模型及其在道路照明中的应用”，照明工程学报2006年9月，第3期．

［7］陈仲林，李毅，杨春宇，胡英奎，刘英婴．“道路照明中的光生物效应研究”．照明工程学报，2007年9月，第3期．