LED光源的光谱能量分布对人行空间面部辨识的影响研究

郝洛西 杨 秀 林 怡

(同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

1 引言

人行道路照明的主要目的是保证行人具有一定的视看能力，如辨别行人动机、发现障碍物、阅读标识信息等，从而减少犯罪、躲避危险，提高步行空间的安全性和行人的安全感［1～2］。步行道路的活动特点有别于机动车道，其人行速度较为缓慢，但视觉作业较为复杂，其中与安全感相关的最重要视觉作业之一就是面部辨认。这一视觉过程涉及到周边视觉 (off-axis)的探测，以及线上视觉 (onaxis)的视敏度、对比敏感度以及对颜色辨识等内容［3］。目前，衡量面部识别视觉能力的主要方法之一是测量不同面部辨识程度时的距离［4］。

夜间的多数室外空间亮度水平都处在中间视觉亮度范围，室外步行空间也不例外。很多研究表明，在中间视觉条件下光源光谱能量分布 (SPD，Spectral power distribution)对视亮度的感知有影响［5］，但对于视觉功效的影响尚未获得统一结论［6～7］。其中，有研究表明SPD对于非颜色视觉以及中央凹的敏锐度没有影响［8～9］，也有研究表明SPD对中央凹视觉作业没有影响，但当视觉作业超出中央凹或者偏离线上视觉时，则存在影响［9～10］。由于面部辨识视觉作业的复杂性，它可能同时存在线上视觉和周边视觉。然而，在之前的面部辨识相关研究中，SPD对视觉作业的影响也存在不一致性。有两个研究表明［11～12］，在夜间室外的真实照明场景中，SPD对于面部辨识没有影响。其一研究表明低压钠灯和高压钠灯对于入侵者的探测和面部辨识具有同样的效果，而另一个研究的结果分析没有发现金卤灯和高压钠灯两个场景下在统计学上的差异，并得出颜色信息对于面部辨识不重要。也有研究发现了SPD对面部辨识存在影响［13～15］，他们发现在黄光含量较少的光源下的面部辨识能力要强于黄光含量较多的钠灯。

显然，从这些研究中我们并没有获得SPD对面部辨识影响的统一结论。分析这些实验方法，不难发现可能存在的原因［3，16］:(1)之前的研究只针对光源类型进行一定的比较，没有针对具体的光源SPD进行分析，甚至在分析的时候忽略了光源显色性的影响;(2)很多的研究在户外进行，难以控制的户外复杂环境因素，可能导致实验中存在不稳定的“噪音”;(3)在实验方法方面，被试以不同速度行进，使得移动过程中有效视野内的环境亮度在不断变化;(4)在这些研究中，他们多选择名人的二维照片作为视看目标，这与真实场景中三维的面部状况差异较大。因此，我们需要重新梳理思路，提出更适合的实验方法来进一步研究中间视觉条件下的面部辨识等问题。

2 面部辨识实验

在室内建立面部辨识实验场景，模拟步行道路照明的光照方式，让被试在给定的4m距离条件下观察位于步道灯前方的陌生人，通过改变该陌生人的面部垂直照度，获得在不同SPD的LED光源下的面部辨识情况，从而了解LED光源的不同SPD对面部辨识能力的影响，场景见图1～图2。实验中采用三种不同SPD的LED光源，并设置三种不同的环境亮度水平，共形成九个实验场景。在每个场景中，改变面部垂直照度，让被试依次说出以下两种辨识程度的时刻，并记录相应的垂直照度值:

(1)可以猜测被观察者的面部特征;

(2)可以看清被观察者的面部特征。

图1 面部辨识实验的实验场景平面示意图Fig.1 The scene plane schematic diagram in facial recognition experiment

图2 面部辨识实验的实验场景Fig.2 The scene of facial recognition experiment

2.1 实验光源

实验用光源采用了Cree公司的 XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1和L2光源前分别增设了46.7°和15°的光学透镜。实验选用了三组不同色温的LED，其具体参数见表1和图3。

表1 2700K、4000K和6500K色温LED光源的基本参数Table 1 The basic parameters of LED light sources with 2700K、4000K and 6500K

图3 2700K、4000K、6500K色温LED灯具的光谱能量分布Fig.3 The spectral energy distribution of LED lamps with 2700K、4000K and 6500K

2.2 实验被试与被观察者

在实验设计中，选择的被试具有相似的专业背景和相近的年龄段。所有的被试无色盲、色弱以及其他眼部疾病史，并经过眼科医学的严格筛选。最终入组被试人数为23人，其中男性11人、女性12人，年龄为18～22岁。

实验中采用真人作为被视看目标，相比较以往实验中采用二维照片来说，更接近真实的视觉条件。考虑到人肤色、五官特征等的差异可能会带来不同被试之间辨认结果的差异，故实验中只选择同一被观察者参与实验，并保证所有被试在实验之前未见过该被观察者。

2.3 实验参数取值

实验中采用常用的三种色温，结合三个不同的路面平均照度环境进行实验设计，共有九个场景。在每个场景中，改变被观察者面部的垂直照明，被试依次说出不同辨认程度的时刻，并记录相应的垂直照度。因此，在该实验设计中，光源色温、路面平均照度为自变量，被试获得的不同辨认程度时的面部垂直照度为因变量。

2.3.1 LED光源的色温

本实验的目的是了解不同SPD特征的LED光源对于步行道空间中人的面部识别能力的影响。功能型白光LED主要是由蓝光芯片激发黄色荧光粉的白光技术生成［17～18］，此类白光光谱特征呈现为双波峰形态，即是蓝光波峰与黄光波峰。因此，采用可见光光谱中小于500nm光谱能量的百分比［注］来表示SPD的特征［19］具有一定的可行性，但作为一个控制指标不具有易操作性。相同色温的光源理论上可以具有不同的SPD，即同色异谱，但由于这种商业化的白光LED的制备方式，使其异谱间的差异不大，如果保证光源的显色性相同，那么这个差异会更小。因此，当显色指数一定时，采用光源色温来表征LED光源的SPD特征是可行的。实验中选用的光源相关色温分别是2700K，4000K，6500K，其可见光光谱中小于500nm光谱能量的百分比分别为9.7%、21.4%、32.8%，它们对应的S/P值分别为1.12、1.66、2.16。

2.3.2 路面平均照度

环境适应亮度是影响中间视觉视觉特性的最重要指标，以往的中间视觉研究多采用较大的亮度范围，但较低的环境亮度在实际照明应用中较少涉及，而且在真实场景中如何测量环境适应亮度还具有一定的争议［20］。因此实验中采用路面平均照度表征不同的环境适应亮度，而且相关取值是根据《城市道路照明设计标准 (CJJ 45－2006)》的3.5.1中人行道路照明标准值，并参考了国际照明委员会CIE115－2010、英国BS EN13201－2:2003、日本工业标准等推荐的步行道路照明水平照度，选择具有代表性的三个地面平均照明值:5lx、10lx和20lx，其中5lx和20lx是现行国家标准中规定的人行道路平均照度最小和最大值。

注:国际黑天空协会 (IDA)定义了“富含蓝光”白光的描述，通常来说是波长低于500nm的光。“富含蓝光”的词语经常涉及所有的白光类型。“富含蓝光”与“富含黄光”(典型的是HPS)相对应，并包括不同蓝光比例的光源。

2.3.3 面部垂直照度

面部垂直照度是本实验很重要的变量。在每个实验场景中，从零开始缓慢地递增变化，模拟实际场景中由远及近的视觉过程。在记录面部垂直照度时，还记录相应的半柱面照度值。虽然国家标准中未采用半柱面照度指标来控制环境照明，但CIE以及一些西方国家已采用这个指标，这个指标更能反映出面部光照分布的真实情况，但是实际应用的可操作性不强。

2.3.4 辨识程度

实验设计中，引入辨识程度来测量面部辨识的能力。但是“可以猜测”和“可以看清”具有很强的主观性，因此在被试参与实验的暗适应之前，利用辨识卡向被试解释如何判定两种辨识程度，尽可能确保被试对两种辨识程度认识的一致性，如图4所示。

2.4 实验顺序设计

图4 向被试者解释两种辨识程度的辨识卡Fig.4 The recognition cards of two recognition levels shown to the testers

在实验设计中，LED光源的色温、路面平均照度二个变量组合共有九个场景，实验设计采用被试内设计方法 (within-subjects design)，对场景呈现顺序采用平衡拉丁方设计 (Latin-square design)来消除或减弱由于位置效应、延续效应和差异延续效应等带来的不利影响。因此，将被试随机均匀地分成三组，进行三种实验处理的平衡拉丁方设计。此外，不同路面平均照明场景间的切换时设计了足够的适应时间，让被试充分适应场景间不同环境亮度的变化。

3 实验结果及分析

实验获得在两个辨识程度时的垂直照度和相应的半柱面照度的均值以及标准偏差，见表2，数据分析采用IBM SPSS Statistics 20软件。

表2 面部辨识实验中不同辨识程度时垂直照度和半柱面照度的均值及标准偏差Table 2 Average value and standard deviation of vertical illuminance and semi-cylindrical illuminance of various recognition levels in the facial recognition experiment

经统计分析可知，地面平均照度总是对因变量(面部垂直照度值)具有统计学意义上的显著性(p＜0.01)，且随着地面平均照度的提高，因变量也相应的提高。这可能与在不同的环境适应亮度条件下的亮度对比阈值有关，在更高的亮度环境中，需要视看对象具有更高的亮度可能获得相同的辨认程度。由光源色温对因变量的统计分析可知，在路面平均照度为5lx时，色温对因变量的影响是显著的 (p＜0.05)，在其他两个较高照度条件下则不具有显著性。这种不一致可能与实验中色温的取值范围较小有关，也可能与中间视觉的不同适应亮度环境下被激活的视网膜感光细胞种类和数量不同有关。但从均值的分析看，因变量总是随着光源色温的提高而提高。在三个路面平均照度条件下，在达到相同辨认程度时，2700K色温下需要的垂直照度值均为最低，6500K色温下则需要更高的垂直照度。这说明在相同的路面平均照度条件下，2700K更有利于面部辨识，相对来说6500K最不利，4000K次之，这个结论与以往研究结果不一致。从文献［13～15］可知，以往的研究结论说明对于面部辨识视觉作业来说，荧光灯或金卤灯等较高色温的白光优于色温较低的黄光钠灯，但是这些研究中的实验光源显色性差异较大，黄光含量较多的钠灯显色性很低，而与其对比的光源显色性较高。据此推断，显色性可能是面部辨识视觉作用中重要的因素，这一推论也与文献 ［14］中显色性有助于面部辨识的结论相一致。另外，这一结论还可能与被观察者的肤色、LED光谱特性有关。中国人的肤色为黄色略带红色，而低色温LED的SPD中黄光含量更多，这使得在低色温条件下有更多的光被反射，也更有利于面部的辨识。

实验也获得了不同路面平均照度下，满足面部辨识的面部垂直照度和半柱面照度等具体数值。如果不考虑色温间的差异，在5lx路面平均照度的条件下，在4m的距离下，可以猜测陌生人面部特征时的面部垂直照度为0.92lx，相应半柱面照度为0.652lx，当达到可以看清的程度时的面部垂直照度为1.642lx，相应的半柱面照度为1.08lx。在10lx路面平均照度的条件下，可以猜测陌生人面部特征时的面部垂直照度为1.103lx，相应的半柱面照度为0.834lx，当达到可以看清程度时的面部垂直照度为1.856lx，相应的半柱面照度为1.283lx。在20lx路面平均照度的条件下，可以猜测陌生人面部特征时的面部垂直照度为1.518lx，相应的半柱面照度为1.236lx，当达到可以看清程度时的面部垂直照度为2.502lx，相应的半柱面照度为1.811lx。

4 结论

在中间视觉条件下，不同的适应亮度环境中，人眼视网膜中的杆状细胞和锥状细胞被激活的数量不同、三种不同光谱敏感度的锥状细胞对于不同光谱环境刺激的应激反应的差异以及人眼的不同颜色视觉通道的差异等中间视觉条件下的人眼生理学特征，使得环境适应亮度和光源光谱都是影响中间视觉的重要因素。该实验再次验证了环境适应亮度对面部辨识的显著性影响。实验结果还说明在较低环境适应亮度时，光源色温对面部辨识的影响具有显著性，在较高时则不具有显著性。但从不同色温条件下可辨识的面部照度的均值存在差异，并显示了一致的变化规律。该实验获得以下结论:

1)在室外功能性照明的一般亮度范围内，环境适应亮度对面部辨识的影响具有统计学意义上的显著性，并随着该亮度的增加，获得相同辨识程度时所需的面部垂直照度 (或半柱面照度)更高;

2)在路面平均照度为5lx的场景中，光源的SPD对面部辨识的能力具有显著影响。在功能性照明应用中，当光源的显色性一致时，蓝光含量较低(可见光光谱中小于500nm光谱能量的百分比为9.7%)的LED光源对于面部辨识更有利，蓝光含量较高的LED光源更不利;

3)实验得出不同室外路面平均照度时，人脸面部辨识所需要的最低垂直照度 (和相应的半柱面照度)的数值。按照国家标准规定的地面平均照度在5lx时，实验获得的最低面部垂直照度为0.92lx(Esc=0.652lx)，10lx时为 1.103lx(Esc=0.834lx)，20lx时为1.518lx(Esc=1.236lx)。这个数值是保证夜间行人在看到陌生人并感受到可能存在的危险时，能做出逃离或者防御等行为的最小值。

［1］ IES.Recommended Lighting for Walkways and Class 1 Bikeways(DG-5-94) ［S］.Illuminating Engineering Society of North America，1994，1～7.

［2］郝洛西.城市照明设计 ［M］.辽宁科学技术出版社，2005，85～89.

［3］杨秀，郝洛西.光源光谱能量分布 (SPD)对行人视觉作业的影响研究回顾 ［J］.照明工程学报，2012，23(6).

［4］ vanBommel W.J.M.，Caminada E，Considerations of the Lighting of Residential Areas for Non-motorised traffic［C ］， CIBS national lighting conference， 1982，158～167.

［5］ S.A.Fotios，C Cheal.Lighting for subsidiary streets:investigation of lamps of different SPD. Part 2——Brightness［J］.Lighting Res.Technol.2007，39(3):233～252.

［6］ Fotios S，Cheal C，Boyce P.Lighting source spectrum，brightness perception and visual performance in pedestian environments:a review ［J］.Lighting Res.Technol.2005，37(4):271～294.

［7］ Fotios S， ChealC. Lighting forsubsidiary streets:investigation of lamps of different SPD.Part 1—Visual Performance ［J］.Lighting Res.Technol.2007，39(3):215～232.

［8］ Eloholma M，Halonen L，Setala K.The effects of light spectrum on visual acuity in mesopic lighting levels［C］，In Proceedings:Vision at Low Light Levels.Palo Alto CA:EPRI，1999.

［9］ Boyce P R，Bruno L D.An evaluation of high pressure sodium and metal halide light sources for parking lot lighting［J］.J.Illum.Eng.Soc.，1999，28:16 ～32.

［10］ He Y，Rea MS，Bierman A，Bullough J.Evaluating light source efficacy under mesopic conditions using reaction times［J］. Journalofthe Illuminating Engineering Society，1997，26:125～138.

［11］ Boyce PR， Rea MS. Security lighting:effects of illuminance and light source on the capabilities of guards and intruders ［J］.Lighting Res.Technol.，1990，22:57～79.

［12］ Rea M，Bullough J，Akashi Y.Several views of metal halide and high pressure sodium lighting for outdoor applications ［J］.Lighting Res.Technol.，2009，41:297～320.

［13］ Raynham P，Saksvikrlōnning T.White light and facial recognition.The Lighting J.，2003，68:29 ～33.

［14］ Knight C，Van Kemenade J，Deveci Z.Effect of outdoor lighting on perception and appreciation of end-users［Z］.College Station TX，United States:2007.

［15］姚其，林燕丹，陈文成.基于人体功效学评价新型金卤灯在道路上的应用及其与高压钠灯的比较分析［C］.海峡两岸第十四届照明科技与营销研讨会，2007，92～103.

［16］ Fotios S， Raynham P. Correspondence:Lighting for pedestrian:Is facialrecognition whatmatters?［J］.Lighting Res.Technol.，2011(43):129 ～130.

［17］刘行仁，郭光华.低色温 (3450～2700K)白光LED的发射光谱和色品质特性 ［J］.照明工程学报，2005，16(1):42～45.

［18］刘行仁，郭光华，林振宇 等.相关色温8000～4000K的白光LED的发射光谱和色品质特性［J］.中国照明电器.2004(7):1～4.

［19］ International D A.Visibility environment and astronomical issues associated with blue-rich white outdoor lighting［R］.2010.

［20］ PuolakkaM.， CengizC.， LuoW.， HalonenL..Implementation of CIE 191 mesopic photometry-ongoing and future actions［C］.ProceedingsofCIE 2012‘Lighitngquality and energy efficiency'， Hangzhou，2012:64～70.