LED光源的光谱能量分布(SPD)对步行空间障碍物探测的影响研究

杨 秀，郝洛西，林 怡

(同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

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，从而躲避危险、减少犯罪，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，对步行空间内障碍物的探测也与机动车道内不尽相同。在中间视觉条件下对障碍物探测方面的研究，主要涉及被看物体的可见度和被探测程度等方面。有研究说明机动车道内的光源SPD对于小目标物体的可见度与探测具有一定的影响，这些研究多采用反应时间这一指标来衡量[3-5]，然而人行道路与车行道路中的视觉作业完全不同，相对于反应时间来说，人行道路内的障碍物探测率更为重要。有研究采用室内抽象的实验装置的方法来研究障碍物探测的问题，结果显示在0.2lx时障碍物探测受到光源类型的影响，且随着光源S/P值的增加，探测能力也随之提高[6]。 但是，该实验的照明场景忽略了步行空间内照明方式与光分布特点等因素，而且光源的S/P值不足以准确描述光源的SPD，特别是当LED光源渐渐取代传统光源而被大量应用于城市照明时更为不准确。因此，针对LED光源室内模拟照明场景下障碍物探测的实验值得开展，采用符合步行空间照明特点的研究方法，探讨LED光源SPD对人行道路照明场景中的障碍物探测影响[7]。

1 实验设计

在室内实验场景中，模拟步行道路照明的光照方式。让被试观察正前方距离4m远处的观察点，并在三分之一秒[6，8]的场景探测后，说明探测到的不同偏离角度的障碍物情况，如图1～图2所示。目的是了解不同SPD的LED光源对于障碍物探测的影响。在不同的SPD光源和地面平均照度条件下，实验人员在不同位置放置障碍物，让被试观看观察点时说出是否探测到障碍物的存在及大约位置。

注：S为被试；L1为模拟场景提供照明，光源相关色温分别是2700K，4000K，6500K；观察点为白色纸质圆点。图1 障碍物探测实验场景平面示意图Fig.1 The plan of experiment scene for obstacle detection

图2 障碍物探测实验的实验场景Fig.2 Experiment scene for obstacle detection

1.1 实验光源

实验用光源采用了XLamp XP-G LEDS芯片，并在L1光源前分别增设了46.7°光学透镜。实验选用了三组不同SPD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 parameter of LED with 2700K，4000K，6500K CCTS

注：表中的L1-1，L1-2，L1-3代表三个不同SPD的L1光源。

1.2 实验被试

在实验中，选择的被试具有相似的专业背景和相近的年龄段。经过眼科医学的严格筛选，所有的被试无色盲、色弱以及其他眼部疾病史。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。

1.3 实验装置

1.3.1 障碍物探测装置

障碍物探测装置主要用于控制被试在三分之一秒内探测障碍物，并保证所有被试在相同位置进行实验。该装置包括装置平台、下颚托架、可旋转视线挡板、场景挡板、障碍物以及视察点等，详见图4。

图3 2700K、4000K和6500K色温LED光源的光谱分布图Fig.3 Spectral power distribution of LEDs with 2700K,4000K,6500K CCTS respectively

注：1为装置平台；2为下颚托架；3、4、5为可旋转视线挡板；6为场景挡板；7为被试；8为障碍物；9为观察点。图4 障碍物探测装置示意图Fig.4 Schematic drawing of installation for obstacle detection experiment

装置平台主要用于将被试抬高，使被试在坐姿的状态下，眼部的高度达到150cm，以模拟人站立时眼部的高度。

下颚托架用于控制被试眼睛视看的位置，通过该托架微调被试眼部的高度位置，使眼睛与“3”的位置达到预设状况，仅可以看到观看点，而无法看到其正前方障碍物，并且保证被试在所有的实验场景中保持相同的位置。

可旋转视线挡板是该装置最重要的部分之一，通过滑轮实现对场景中障碍物的探测，如图4中，在实验开始前，实验操作人员将“5”举起至水平位置，此时“3”正好遮挡被试视线，让其仅能看到观察点，而不能看到障碍物，当实验开始后，放开“5”，让其在重力的作用下转变为竖直状态，此时遮挡被试视线的挡板变成了“4”，而在此转变过程中，保证被试的视线观看障碍物的时间为三分一秒时间，实验过程分解见表2。三分之一秒时长的测量通过视频拍摄的方法加以确定和控制。

场景挡板：实验照明场景切换时，用该挡板遮挡被试的视线。同时，操作人员按照随机的方式放置障碍物于相应的位置。

障碍物：一个灰色的立方体盒子作为实验探测的障碍物，以模拟实际场景中类似地砖等凸起障碍物。

视察点：视察点为纸质白点，位于被试正前方，与其前方障碍物位置的水平距离是15cm，距离地面高度也为15cm。实验开始前后被试始终保持观看该观看点，并探测视野内障碍物的存在与否。

表2 障碍物实验装置在实验中的不同阶段图示Table 2 Schematic drawing of installation for obstacle detection experimental status

1.3.2 障碍物及位置

在本实验中采用凸起的障碍物做为探测目标。结合前期对步行道路的实际调研情况，选择了5cm(h)×10cm×10cm的方形障碍物，其表面材料反射率为0.24。障碍物的摆放位置，如图1所示，选择了五个位置，与视线方向水平夹角依次为0°、10°、15°、20°、30°。此时，而与被试观看视线的实际夹角依次为2.5°、9.7°、14.3°、19°、28.5°。实验中被试将接受所有的五个位置的实验处理，其呈现顺序采用抽签法随机出现。

1.4 实验参数取值

实验中采用三种色温光源，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。因此，在该实验设计中，光源色温、路面平均照度为自变量，被试获得的对障碍物探测的准确率为因变量。

1.4.1 LED光源的色温

商业化的功能型白光LED主要是由蓝光芯片激发黄色荧光粉的白光技术生成[9-10]，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。根据“富含蓝光”白光概念的描述，即采用可见光光谱中小于500nm光谱能量的百分比来描述LED光源的SPD特征[11]。这个定义描述的SPD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，但由于商业化的白光LED的制备方式使其异谱间的差异不大，如果光源的显色性相近，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特征具有一定的可行性。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%，对应的S/P值分别为1.12、1.66、2.16。

1.4.2 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，然而较低的环境亮度在实际照明应用中涉及较少，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[12]。因此，实验中采用路面平均照度表征不同的环境适应亮度，相关取值根据《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度水平，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值和最大值。[13]

1.5 实验顺序设计

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额外变量。[14]

2 实验结果与讨论

该实验的目的是判断光源SPD对障碍物探测的影响程度，且实验设计中，设置了五个探测角度。数据分析不仅需要讨论不同色温条件下整体探测准确率的影响，还要分别讨论五个探测角度条件下光源色温对于探测准确率的影响。在分析不同角度的判断准确率时，视轴上的障碍物最容易判别，偏离角度越大的障碍物越难以判别，因此分析中对不同的角度增加了难度系数。分析中采用数学建模的方法建立了5个障碍物的难度系数，从而建立判断障碍物的准确指标(取值越接近1越好)。数据分析采用IBM SPSS Statistics 20软件。

2.1 实验数据

障碍物探测实验获得在不同色温和地面平均照度条件下，障碍物探测的准确率均值及标准偏差等数据结果，见表3所示。

表3 不同色温对障碍物探测的准确率均值及标准偏差Table 3 Mean of accuracy rate and standard deviation for obstacle detection under different CCT scenes

2.2 色温对障碍物探测的影响

分析光源色温对障碍物探测的影响可知(见表4)：在5lx的地面平均照度下，光源色温对判断障碍物的准确率有一定的影响(P值接近0.05)；在10lx时，光源色温对判断障碍物的准确率有显著的影响(P值<0.05)；在20lx时，光源色温对判断障碍物的准确率有非常显著的影响(P值<0.01)。因此，步行道路照明中光源色温对障碍物探测的影响具有统计学意义，这一结果与以往的研究结论一致。

表4 光源色温对障碍物探测影响的分析结果Table 4 Analysis results of the impact of CCT to obstacle detection

从均值的分析可知，随着光源色温的提高判断障碍物的准确率也会提高，即高色温的光源对于障碍物的探测更有利，如图5所示。在地面平均照度为5lx时，光源色温的提高使得探测率有较为明显的提高，在10lx和20lx时，色温越高对于探测也越有利，但是在4000K提高到6500K时，探测准确率的提高幅度很小，甚至随着照度提高到20lx时几乎没有变化。因此，LED光源的色温越高，即光源SPD中500nm以下的蓝光的含量越高，障碍物探测的能力就越强。

图5 不同地面平均照度场景中探测准确率随着色温的变化情况Fig.5 Detectivity with the change of CCT under experimental scenes with different average illuminance of ground

2.3 色温对不同角度时的探测能力影响

在5lx、10lx、20lx地面平均照度时，不同光源色温条件下各探测角度判断障碍物准确率，见图6～图8。从图中可知，在探测角度为0度和10度时，无论在5lx、10lx或20lx的地面平均照度下，不同色温对探测准确率都没有影响，而且准确率几乎达到100%。但在大于15度，色温对障碍物探测的影响有差异，探测角度越大，影响越明显，而且色温越高探测准确率也越高。一定程度上说明光源色温对线上视觉没有影响，对于周边视觉有影响，而且随着探测角度的变大，色温的影响作用越明显。这说明在实际的场景中，高色温更有利于提高对路面障碍物、周边行人或者其他存在潜在危险物体的探测。

图6 5lx条件下各探测角度的准确率Fig.6 Accuracy rate of each view angle under 51x

图7 10lx条件下各探测角度的准确率Fig.7 Accuracy rate of each view angle under 10lx

图8 20lx条件下各探测角度的准确率Fig.8 Accuracy rate of each view angle under 20lx

3 结论

中间视觉条件下，不同视觉作业涉及人眼视网膜中不同的感光细胞，不同的照明场景下被激活感光细胞的种类和数量也不尽相同。视网膜上的感光细胞随着偏离视轴的角度，锥状细胞迅速减少，杆状细胞渐渐增多，特别在20度左右时杆状细胞数量最多，障碍物探测的视觉作业主要依靠人眼的周边视觉，该视觉作业主要与被激活杆状细胞的分布与数量有关。[7,15-16]人眼的这些生理特征解释了一些实验结果，即随着探测角度的增大，色温对障碍物的探测影响越大，而且色温越高障碍物探测能力越强。实验结果一定程度上也说明了色温对杆状细胞有影响，而对锥状细胞没有影响。该实验获得以下结论：

(1)在步行空间照明中，色温对障碍物探测的影响具有统计学上的显著性。且随着光源色温的提高探测障碍物的准确率也提高，即6500K色温的LED光源对于障碍物的探测最有利，4000K次之，2700K最不利。这一结果说明LED光源SPD中500nm以下蓝光的含量越高，越有利于障碍物的探测；

(2)探测角度越大，色温的影响作用越明显，而且色温越高探测准确率也越高。一定程度上说明光源色温对线上视觉没有影响，对于周边视觉有影响。在探测角度为0度和10度时，无论在5lx、10lx或20lx的地面平均照度下，色温对探测准确率都没有影响，但在大于15度时，色温对障碍物的探测有影响，探测角度越大，影响越明显，而且色温越高探测准确率也越高。

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