LED光源的光谱能量分布(SPD)对步行空间颜色识别的影响研究

郝洛西，杨 秀，林 怡

(同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

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]。然而完成这些视觉作业，多会涉及到颜色信息的问题。在中间视觉条件下，人眼视网膜内的锥状细胞依然活跃。三种锥状细胞的不同分光敏感性决定着三种视觉通道，使得光源SPD成为影响人眼颜色视觉的重要因素。这三种视觉通道包括一个非颜色无拮抗通道和两个颜色拮抗通道，即非颜色通道、红-绿拮抗通道和黄-蓝拮抗通道。这些颜色视觉系统的拮抗结构决定了视觉作业中对颜色的感知[3-4]。研究表明影响人行道路照明颜色识别的主要照明因素是照度水平、光源的显色性[5]，以及色温等。

Boyce PR， Bruno(1999)[6]的研究发现在中间视觉条件下照度水平的增加有助于颜色识别准确率的提高,金卤灯和紧凑型荧光灯比钠灯对颜色辨识更精准。英国标准BS5489-1(2003)甚至允许辅助街道上的照明在显色性与照度之间进行取舍，规定如果使用具有高显色性的光源，可以选择更低一级别的照度水平。Knight C， Van Kemenade J， Deveci Z(2007)[7]的户外真实场景中的颜色识别实验，在高压钠灯(2000K、显色指数25)和两个金卤灯(2800K，显色指数大于60)的照明场景进行比较，让被试者距离15m的位置行进并辨认灯前1.5m处的8块不同颜色的毛巾，结果显示白光更有利于颜色的辨认。姚其等人(2007)[8]在高压钠灯与金卤灯的道路上进行颜色识别的实验，结果显示对红色、黄色、蓝色的辨认，金卤灯优于高压钠灯，高压钠灯在黄绿色上的辨认优于金卤灯，但总体来说白光的金卤灯更具优势。

总结以往的研究可知，在人行道路照明场景中的颜色识别方面，白光的金卤灯比黄光的高压钠灯具有更高的颜色辨识能力和正确率，这似乎可以得出黄光含量较高的光源对于颜色辨识不利。但是我们同样知道高压钠灯的显色性远不如金卤灯，在颜色辨识方面的差异很可能是由于显色性的不同造成的。那么对于显色性相同的不同SPD光源来说，他们之间对于颜色辨认是否存在差异，还不得而知，需要开展更多具有针对性的研究来验证这一问题。[9-10]

1 颜色识别实验

颜色识别实验的目的是了解在不同SPD的光源条件下，行人对步行空间照明中被照物的颜色辨识能力。如图1、图2实验设计方案，被试在距离色样4m的距离下，观察立于L1光源前1m处的四对NCS色卡，并让被试从NCS对比色环中选出认为最接近的颜色。四对NCS色卡为NCS色彩体系中色彩饱和度最高的色环上四对典型色样：红色(-R)—橙色(-Y50R)；黄色(-Y)—黄绿色(-G50Y)；绿色(-G)—蓝绿色(-B50G)；蓝色(-B)—紫色(-R50B)。

注：S为被试；L1为场景提供空间照明，其相关色温分别是2700K，4000K，6500K；L2是与L1具有相同SPD的光源，为NCS色卡提供垂直照度。且与模拟步道轴线夹角为6.3°，以模拟相邻近步道灯照射角度；NCS色卡为四对色样：红色(-R)—橙色(-Y50R)、黄色(-Y)—黄绿色(-G50Y)、绿色(-G)—蓝绿色(-B50G)、蓝色(-B)—紫色(-R50B)。NCS色环为对比色样。

1.1 实验光源

实验用光源采用了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SPD的LED，其具体参数见表1和图3。

1.2 实验被试

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。

1.3 实验装置

颜色识别实验中，选取了NCS色环(NCS color circle)中的四对饱和度最高的颜色作为视看目标，并以色环作为对比色样使用。实验中，将四对颜色成对的组合黏贴在黑色背板上，放置在实验指定位置(如图4所示)。四对NCS色卡的尺寸是150mm×105mm。

对比色环为NCS标准色环，为了防止被试在实验中记忆色环上的颜色，以色环为基础，制作了色样对比圆盘。用黑色的卡纸遮挡色环上颜色的编号，仅将色环上的颜色呈现出来供被试选择。并制作一个具有1～40数字序号的黑色卡纸，在每次被试辨认前，记录颜色与数字序号的对应关系，完成每个场景的实验后，改变数字序号与色样的对应关系，用于下一个实验场景，如图5所示。色环上对比色样的尺寸大小为50mm×30mm。被试观看的对比色环采用D65标准光源照射，并且通过遮光的方式控制照射范围仅能照射色环上几个颜色的区域，避免过高的照度和过大的照射范围影响被试视看的环境亮度，如图2所示。

1.4 实验参数取值

实验中采用三种色温，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。因此，在该实验设计中，光源色温、路面平均照度为自变量，被试获得的对颜色识别的准确率和判断误差为因变量。

图5 NCS标准色环及实验中的对比圆盘Fig.5 NCS standard color circle and compared color circle in experiment

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[11、12]，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。根据对“富含蓝光”白光的描述，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[13]。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%，它们对应的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较少涉及，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[14]。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是现行国家标准规定的人行道路平均照度最小值和最大值。[15]

在实验中，根据地面平均照度的取值，严格控制了四对色卡的表面平均垂直照度。参照国家标准对应地面平均照度为5lx、10lx、20lx时色卡的平均垂直照度分别取1lx、2lx、4lx。[15]

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。[16]

2 实验结果及分析

在对颜色辨识结果的整体分析以及对单个颜色的分析中，都引入了准确率与判断误差作为衡量指标，以评价识别颜色的准确性和偏离程度。数据分析采用IBM SPSS Statistics 20软件。

2.1 色温对颜色识别的影响

色温对颜色识别影响程度的整体分析中，引入的准确率u和判断误差σ作为主要衡量指标。表2显示的是在颜色识别实验中，准确率u和判断误差σ的描述性统计量以及光源色温对因变量的影响程度。

表2 光源色温对颜色判断的准确率u和判断误差σ及其影响程度Table 2 Accuracy rate (u) and error in judgement (σ) of color naming under different CCT

从表2中的P值可知，在地面平均照度为5lx条件下，色温对准确率的影响没有显著性，但对判断误差的影响具有一定的显著性；当为10lx时，色温对准确率的影响具有非常的显著性，但对于判断误差没有影响；当为20lx时，对准确率和判断误差的影响都有显著性。无论在哪个地面平均照度的分组条件下，都显示了色温对于颜色识别影响的显著性。在步行空间照明中，颜色识别与物体的固有色以及与光源SPD共同作用下的表观色有关，这使得不同SPD的LED光源对于颜色的识别存在差异。

从判断颜色的准确率和判断误差的均值来看，无论在哪个照度条件下，4000K色温时的准确率总是高于2700K和6500K，且判断误差也最小，见图6、图7。这说明4000K色温对于颜色识别更有利，而2700K和6500K均次之。

图6 颜色识别的准确率随色温的变化Fig.6 Accuracy rate (u) of color naming changed according to CCT

图7 颜色识别的判断误差随色温的变化Fig.7 Error in judgement of color naming changed according to CCT

2.2 色温对单个颜色识别的影响分析

在分析单个颜色的识别能力时，建立了新的两个指标：准确率a和判断误差d。虽然准确率对颜色识别具有一定的意义，但在步行道路中判断一个颜色时的偏离程度则更能反应颜色识别的能力。因此在分析色温对单个颜色识别是否有影响时，主要针对每个颜色时的判断误差。数据分析可知：

(1)蓝绿色

色温对蓝绿色识别的影响具有显著性意义，且随着色温增加颜色识别能力有所提高。但在不同地面平均照度场景下存在一些差异，其中在5lx时，2700K时偏离程度最大，4000K次之，6500K最小；在10lx时，2700K时偏离程度最大，6500K次之，4000K最小；在20lx时，2700K时偏离程度最大，6500K次之，4000K最小。这说明2700K的低色温时对蓝绿色的识别最不利。

(2)绿色

在地面平均照度为5lx时，色温对绿色的识别影响具有显著性意义，且随着色温增加颜色识别能力显著提高，即6500K时对颜色的识别最有利，4000K次之，2700K最差。但在10lx和20lx条件下，色温对绿色的识别影响不具有统计学意义。

(3)红色

无论在哪个照度条件下，色温对红色的识别影响均不具显著性。

(4)橙色

无论在哪个照度条件下，色温对橙色的识别影响均不具显著性。

(5)紫色

在地面平均照度为5lx时，色温对紫色的识别影响不具有显著性意义。但在10lx和20lx时，色温对紫色的识别均有显著影响。且6500K时对颜色的识别最不利，4000K和2700K之间没有明显的差别。

(6)蓝色

色温对蓝色识别具有非常显著的影响。在地面平均照度为5lx和10lx时，对颜色的识别能力随着色温的增加而增加，即6500K时对蓝色的识别最有利，4000K次之，2700K最不利。但在20lx时，4000K对蓝色识别最有利，6500K和2700K之间没有明显差别。

(7)黄色

色温对黄色的识别具有显著影响，且不论在哪个照度场景下，均显示了4000K对黄色的识别最有利，2700K次之，6500K最不利。

(8)黄绿色

在地面平均照度为20lx时，色温对黄绿色的识别具有显著影响，且6500K时对颜色的识别最有利，4000K次之，2700K最不利。但在5lx和10lx时，色温对黄绿色的识别影响不具有显著性意义。

结合准确率与判断误差均值对八个颜色的识别分析，见图8。结果显示，若不考虑色温影响，对蓝绿色识别的准确率最低，且判断误差最大；红色的准确率最高，且判断误差最小。因此，对于实验用的八种颜色来说，红色最容易识别，而蓝绿色最难识别。

图8 不同色温时八种颜色识别的准确率与判断误差Fig.8 Accuracy rate (u) and error in judgement (σ) of color naming under different CCT

3 结论

颜色识别能力的强弱与人眼的视觉生理特征直接相关。人眼视网膜内存在着三种视觉通道，这取决于三种锥状细胞对于不同波长光的分光敏感性特征，使得光源SPD对颜色识别具有重要意义。而在步行空间照明中，颜色识别与物体的固有色以及与光源SPD共同作用下的表观色有关。这使得不同的照明场景下对于不同颜色的识别具有很大的差异。通过颜色识别实验研究，得到以下结论：

(1)在不同的亮度环境分组中，色温对颜色识别的影响具有统计学意义上的显著性。在地面平均照度为5lx条件下，色温对准确率的影响没有显著性，但对判断误差的影响具有一定的显著性；在10lx时，色温对准确率的影响具有非常的显著性，但对于判断误差没有影响；在20lx时，对准确率和判断误差的影响都有显著性；

(2)从判断颜色的准确率和判断误差的均值来看，4000K色温时对颜色识别的准确率均为最高，且判断误差也最小，即4000K色温对于颜色识别更有利，而2700K和6500K次之；

(3)对于每种颜色的分析中，也获得了不同地面平均照度分组条件下，不同色温对每种颜色辨认能力的差别：

① 蓝绿色：色温对蓝绿色识别的影响具有显著性意义，且2700K的低色温时对蓝绿色的识别最不利；

② 绿色：地面平均照度为5lx时， 6500K时对颜色的识别最有利，4000K次之，2700K最差；

③ 红色与橙色：无论在哪个照度条件下，色温对颜色的识别均没有影响；

④ 紫色：地面平均照度为10lx和20lx时，色温对紫色的识别均有显著影响。且6500K时对颜色的识别最不利，4000K和2700K之间没有明显的差别；

⑤ 蓝色：色温对蓝色识别的具有非常显著的影响。地面平均照度为5lx和10lx时， 6500K时对蓝色的识别最有利，4000K次之，2700K最不利。但在20lx时，4000K对蓝色识别最有利，6500K和2700K之间没有明显差别；

⑥ 黄色：色温对黄色的识别具有显著影响，且4000K对黄色的识别均为最有利，2700K次之，6500K最不利；

⑦ 黄绿色：地面平均照度为20lx时，色温对紫色的识别具有显著影响，且6500K时对颜色的识别最有利，4000K次之，2700K最不利。

(4)若不考虑色温的影响，对于实验用的八种颜色的识别来说，红色最容易识别，而蓝绿色最难识别。

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