基于道路照明标准的LED光源配光图像清晰度研究

朱方洲

(安徽经济管理学院信息技术中心，合肥 230051)

据有关资料统计，目前世界上总发电量的25%用于照明，对于照明节能与智能化控制已成为当今关注的热点问题。光源是体现绿色照明之高效节能的核心，优化选择电光源是实现绿色照明的关键［1-2］。作为新型和高效固体光源LED发光二极管，在21世纪具有最广阔的发展前景［3］，在不同的照明领域受到越来越多人的瞩目。特别是大功率高亮度LED其发展趋势是用于新一代居民照明［4］。

目前，我国道路照明光源主要是高压钠灯和金卤灯，许多学者对高压钠、金卤灯在中间视觉状态下的光视效率进行了研究分析［5］。但由于此类灯的光色成分中含蓝色和绿色光成分较少，不在人眼中间视觉状态下的最佳敏感区域，造成夜间驾驶员不便判断前方的行人、汽车和障碍物等的距离，易导致交通事故的发生。

本文通过分析人眼的视觉结构特点，结合中间视觉理论，构建了用于道路照明LED的配光模型，提出了一种白绿光LED道路照明，使该灯的光色成分中含绿色光谱比例分布在人眼的中间视觉敏感区域，弥补了黄色高压钠灯的不足。通过对该电光源的光色建模和实验仿真，获得了较理想的效果。

1 道路照明中的人眼视觉结构分析

视网膜是视觉的光学过程和电生理过程的接口，按照国际照明学会(CIE)的规定［6］，亮度水平大于3 cd/m2的视觉叫做明视觉，是人眼的锥状细胞在工作，亮度水平约在0.001 cd/m2的或更低的视觉叫做暗视觉，是人眼的杆状细胞在工作，介于明视觉和暗视觉之间的叫中间视觉或中介视觉，一般认为处于中间视觉的亮度水平范围在0.001～3 cd/m2之间，是人眼的杆状细胞和锥状细胞在交替作用。研究证明人眼在中间视觉范围内，最佳光谱光视效能是在波长507～555 nm范围内，这时明暗、颜色、空间和响应等视感觉特性均发生变化，且随着适应亮度水平的下降，周边视觉变得比中心视觉的察觉更为容易［7-8］。

由国内外机动车道道路照明的标准可知，我国和CIE规定机动车道道路照明的最高照明水平的路面亮度是2.0 cd/m2，而北美的亮度只有1.2 cd/m2;我国规定最低照明水平的路面亮度是0.5 cd/m2，CIE115—1995规定是 0.5 cd/m2(最低级是 M5)，2008修改后的(增加了最低一级为M6)规定是0.3 cd/m2;北美也是0.3 cd/m2。在夜间对于开车的驾驶员而言，道路照明的亮度水平应该是处于人眼的中间视觉水平。因此，研究LED电光源在中间视觉条件下的光效对于提高道路照明和实现道路照明节能具有重要意义。

2 基于人眼中间视觉理论的LED光源光谱能量的分析

研究分析可知，在中间视觉状态时，人眼的视觉功效和人眼在明视觉和暗视觉时的视觉功效是不同的，而道路照明的亮度是处于人眼的中间视觉范围之内，即亮度处于0.5～2.0 cd/m2之间，波长在507～555 nm之间。

(1)LED白光的光谱能量分析。作为道路照明光源中的一种光源LED白光，其相对光谱能量的分布如图1所示。LED白光相对光谱能量分布在380～780 nm之间，即在可见光范围内。其中，LED白光的极大值分别分布在波长为450 nm和580 nm的2个点上，即较大能量的输出在蓝光、黄光部分，但黄光和蓝光部分并不在人眼的道路照明中间视觉范围的最高敏感区域，对道路照明的视觉功效难以达到最佳状态。

图1 LED白光相对光谱能量分布

(2)LED绿光的相对光谱能量分析。LED单色光是绿光的一种，相对光谱能量分布如图2所示。LED绿光的相对光谱能量分布在波长450～600 nm之间，其中半值宽度是40 nm，发光波长峰值在530 nm。LED绿光在波长507～555 nm之间的总体输出能量不高。所以，单一用LED绿光光源作为道路照明很难达到理想的视觉功效。

图2 LED绿光相对光谱能量分布

所以，如果将道路照明中间视觉的亮度范围、LED绿光和LED白光光谱能量的分布以及人眼视觉理想的波长相结合，利用配光模型对LED光源进行配光，以达到在人眼中间视觉内，道路照明能获得较理想的光视效果。

3 基于道路照明标准的LED光源配光模型

由色度学可知，颜色匹配是指将2种以上的颜色进行混合，从而达到人眼视觉上与某待配的颜色相同。颜色匹配方程如下:

式中:(C)— 待配色;(R)、(G)、(B)— 分别表示红、绿、蓝三基色;R、G、B— 分别表示三原色的数量即三刺激值;“≡”—表示视觉上相等。

由颜色混合的格拉斯曼代替律(式(2))，将2种颜色的三刺激值累加匹配，就可获得2种颜色的混合光。

所以，任意一条道路照明光源光色的三刺激值就等于该光源的各波长光谱色的颜色匹配三刺激值R、G、B 之和，即

配色方程:

对于道路照明的光源调光问题，主要是研究亮度调节的同时不改光色。HSV颜色模型是一种通过人眼对颜色的心理感受这个因素来转换构成的，所以，能够达到符合人眼的视觉感受要求。该模型能够单独表示亮度的色度模型，其中H表示色度，S为饱和度，V为亮度，是RGB彩色模型中R、G、B灰度的平均值，它将彩色信息摒弃了。因此，可以通过改变HSV色度模型中V值达到调光的效果，且在调光过程中不会影响道路照明光源的色度。HSV色度模型如图3所示。

图3 HSV色度模型

图3中，纵坐标表示亮度，从上至下颜色从白到黑，横坐标表示色饱和度，由外而内逐步变低，即颜色越来越不单一，色度的变化是通过圆周方向表示的，来形成一个色环，其中黄、红、青、绿、蓝和洋红6个标准色在空间分别相隔60°。HSV模型和RGB之间各分量的转换关系如下:

色度模型转换:将配色模型的三刺激值R、G、B作为输入，根据式(5)得到H、S、V，再转化计算得到H、I、S的值，并将S的值做归一化处理。

亮度独立调节:调节V的大小，保持H分量不变，先将H、S、V各分量重构成HSV颜色空间图像，然后再变换到RGB颜色空间，最后显示。

4 LED道路照明配光光源的实验设计与仿真分析

4.1 实验条件

实验采用MATLAB7.8.0/SIMULINK软件进行仿真，选用照明光源LED光源的功率是250 W，设置该LED光源光谱的峰值波长为:λR=625 nm，λG=525 nm，λB=465 nm;半峰值全宽度为:ΔλR=28 nm，ΔλG=30 nm，ΔλB=32 nm。本实验是设计主干道路的路灯。

根据道路照明的标准，道路亮度要求为1.0 cd/m2，光源光谱数据采用标准照明体D65光谱功率分布，如表1所示。

表1 D65相对辐射功率

4.2 实验步骤及结果

道路照明主干道的亮度选为1.0 cd/m2，由道路照明的亮度和人眼敏感光谱之间的关系可知，LED光源光谱波长设计选在525～550 nm之间。在Matlab中进行仿真，结果见图4。

图4 R、G、B的刺激值随亮度因子变化曲线

随着横向亮度因子的线性增大，R、G、B的三刺激值是呈非线性增大的，并且绿色刺激值始终大于其他2种刺激值，亮度因子的线性改变表明设计完成了对亮度的单独调节。

4.3 基于道路照明标准的LED光源配光模型图像清晰度的定义

LED光源都是由R、G、B三基色构成的，通过调整颜色的比例，表现出人眼能看到的各种不同颜色的光。本文借助于HSV配光模型来验证，在中间视觉道路照明条件下某一适应亮度水平时，由RGB构成的白绿光LED的发光亮度是否比白光LED和高压钠灯的黄光更好，物体的图像清晰度是否在以白绿光为背景下比在以白光和黄光为背景下更清晰。近年来，研究人员对图像清晰度进行了大量的研究，但对图像的清晰度仍然没有形成统一规范的定义方式，故本文由HSV模型可以将图像清晰度定义为:

式中:D— 图像的清晰度，其值越大，图像就越清晰;V— 图像的亮度，数值在0.5～3 cd/m2;H、S—分别为色度、饱和度的数值;X1、X2、X3— 分别表示系数，且X1+X2+X3=1，由于在夜间主要是人眼的锥细胞起作用，且对R、G、B颜色的敏感程度不同，取 X1=0.4，X2=0.5，X3=0.1。

通过Matlab7.1软件对主干道亮度通常在2.0 cd/m2时进行仿真，其结果见图5。

图5 效果比较图

4.4 计算LED光源S/P的比值

目前，国际上还没有统一规定的计算中间视觉内某一个适应亮度下的光谱光视效能曲线。因此，可以采用S/P比值来作光源在道路照明的中间视觉亮度段内视觉能力的评价参数，S/P定义为暗视觉的光通量与明视觉光通量的比值，其表达式如(7)所示:

式中:φS—暗视觉的光通量，lm;φP—明视觉的光通量;φe，λ— 光源在可见光波长380～780 nm之间的光谱辐射通量;V'(λ)—暗视觉光谱光视效率函数;V(λ)—明视觉光谱光视效率函数。

本文通过计算S/P比值来分析LED白绿光的配光效果，计算时采用范围在505～555 nm波长之间的光谱辐射通量，根据式(7)可得结果见表2。

表2 3种光源的S/P比值

在LED白光、高压钠灯和LED白绿光3种光源中，S/P比值最大的是LED白绿光。所以，在LED白光、高压钠灯和LED白绿光等诸类光源用作道路照明时，只要将S/P比值的倒数乘以亮度的标准值，其亮度就能够达到满足路面照明的要求，驾驶员和行人能够获得足够的路况信息，从而保障交通的安全。因此，如果采用LED白绿光用作道路照明光源，不仅能保证交通的安全，还可节能。

5 结论

本文通过对道路照明中人眼视觉结构的分析，基于中间视觉的道路照明标准，根据人眼视觉对不同波长的敏感程度不同，通过配光模型研究了在相同亮度情况下，R、G、B的三刺激值是呈非线性增大的，并且绿色刺激值始终大于其他2种刺激值，再结合图像清晰度的定义和S/P的值计算，结果表明，LED白绿光更适合用作道路照明，能取得更佳照明效果。

［1］邴树奎，高杰.LED在照明工程中的应用［J］.照明工程学报，2010，21(5):101-108.

［2］刘耀彬，胡观敏.我国LED产业的发展现状、趋势及战略选择［J］.科技进步与对策，2010，27(12):77-81.

［3］周太明，林燕丹.光源的光谱与低照明水平 — 中间视觉的基础［J］.照明工程学报，2009，20(4):1-4.

［4］FuSheng Li，DaHua Chen，XianJie Song，et al.LED’s:a Promising Energy-Saving Light Source for Road Lighting［J］.Power and Energy Engineering Conference，2009:1-3.

［5］胡英奎，陈仲林，刘英婴.道路照明常用光源在中间视觉条件下的光效［J］.重庆大学学报:自然科学版，2007，30(1):139-141.

［6］刘庆祥，蒋天发.彩色与灰度图像间转换算法的研究［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2003，27(3):344-346.

［7］曹阳，袁宗杰，林燕丹，等.视觉功能法在道路照明中的应用［J］.照明工程学报，2005，16(4):44-49.

［8］周太明，林燕丹.光源的光谱与低照明水平 — 中间视觉的基础［J］.照明工程学报，2009，20(4):1-4.