基于主观评价实验的汽车前照灯配光性能评估方法研究

王 玮，林燕丹，卜伟理

(1.上海机动车检测中心，上海 201805；2.复旦大学，上海 200433)



基于主观评价实验的汽车前照灯配光性能评估方法研究

王 玮1，林燕丹2，卜伟理1

(1.上海机动车检测中心，上海 201805；2.复旦大学，上海 200433)

CIE188号技术报告发布了一套评估汽车前照灯配光性能的客观计算方法，可用于前照灯配光性能的定量评估。开发了一套专用软件，辅助实现此评估计算功能。此外，为了验证该方法在中国的适用性，本文对四套前照灯的配光性能开展了主观评价实验研究，以探究主观评价实验结果与按照CIE188技术报告计算结果之间的相关性。实验结果表明，CIE188号技术报告中的汽车前照灯配光性能评估方法可以实现不同前照灯配光性能之间的比较，但两种方法得到的结果的相关性不显著。

CIE 188技术报告；配光性能；定量评估；主观评价

引言

世界各国对汽车前照灯的配光有严格的要求。我国采用ECE体系的标准，从1993年起陆续制定了汽车灯光国家强制标准[1]。根据光源类型，目前我国有3个汽车前照灯配光相关的国家标准，分别是GB 4599—2007《汽车用灯丝灯泡前照灯》、GB 21259—2007《汽车用气体放电光源前照灯》以及GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》[2-4]。这几个国家标准的原理是定义汽车在安全制动距离内的照度范围。因此，按照国标进行前照灯的配光性能检测，只能对前照灯配光合格与否进行定性判断，而无法对前照灯照明效果的优劣进行定量评价。

2010年，国际照明委员会(CIE)第四分部(照明与光信号分部)发布了188号技术报告“Performance Assessment Method for Vehicle Headlighting Systems”(机动车前照灯系统性能评估方法，在本文中简称CIE188报告)，详细介绍了一套用于机动车前照灯系统配光性能评估的计算方法[5]。这套方法从路面照明程度及眩光控制两方面，分别对前照灯的配光性能进行定量评价。因此，按照此方法可以实现不同前照灯系统之间的配光性能比较。

但是，由于国内外并没有开放的能按照CIE188报告中规定的计算方法进行计算的专用软件。采用手工计算的方式不仅低效，而且容易出现错误。开发配套的计算软件对研究的开展极其必要。因此，本研究开发了一套专用的前照灯配光性能计算软件，用于实现CIE188报告中对前照灯的各个计算功能。此外，由于国内还未有研究结果表明此方法在中国的适用性，本文还开展了一系列主观评价试验，研究使用CIE188报告中规定的方法计算得到的配光性能结果与被试主观评价结果之间的相关性。

1 研究方法

1.1 实验设置

本文的研究分为两部分。第一部分为软件精度的验证。通过将软件输出的地面照度值与LMT公司全自动灯具配光分析系统模拟的地面照度值进行对比，达到软件的精度的验证。在第二部分，本文对4套前照灯系统(分别称为A、B、C、D系统，光型图如图1所示)进行主观评价实验，并将主观评价实验结果与按照CIE188报告中的客观计算结果进行相关性分析，从而验证CIE 188报告中前照灯配光性能评估方法的适用性。

图1 待评估前照灯光型图Fig.1 Plan view of the headlamps

1.2 前照灯配光性能计算软件的功能

实验室内现有一套LMT公司的全自动灯具配光检测设备，为国内外许多检测机构使用的专用灯具配光扫描设备，如图2所示。该设备可以根据事先设定的扫描精度，获取在前照灯前方25米处垂直面上的照度值，具有高精度(Urel=5%，k=2)。在CIE188报告中规定了如图3所示的前照灯配光数据的扫描方式。按照此扫描方式，在前照灯前方25米处的垂直配光屏幕上，每只近光灯(或远光灯)的左灯(或右灯)的原始扫描数据为111185个照度值。利用这些原始数据，本研究通过前照灯配光性能计算软件完成以下计算步骤：

图2 LMT全自动灯具配光分析系统Fig.2 LMT photometric testing system

(1)利用左灯和右灯各自的原始扫描数据，计算并合并成左右两灯同时点亮时在前方25米处的垂直配光屏幕上的照度数据；

(2)将前照灯在25米处垂直配光屏幕上的照度值转换为路面和离地任意高度水平面上的垂直照度值；

(3)利用插值方法，找到路面和离地任意高度水平面上的1lx、3lx和5lx照度点，并绘制成1lx、3lx和5lx等照度曲线；

(4)利用步骤(2)和(3)中获得的数据和图形，按照CIE188报告中介绍的配光性能计算方法，完成待测前照灯各个配光性能评估指标的计算。

图3 前照灯配光数据扫描精度Fig.3 Zones of test point matrices

1.3 主观评价实验任务

实验在天黑之后进行，从十九时持续到约次日凌晨一时。实验中将场地周围可控的照明灯具全部关闭，确保实验的环境照度小于0.1lx。实验场地为一片模拟真实道路的6车道道路(车道左右两边各有部分空地)，如图4所示。每车道宽为3米，长约为200米。由于场地尺寸限制，远光灯实验不便开展，本实验仅对近光灯进行研究。实验过程中将近光灯按照实际装车参数安装在实验固定平台上，以模拟前照灯在整车上的实际照明效果，并固定在中间某一车道的中央(左右近光灯纵轴线通过车道)，如图5所示。

图4 实验场地图(左图拍摄于14:00，右图拍摄于20:00)Fig.4 Test site

图5 实验中前照灯在车道上的摆放位置Fig.5 The position of the headlamps on the road

1.3.1 实验任务一：近光灯照射距离评估

如图6所示为近光灯照射距离评估示意图。实验任务为被试对指定轴线上视觉目标的探测(此处“探测”指被试可以发现视觉目标)。实验中所使用的视觉目标为深灰色的立方体，表面反射率为5%，边长为400mm。视觉目标出现位置在车道右侧边线及车道纵轴线上。实验中采用由远及近逐步推进的方式，从离车灯100米处开始让被试进行辨认；若不能辨认，则将视觉目标向前推进10米继续辨认，直至被试可以探测到目标。该目标与车灯的距离作为该近光灯的照射距离。为避免预期效应，箱子推进过程中用挡板遮住被试视线。

图6 近光灯照射距离评估示意图Fig.6 Passing beam range evaluation

为了固定被试的观测眼位，整个实验过程中被试需通过一块观察屏左侧矩形方孔辨认前方视觉目标。观察屏放置在车灯固定平台后方0.5m处。观察屏尺寸如图7所示。

图7 近光灯照射距离宽度评估实验观察屏Fig.7 View screen arrangement used for range and width evaluation

1.3.2 实验任务二：近光灯照射宽度评估

如图8所示为近光灯照射宽度评估示意图。实验任务为被试对指定距离处车道两侧视觉目标的探测。被试对前照灯前方10m、20m、30m、40m和50m处车道两侧的视觉目标进行辨认，可探测到的视觉目标离车道纵轴线的距离作为该灯在此距离处的光束照射宽度。视觉目标和观察屏尺寸与实验任务一中相同。

图8 近光灯照射宽度评估示意图Fig.8 Passing beam width evaluation

1.3.3 实验任务三：近光灯迎面眩光评估

如图9所示为近光灯迎面眩光评估示意图。被试站在离车灯50m处的左侧车道中央，通过屏幕观察放置于离车灯10m处左侧车道中央的视觉目标，并按照De Bore评估量表(如表1所示)，评价在此观测条件下车灯带来的眩光感受。考虑到普通轿车、SUV车型和卡车等三种典型车辆驾驶员眼位的高度，实验中将观察孔设置成三排不同高度的孔，离地高度分别为950mm、1150mm和1500mm，如图10所示。

表1 De Bore评估量表Table 1 De Bore rating

图9 近光灯迎面眩光评估示意图Fig.9 Passing beam opposing glare evaluation

图10 近光灯迎面眩光评估实验观察屏Fig.10 View screen arrangement used for opposing glare evaluation

1.3.4 实验过程

在实验开始前，进行如下的准备工作：

(1)在实验室内用LMT全自动灯具配光分析系统对四套待测前照灯进行配光数据的扫描，扫描精度按照CIE188文件中规定的精度。

(2)测量并记录四套前照灯的实际装车参数于表2中。

(3)根据表2中记录的参数，在实验室内将四套待测前照灯进行初始照准。

(4)在实验场地利用定位仪器，在场地上将实验中需用到的点进行定位，并用记号笔和反光标识进行标记。

(5)根据表2中记录的参数，将待评估前照灯安装到固定测试台。

(6)关闭实验场地周围所有可控照明设备，用照度计测量环境照度，确保小于0.1lx后再开始实验。

(7)点亮近光灯，预热10分钟。

表2 前照灯装车参数表Table 2 Installation data of the headlamps

完成上述准备工作后，对四套前照灯按照实验任务要求，完成照射距离、照射宽度和眩光三项评估实验。整个实验采用组内设计。共有8名被试参与了本文实验，每名被试均完成了四套前照灯的所有评估任务。这些被试年龄在21至35岁，具备大学本科及以上学历。部分被试存在不同程度的视力近视，但通过佩戴眼镜进行视力矫正，使其视力达到1.0以上。所有参与实验的人员均不存在色盲或色弱情况。

2 实验结果

2.1 软件验证

本文的一个主要目标就是验证被试实际评估前照灯照射距离、宽度等指标的分数与按照CIE188报告中规定的方法进行计算后的结果之间的相关性。后者的结果主要依赖于本文中开发的前照灯配光性能计算软件。该软件计算结果的准确性将直接影响本文的结果。因此，有必要对此软件的精度进行验证。本文中主要通过前照灯配光性能计算软件的结果与LMT全自动灯具配光分析系统的配套软件LMT LIMES 2000计算的结果进行对比，达到验证目的。

2.1.1 光型对比

利用距离前照灯前方25米处垂直面上的照度值，结合车灯装车参数，本文中开发的前照灯配光性能计算软件和LMT LIMES 2000都可以通过计算地面照度值，模拟该灯在路面上的光型图。如图11所示为两套近光灯在两种软件下模拟输出的地面1lx，3lx和5lx等照度曲线光型图。从这两幅图中可以看到，两套软件输出的光型图非常一致。

图11 两套软件模拟输出的地面1lx，3lx和5lx等照度曲线Fig.11 Light distributions of headlamps outputted by the aided software and LMT LIMES 2000 software

2.1.2 照度值的对比

为进一步验证软件计算的地面照度值的精确性，本文对某套前照灯的配光数据用两套软件进行计算，并随机选取13个通过软件计算得到的地面照度值，进行两套软件下照度值的对比。两套前照灯的计算结果如图12所示。两套软件计算得到的地面照度值差值基本都在1lx以下，平均差值百分比约为6%。

图12 两套软件输出地面照度对比Fig.12 Vertical illuminance outputted by the aided software and LMT LIMES 2000 software

2.2 前照灯配光性能计算结果

利用前照灯配光性能计算软件，本文计算了实验中所用的四套近光灯的配光性能评估分数，如表3所示。显然，除眩光以外的评估指标的分值越大，代表的配光性能越好。对这四套前照灯的配光性能计算结果(眩光除外)进行Friedman检验，结果显示这四套系统之间存在显著差异(p=0.002)，且得分从高到低排列为C>D>A>B。可见，实验中的两套HID近光灯得分(眩光除外)比卤素光源近光灯高。

表3 四套近光灯样品配光性能计算结果Table 3 Results of photometric performance calculated by the software

2.3 主观评价实验结果

表4为是本次实验主观评价实验的结果。同样对除眩光外的评估指标进行Friedman检验，结果显示这四套系统之间存在显著差异(p=0.013)，得分从高到低排列为C>D>A>B；同样两套HID光源的系统分数比两套卤素光源的系统分数高。对眩光分数进行Friedman检验，结果显示这四套系统之间不存在显著差异(p=0.183)；但重复性检验结果显示这三个观测高度之间眩光评价分数存在显著性差异(p=0.008)。

表4 主观评价实验结果Table 4 Subjective rating scores

2.4 相关性分析

为了验证CIE188报告中客观计算结果与主观评价结果之间的相关性，本文进一步对两种方法的计算结果进行了比较，结果如图13～图15所示。从图中可以看到，除眩光得分外，两套方法得到的照射距离和照射宽度结果有较好的一致性。但是进一步的pearson相关性分析结果表明，除弯道照射宽度的两种结果之间存在显著性相关性(p=0.019)，其余指标的两种结果之间的相关性并不显著。

图13 照射距离的计算结果与主观评价结果对比图Fig.13 Passing beam range-compassion of calculation and observation results

图14 照射宽度的计算结果与主观评价结果对比图Fig.14 Passing beam width-compassion of calculation and observation results

图15 眩光评估的计算结果与主观评价结果对比图Fig.15 Passing beam opposing galre-compassion of calculation and observation results

3 讨论

3.1 软件验证

本文通过将前照灯配光性能计算软件的计算结果与LMT全自动灯具配光分析系统的配套软件的计算结果相比较，达到验证本文开发的软件的精度验证的目的。从近光灯的地面配光光型对比图来看，两套软件输出的光型一致。进一步比较两套软件计算的地面照度值时，两种算法的结果存在一定的差异。可能的原因有两种：第一，该软件的开发中，对前照灯左右两灯单独的配光数据融合成同时发光的配光数据时对重叠部分仅作相加的方法，可能与LMT的软件算法存在差异；第二，使用的插值方法不同。

3.2 客观计算结果与主观评价结果的相关性

本文的主要目的是通过以中国人为被试的主观评价试验，验证CIE188技术报告中介绍的前照灯配光性能评估方法在中国的适用性。虽然CIE技术报告中的方法介绍了前照灯各项评估指标的计算方式，但未规定通过多个评估指标得到综合分数的方法。因此，本文的研究也未给每套前照灯一个综合分数。但是，依靠统计方法，仍然可以根据多个指标分数，总体评价四套灯的配光性能的优劣。同理，主观评价实验结果也可通过统计方法，为四套灯的配光数据得分比较提供依据。

本文结果显示，四套灯的配光数据，在未结合眩光分数的情况下，两种方法下的配光性能排序一致。但进一步的相关性分析结果没有表明这两种方法的结果之间具有显著的相关性。究其原因，可能与本文所采用的样本量较小有关。在后续的研究中，应增加样本量，做进一步分析。

4 结论

本文开发的前照灯配光性能软件，可以用于CIE188技术报告中介绍的前照灯配光性能方法的计算，且能保证结果的精确性。此外，通过本文实验，证明了CIE188技术报告中的前照灯配光性能计算方法可以用于不同前照灯配光性能的比较。此方法得到的比较结果与人对前照灯配光性能进行主观评价的结果一致。但两种结果之间的相关性不显著，仍然需要通过增加样本量，进一步验证此结果。

[1] 黄佐贤. 现代汽车灯具[M].北京:长虹出版公司, 2003:290.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 4599—2007 汽车用灯丝灯泡前照灯[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 21259—2007 汽车用气体放电光源前照灯[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 25991—2010 汽车用LED前照灯[S]. 北京:中国标准出版社,2011.

[5] CIE Central Bureau. Performance assessment method for vehicle headlighting systems[R]. Vienna：CIE,2010.

简 讯

2015年4月2日，由中国照明电器协会、中国照明学会室外照明专业委员会、中国市政工程协会城市照明专业委员会联合主办的“2015中国道路照明论坛(第十一届)”在广东省中山市隆重举行。此次论坛以“技术创新 质量为先”为主题，市政管理专家、技术专家、建设方、道路照明设计师和道路照明生产企业等超过500名代表参加此次论坛，共同构建全方位交流合作平台。

Experimental Verification of Performance Method for Vehicle Headlighting Systems

Wang Wei1，Lin Yandan2，Bu Weili1

(1.ShanghaiMotorVehicleInspectionCenter，Shanghai201805,China; 2.FudanUniversity，Shanghai201805,China)

In order to evaluate the photometric performance of vehicle headlamps with a standardized, accurate and reliable method, the CIE 188 Technical Report specifies a set of certain methods to assess the photometric performance of vehicle headlighting systems. The assessment can be achieved with a self-developed software. Three subjective rating tasks were conducted to verify the rationality of the methods described in this report and the suitableness with Chinese subjects. The comparison between the results calculated according to CIE 188 Technical Report and subjective rating scores indicated there’s no significant correlation between the two methods. It is necessary to do further research on the methods described in this report.

CIE 188 Technical Report; photometric performance; evaluate; subjective rating

国家质检总局科技计划项目“汽车前照灯配光评价体系研究”(计划编号：2013QK145)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.023