不同照度和色温下道路路标背景与辨识力之间的关系

衡涛，文惠，许统维

（1.深圳大学 建筑与城市规划学院，广东 深圳 518060；2.深圳市建筑环境优化设计研究重点实验室，广东 深圳 518060）

在道路照明中，路灯的照度及色温值直接影响着道路照明的效果，影响着驾驶人员对标识牌的辨识力，间接决定了行车速度和车间距. 为了保证参与交通人员的安全，道路照明必须保证一定的照度和舒适的色温[1-2]. 尽管国内外学者对夜间的行车安全问题进行了实验研究，但是，鲜有实验设计同时考虑照度、色温对不同背景颜色标识牌辨识力的影响，以及性别与道路标识牌辨识力之间的关系[3-6].

目前国内道路照明普遍存在照明不足和照度不均匀的现象，这将造成驾驶人员的辨识力和舒适度降低，带来交通安全隐患. 同时，广泛应用的LED 路灯的色温随意选取的现象也非常普遍，甚至在同一道路上出现色温值悬殊的路灯，这都会对驾驶员的辨识力与舒适度造成一定的影响[6-8]. 为了保证行车安全，减少不必要的电能消耗，本文将探讨在不同的照度与色温环境下，不同背景颜色标识牌与辨识力的关系，以及不同性别与辨识力之间的关系，确定趋于理想的道路照明条件，以期为道路的照度及色温设计提供参考.

1 实验

1.1 实验仪器

照度计，型号：杭州新叶 XYI-III，产地：浙江杭州；色度计，杭州新叶 XYC-I，产地：浙江杭州.

1.2 实验设计

实验中道路标识牌用不同背景颜色的国际标准视力表（后简称视标）替代[9]，本次实验由两部分组成：1）照度为变量，不同背景颜色视标与辨识力之间的关系研究；2）色温为变量，不同背景颜色视标与辨识力之间的关系研究.

实验对象为在校大学生，年龄在20～22 岁，男女各12 名，无基础性眼疾，裸眼或矫正视力达到 1.0～1.2 的视力水平，男女两组的视力条件相同. 交通道路标志配色为黄色背景黑色字体、绿色背景白色字体以及蓝色背景白色字体（后文简称为黄底黑字、绿底白字及蓝底白字）.

第一部分实验（不同照度条件下）：实验变量包括 9 组照度和 3 张不同背景颜色的视标（采用国际标准视力表）. 照度等级依据不同的夜间行车环境及预实验分别选取为0.2 lx、0.5 lx、1 lx、2 lx、5 lx、10 lx、20 lx、50 lx、85 lx；色温条件选择日常照明中常见色温4 500～ 5 000 K .

第二部分实验（不同色温条件下）：实验变量包括 4 组色温和 3 张不同背景颜色的视标（采用国际标准视力表）. 色温等级依据不同的夜间行车环境及预实验分别选取2 350 K、4 250 K、5 850 K、8150 K ；目前城市道路的限速一般为60～ 8 0 km/h ，依据相关文献，时速70 km/h 的照度值为48 lx[1,7,10-11]，实验中照度值取48 lx.

1.3 实验场景

为了排除其他光源和反射光的干扰，实验在地下某光学实验室进行，室内湿度和温度恒定，四周用黑布形成围挡，实验场景如图1 所示. 实验前，对每位实验人员在距离视力表5.0 m 处的固定位置进行矫正视力测试，其辨识力以标准视力表的读数为量化指标. 为了减轻光源直射对实验人员的影响，将光源背向实验者安置，并在光源和实验者之间设置两个格栅（半径分别为0.725 m 和5.0 m），以格栅中间圆形孔作为观察口. 照度计和色度计测试点分别设在视力表的两条对角线位置，测试数据并取其平均值.

图1 实验场景

1.4 实验步骤

1）将视力表固定在指定位置

2）确定实验常量值，调节色温为4 500～ 5 000 K （第二部分实验：调节照度为48 lx）.

3）调节照度到对应的照度值（第二部分实验：调节色温到对应的色温值）

4）将测试者安排在距离视力表5 m 外的固定位置，依照工作人员的指示依次完成辨识任务，每个视标字母的识别时间为3 s，直到无法正确辨识，将被测人员能准确辨识的最后一排视力值作为其辨识力.

5）保持原照度（色温）变量不变，更换视标，直到实验者将 3 张不同背景颜色的视标全部辨识完毕.

6）调查测试者的舒适度情况，给出舒适度等级评价.

7）更换照度变量，重复上述实验，直到9 组照度变量（4 组色温变量）全部辨识完毕.

由于电流和灯具本身特性，整个实验过程中的照度和色温值波动在±3%（控制设备误差范围内）范围内.

2 实验数据统计与分析

2.1 第一部分实验数据分析

以照度值为横坐标、辨识力值为纵坐标，绘制 24 位测试者在照度变化条件下对不同背景颜色视力表的辨识力变化规律，如图 2 所示：1）实验者的辨识力随着照度的增加呈对数增长趋势，其辨识力在30 lx 后增长趋于平稳；2）实验者对 3 种背景颜色视标的总体辨识力排序为蓝底白字＞绿底白字＞黄底黑字.

为了研究性别与舒适度之间的关系，对参与测试学生进行了舒适度的问卷调查. 实验中，每位测试者做完一组照度实验后，都需填写舒适度调查问卷，其中“1”代表非常不舒适；“2”代表不舒适；“3”代表一般舒适；“4”代表舒适. 舒适度统计见图3：1）在照度变化范围内，女生的舒适度要明显高于男生；2）在低于1 lx 和2～ 5 lx照度下，男生舒适度要高于女生；而在1～ 2 lx和高于5 lx 的下，女生的舒适度普遍高于男生；3）50 lx 后，女生的舒适度仍有增长趋势，而男生的舒适感开始下降.

图2 不同照度下辨识力的变化

2.2 第二部分实验数据分析

色温与辨识力的关系如图 4 所示：1）在低色温下，测试学生对 3 种背景颜色视标的整体辨识力相对高于中色温（3 000～ 5 000 K ）和高色温（ ＞ 5 000 K）；2）对于背景视标的辨色，测试学生的辨识力排序为：蓝底白字＞绿底白字＞黄底黑字；3）在2 350～ 5 850 K 的色温下，黄底黑字和绿底白字背景下的辨识力变化都是先降低，而后，随着色温的持续增高，黄底黑字背景下的辨识力开始升高，而绿底白字背景下的辨识力却开始降低；4）蓝底白字背景下的辨识力则随着色温的升高先升高后降低再缓慢升高，且在大部分色温下，其辨识力要高于其他两种背景.

图3 不同照度下，男女舒适度的变化

图4 不同色温下辨识力的变化

3 实验数据对比分析

3.1 第一部分实验数据对比分析

不同性别在照度变化条件下，对不同背景颜色视标的辨识力变化规律如图5 所示.

图5 不同性别在照度变化条件下，对不同背景颜色视标的辨识力

从图 5-a 可以看出：在低于5 lx 的条件下，男生对黄底黑字、绿底白字以及蓝底白字三种不同颜色背景视标的辨识力有一定的差别，大致趋势为：蓝底白字＞绿底白字＞黄底黑字；在5 ～20 lx的下，黄底黑字背景下辨识力的增长速度明显高于其他两种背景，总体辨识力为绿底白字＞黄底黑字＞蓝底白字；在高于50 lx 的下，3 种背景下的辨识力差值减小，大致趋势为蓝底白字＞绿底白字＞黄底黑字.

从图5-b 可以看出：在低于5 lx 的条件下，女生对3 种背景颜色下视标的辨识力几乎没有差别；而在高于5 lx 的条件下，对 3 种背景颜色视标的辨识力变化开始出现较为明显的差异，蓝底白字与绿底白字背景下的辨识力呈持续增长趋势，且蓝底白字下的辨识力要略高于其他两种背景；而黄底黑字背景下的辨识力随照度的增加出现了降低的趋势. 总体来看，随照度增大对 3 种背景辨识力的差异性逐渐扩大，辨识力排序为蓝底白字＞绿底白字＞黄底黑字.

对男女在黄底黑字、绿底白字及蓝底白字等3 种不同背景颜色的辨识力进行对比分析，结果见图6.

从图6-a 可以看出：在黄底黑字背景下，在照度小于20 lx 时，男女之间的辨识力差异性较小，多个测点的女生的辨识力都略强于男生，但在50 lx 附近男女生辨识力发生了突变，女生的辨识力明显下降，男生的辨识力要强于女生. 男女生在照度大于20 lx 后的辨识力均趋于稳定.

从图 6-b 可以看出：在绿底白字背景下，除了在5 ～20 lx男生的辨识力高于女生，其他照度情况下男女生间的辨识力相差很小.

从图 6-c 可以看出：在蓝底白字背景下，除了在2 lx 的照度下男生的辨识力高于女生，在其他照度下，女生的辨识力始终略高于男生.

综上，从照度影响角度研究，绿底白字背景和5 ～20 lx照度下，男生的辨识力高于女生；在蓝底白字背景和大于2 lx 的照度下，女生的辨识力始终高于男生. 对整个群体辨识力排序：蓝底白字＞绿底白字＞黄底黑字.

图6 3 种背景下男女辨识力的对比

4.2 第二部分实验的数据对比分析

不同性别在不同色温条件下，对不同背景颜色视标的辨识力变化规律如图7 所示.

图7 不同性别在色温变化条件下，对不同背景颜色视标的辨识力

从图 7-a 可以看出：在色温变化范围内，男生在黄底黑字及绿底白字两种背景下的辨识力变化幅度较大，且始终低于蓝底白字背景下的辨识力. 随着色温的增加，蓝底白字背景下的辨识力较为稳定，在4 250 K 达到最高值后逐渐降低；黄底黑字背景下的辨识力先处于稳定状态后缓慢降低再迅速增高；绿底白字背景下的辨识力则先迅速降低后缓慢增高再迅速降低，稳定性最差. 总体辨识力：蓝底白字＞黄底黑字＞绿底白字.

从图7-b 可以看出：女生在绿底白字背景下的辨识力随着色温的增加而逐渐降低，但始终高于其他两种背景下的辨识力；黄底黑字背景下的辨识力先迅速降低后缓慢增加再缓慢降低；蓝底白字背景下的辨识力则是先维持不变后降低再增高，但整体变化较稳定. 总体辨识力：绿底白字＞黄底黑字＞蓝底白字.

对男女不同背景颜色视标的辨识力进行对比分析，结果见图8.

图8 不同色温时，男女对3 种不同背景视标辨识力的对比

从图 8-a 可以看出：在黄底黑字背景下，随着色温的增加，男生的辨识力先迅速降低，后缓慢增加再缓慢降低，处于相对稳定状态；而女生的辨识力先处于稳定状态，后缓慢降低再迅速增高. 总体看来，男生在低色温下有最高辨识力，在高色温下辨识力变化较稳定；而女生则是在高色温下有最高辨识力，在低色温下辨识力变化较稳定.

从图8-b 可以看出：在绿底白字背景下，女生的辨识力随着色温的增加而持续降低，但始终高于同等条件下男生的辨识力；男生辨识力的变化趋势则随着色温的增加先降低后升高再降低.

从图 8-c 可以看出：在蓝底白字条件下，男生的辨识力要明显高于女生；变化趋势上看，男生的辨识力是先增加后减少，而女生是先不变再下降后上升，且在5 850 K 处有最低值.

综上，相同的照度条件，黄底黑字背景下，男生辨识力随着色温的增加越来越稳定，且在最低色温处有最佳辨识力，而女生辨识力随着色温的增加越来越不稳定，且在最高色温处有最佳辨识力；绿底白字背景下女生的辨识力要明显高于男生且变化较稳定；蓝底白字背景下男生的辨识力则明显高于女生的辨识力.

4 结论

实验结果表明：1）从舒适度角度研究，20 lx 是一个临界点. 在20 lx 前辨识力与舒适感随着照度的增加急剧增长，而在20 lx 之后增长缓慢，女生的舒适度普遍高于男生；2）从照度影响角度研究，对整个群体，照度低于30 lx 时，辨识力会随着照度增加急剧增大，当照度超过30 lx 时，辨识力变化非常平缓，甚至有减小现象，辨识力排序：蓝底白字＞绿底白字＞黄底黑字；3）从色温影响角度研究，蓝底白字背景下男生辨识力高于女生，在绿底白字背景下女生辨识力高于男生，且在黄底黑字背景下男生在最低色温区域有最佳辨识力，而女生在最高色温区域有最佳辨识力，对整个群体辨识力来讲，低色温的辨识力高于高色温的辨识率.

机动车在行驶过程中，车灯光线会直接照射在路边标识牌的表面，原本只有路灯照射的标识牌表面的照度及色温都会发生改变，不同型号车灯的照度及色温都不一样，故这种变化是不可控的. 在光环境比较复杂的情况下，照度、色温和路标色彩三种因素的搭配决定了驾驶员的舒适感和辨识力，因此选择一种较高辨识力的照明方式尤为重要. 在满足道路照明规范、保证安全驾驶辨识力的条件下，从节能和舒适度考虑，道路路灯可以采用如下优化方案：照度控制在30～ 40 lx、色温控制在3 000～ 4 500 K 、道路标识牌色彩搭配为蓝底白字.