光源光谱能量分布对行人视觉作业的影响研究回顾[1]

　　1 引言

　　按照国际照明委员会( CIE) 的规定，中间视觉( Mesopic vision) 的亮度水平范围为0. 001 ～3cd /m2，介于明视觉( Photopic vision，亮度水平大于3 cd /m2 ) 和暗视觉( Scotopic vision，亮度水平小于0. 001 cd /m2 ) 之间[1]，人行道路照明正处于中间视觉亮度范围。目前，国际上研究中间视觉的方法主要有视亮度匹配法和视觉功效法[2]。早期的研究主要集中于前者，而近十年来由于后者更接近实际的视觉情况而逐渐被研究人员所重视。2010 年CIE 1-58 技术委员会发布了的技术报告CIE 191:2010，报告中推荐了基于视觉功效法的中间视觉光度学系统模型[3]，这有助于开展中间视觉条件下相关视觉作业及功效的深入研究。目前的研究主要集中于机动车道路照明，较少涉及人行道路，而机动车道路与人行道路照明场景中的视觉作业差异很大。在实际的人行道路照明场景中，路面水平照度、垂直照度、亮度及亮度对比度、眩光、光照分布等等都是影响视觉辨认的重要照明因素。但在人行道路中的不同适应亮度环境下，被激活的人眼感光细胞对于光谱的响应敏感度存在明显差异[4]，使得光源光谱能量分布( SPD，Spectral power distribution) 对行人的视觉作业产生重要影响。然而从目前中间视觉领域的研究来看，SPD 对于真实场景中何种视觉作业具有怎么样的影响，以及对这些视觉作业的影响程度等内容尚未获得统一的结论[5，6]。

　　本文有三个目的: 首先，从理论上寻找证据，证明在人行道路照明条件下SPD 是一个影响视觉辨认的重要因子; 其次，了解在人行道路照明真实场景中照明需求，以及最重要的视觉作业有哪些; 第三，客观的分析过去的研究，评价SPD 对于视觉辨认的影响是否已被证实，相关研究到何种程度，如果没有，接下来我们需要做哪些实验工作。

　　2 中间视觉条件下人眼的视觉生理学特征

　　人眼视觉系统的视网膜中存在四种感光细胞，每种都含有不同的感光色素，因此对于不同SPD 的光谱敏感度存在差异。这四种感光细胞可分为两类:杆状细胞和锥状细胞。所有的杆状细胞都具有相同的光谱敏感度。其他三种感光统称为锥状细胞( 分别是短波-锥状细胞、中波-锥状细胞和长波-锥状细胞) ，每种感光细胞对于不同波长光的敏感度存在明显差异。杆状细胞和锥状细胞在视网膜上的分布图1 视网膜上锥状细胞与杆状细胞随着视野偏心度变化的分布情况是不均匀的( 见图1) ，锥状细胞主要集中在视轴上中央凹的小区域范围内，而且视网膜上的其他区域也分布着少量的锥状细胞。在黄斑处没有杆状细胞，从中央窝越往外，杆状细胞的密度越来越大，到偏离视轴约15°处达到最大。三种锥状细胞在视网膜上的分布也是不均匀的，中波-锥状细胞和长波-锥状细胞主要集中在中央凹，而短波-锥状细胞大量集中在中央凹外围，但随后往外的区域内就出现骤减[4]。

　　由于锥状细胞和杆状细胞的不同光敏感性以及在视网膜内分布的区域不同，使得这两类细胞在具体的视觉作业时所承担的作用也不同，杆状细胞对于视野周围活动的对象有很高的识别能力，同时感光度比锥状细胞高，对识别暗处对象有很大的帮助，但没有分辨颜色的能力。而锥状细胞主要是用于观察线上视觉内各种对象的运动、形状、颜色等细节内容。从明视觉到暗视觉过渡的中间视觉状态下，锥状细胞与杆状细胞共同起作用，但人眼视网膜内被激活的锥状感光细胞数目逐渐减少，杆状细胞则越来越多，也导致眼睛所响应的光谱灵敏度曲线逐渐向短波方向移动，最大光谱光视效能值也从明视觉的555nm 逐渐向暗视觉的507nm 靠近，这种现象被称为“浦尔金耶偏移” ( Purkinje Shift) 。这一改变是由人眼视网膜中的感光细胞的分光灵敏度特性决定的。因此，在进行一定的视觉作业时，不同SPD 的光源对视觉作业的影响是可能存在较大差异。

　　在颜色视觉信息处理方面，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的特征( 见图2) ，使得光源SPD 对人眼在颜色视觉方面的视觉处理显得至关重要。根据三种锥状细胞之间的相互组合，可得到一个非颜色无拮抗通道和两个颜色拮抗通道，它们分别是非颜色通道、红-绿拮抗通道和黄-蓝拮抗通道。而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[4，7]，而且无论是明视觉还是中间视觉这三个通道都是共同被激活的。

　　从以上人眼在中间视觉条件下的生理学特征的分析可知，不同感光细胞具有不同的分光敏感度，而且在不同的视场角范围内起作用的感光细胞也不同，以及颜色视觉信息处理中的三个颜色通道的存在，使得在不同适应亮度的中间视觉条件下，光源SPD 对人行道路照明中的视觉作业必定存在影响。

　　3 人行道路照明场景中的视觉作业

　　要想了解人行道路照明中光源光谱能量分布( SPD) 对视觉辨认的影响情况，那么就首先需要知道真实人行道路照明场景中的主要视觉作业有哪些?

　　从相关理论可知，人的需求有生理、安全、社交和自我价值实现等的需求，这也是室外照明应满足行人的最基本需求。在人行道路照明中，首先应满足对环境的特征认知，满足行人对环境的安全感、舒适感和明亮感的需求; 满足行人在行走过程中能察觉地面上的高差或障碍物; 满足步行者能有足够的时间辨认行人的衣着、举动和面部特征等，以确定他们的意图，在必要的时候采取防卫动作或逃避;可以较为方便地认清路牌和标识等内容。行人的视觉作业与需求和驾驶员的有很大不同，满足机动车驾驶员视觉功效要求的照明指标，可能不适用于人行道路。步行道路内的移动速度慢，在真实的视觉过程中，往往是多种视觉作业同时发生，如行人在行走中，用余光感受到了路边的路人，既而转向过去辨认该路人的面部特征，同时也会注意其衣着、动作等，甚至此时还会用余光去观察周边可能发生的情况以及障碍物和地面高差等，并可能再次转向去查看可能存在的标识和路牌等内容。这一系列的视觉活动所对应的视觉作业是非常复杂的，这些视觉作业中最先需要周边视觉( off-axis) 的探测，紧跟着才是使用线上视觉( on-axis) 的中央凹部分观察细节，并进行周边视觉与线上视觉的不断交替。因此，我们可以将这些人行步道中复杂的视觉过程简化和抽象成较为单一的视觉作业，如面部辨识、障碍物探测、标识识别、颜色识别等，而这些视觉作业也是步行道路照明中最基本和最主要的内容。