CIE 中间视觉光度学模型的分析和应用[2]

　　3 各种光度学模型的特点和适用范围

　　中间视觉亮度随着人眼亮度适应水平的不同而不同，图2 为USP 模型、MOVE 模型、MES1 模型和MES2 模型计算的中间视觉亮度与明视觉亮度之差随明视觉亮度的变化规律( 本文以亮度为例，事实上对于所有的光度量均有相同的规律) ，由图可见以下规律:

　　1) 在明视觉亮度Lp 一定的情况下，中间视觉亮度Lmes随着S /P 值( 即暗视觉光通量与明视觉光通量之比) 的增加而增加。当S /P = 1 时，Lmes 与Lp 始终保持一致;

　　2) 能量主要集中在短波段的光源( S /P > 1，如LED) ，Lmes大于Lp; 而能量主要集中在长波段的光源( S /P < 1，如高压钠灯) ，Lmes小于Lp。可见，当明视觉亮度相同时，在中间视觉区域，人眼感觉金卤灯、LED 灯比高压钠灯明亮;

　　3) Lmes与Lp 之差绝对值的最大值，对于USP模型发生在Lp = 0. 2 cd /m2 ～ 0. 3cd /m2，对于MOVE模型发生在Lp = 4 cd /m2 ～ 5 cd /m2，对于MES1 模型发生在Lp≈1 cd /m2，对于MES2 模型发生在Lp= 1 cd /m2 ～ 2 cd /m2 ;

　　4) MOVE 模型在S /P = 0. 25 且Lp = 0. 035cd /m2 时、MES1 模型在S /P = 0. 25 且Lp = 0. 039 cd /m2 时、MES2 模型在S /P = 0. 25 且Lp = 0. 019cd /m2时，Lmes 的变化不平滑，这是因为当S /P 值较小且亮度较低时，通过中间视觉模型的迭代公式计算的亮度适应系数为负数，在实际情况下不能使用，应令其为0，从而使Lmes的计算结果发生“突然”变化。可见，在编写这三种模型的中间视觉应用程序时，应保证亮度适应系数不能为负数。

　　5) 对于不同的S /P 值，MOVE 模型在中间视觉区域上界( Lp = 10 cd /m2 ) 的Lmes值差异较大，这表明在亮度较高区域，MOVE 模型准确度较低。

　　图2 中间视觉与明视觉亮度差的变化规律

　　随着亮度的减小，采用中间视觉模型的计算结果与明视觉的差异变大。例如，对于S /P 值为0. 65的高压钠灯和S /P 值为2. 5 的金卤灯，其中间视觉亮度相对明视觉亮度的变化率随着亮度的减小而变大，由图3 可见: MOVE 模型、MES1 模型和MES2模型的变化规律非常相似，而USP 模型与其他三个模型的差异较大。目前，大多数应用于道路照明的光源其S /P 值在0. 65 和2. 5 之间，采用中间视觉光谱光视效率函数与采用明视觉光谱光视效率函数的计算结果具有较明显的差别。以MES2 模型为例，在明视觉亮度为1 cd /m2 的情况下，当光源的S /P值在0. 65 和2. 5 之间变化时，中间视觉模型的计算结果与明视觉相比，会有- 4%至+ 15%的变化; 在0. 3 cd /m2 的亮度下，变化范围扩大到- 8% 至+ 29%。　　

　　没有一个光度学模型能够完全描述人眼视觉系统复杂的交互作用，对于不同的视觉任务和亮度水平，四种中间视觉光度学模型对于实测数据的符合程度是不同的: 1) USP 模型最符合低亮度水平下非彩色视觉任务的测试结果; 2 ) MOVE 模型、MES1 模型和MES2 模型最符合较高亮度水平下非彩色视觉任务的测试结果; 3) MOVE 模型最符合彩色视觉任务的测试结果; 4) MES1 模型和MES2 模型对于彩色视觉任务测试结果的符合程度比MOVE模型略差，但这些差别相比于心理物理量所固有的不确定度可以忽略。

　　中间视觉推荐模型MES2 的建立是基于周边视觉条件的，在该条件下杆体细胞和锥体细胞对视觉响应均有影响。但对于视场角小于2°的线上视觉，明视觉的光谱光视效率函数V ( λ) 适用于所有的亮度水平。在进行道路照明设计时，应注意到视觉功能会随着目标偏移度的变化而变化，当需要同时处理线上视觉和周边视觉的信息时，应根据不同情况制定相应的评价标准。此外，当视觉目标色饱和度很高或光谱功率分布很窄时( S /P 值很高或很低) ，推荐模型与实际的视觉状况并不相符。

　　4 中间视觉光度量测量仪器的设计和测量结果分析

　　中间视觉光谱光视效率函数随着人眼适应亮度的不同而不同，中间视觉光度量只能通过光源的光谱功率分布与相应光谱光视效率函数的加权积分得到。为此研制了基于CCD 光谱辐射度计的中间视觉光度量测试仪器，具有波长校准、光谱辐射度校准、光通量校准和自吸收系数校准等功能，除了能够测量四种光度学模型下的中间视觉光度量外，还能够测量明视觉光度量、暗视觉光度量，以及色坐标、色温和显色指数等色度学参数。

　　采用该仪器测量了标称功率为150W 的高压钠灯( S /P = 0. 77) 、金卤灯( S /P = 1. 43) 和LED 灯( S /P = 1. 71) ，其明视觉、暗视觉光通量及中间视觉光通量随明视觉亮度的变化规律如图4、图5、图6 所示。由图可见:

　　1) 在中间视觉区域，对于S /P < 1 的光源，中间视觉光通量随Lp 的减小而减小，对于S /P > 1 的光源，中间视觉光通量随Lp 的减小而增大。这表明当明视觉光效相同时，S /P 值越大的光源，其中间视觉光效就越高，且随着适应亮度的降低，光效优势越明显;

　　2) MOVE 模型、MES1 模型和MES2 模型测量得到的光通量随Lp 的变化曲线的模式基本一致，特别是MOVE 模型和MES2 模型的曲线基本平行，但USP 模型的曲线与其他三者差别较大;

　　3) 在中间视觉的下界，USP 模型测量的中间视觉光通量与暗视觉光通量最为接近，其次分别是MES2 模型、MES1 模型和MOVE 模型。在中间视觉上界，MES2 模型测量的中间视觉光通量与明视觉光通量最为接近，其次分别是MES1 模型、USP 模型和MOVE 模型。但应注意到一类特殊情况: 当S /P 值较小且亮度较低时，通过中间视觉模型的迭代公式计算的亮度适应系数为负数，需令其为0，从而使下界点上的Vmes ( λ) 与V' ( λ) 完全一致，因此在下界点上的中间视觉光通量就与暗视觉光通量完全相等，但这并不表明这三种模型在低亮度水平下的测量精度最高。四种光度学模型在下界点和上界点的中间视觉光通量及其与暗视觉和明视觉光通量的相对误差如表1 和表2 所示;

　　4) 由测量曲线的连续性可以推出，USP 模型在低亮度水平下测量精度最高，MES2 模型在高亮度水平下测量精度最高，MES2 模型在中间视觉区域的所有亮度水平下的综合测量精度最高，这也是CIE 选择MES2 模型作为推荐模型的原因之一。　

　　5 结论

　　CIE 在考虑相加性及与明、暗视觉衔接性的基础上提出了四种中间视觉光度学模型，其中USP 模型只适用于非彩色视觉任务，而MOVE 模型以彩色视觉任务为主，它们代表了视觉任务的两类极端情况。UPS 模型的中间视觉与明、暗视觉分界点被认为过低，而MOVE 模型的分界点被认为过高，为了使模型具有更广泛的适用性，同时给予非彩色视觉任务更多的考虑，CIE 提出了中间模型MES1 和MES2，并将MES2 模型作为基于视觉功能的中间视觉光度学推荐模型。本文通过理论分析和实际测量，得出如下结论:

　　1) 四种光度学模型的中间视觉区域各不相同。在低亮度区域，USP 模型精度最高，在高亮度区域，MES2 模型精度最高，在整个中间视觉区域，MES2模型的综合精度最高，应根据具体的视觉任务选择合适的模型以提高测量精度;

　　2) 当光源的S /P 值较小且亮度较低时，MOVE 模型、MES1 模型和MES2 模型计算的亮度适应系数为负数，在实际情况下不能使用，应令其为0。在编制这三种模型的中间视觉光度量计算程序时，应注意对亮度适应系数进行判断，并作出相应的处理;

　　3) 亮度越小，中间视觉模型的测量结果与明视觉的差别越大，如果采用明视觉模型评价中间视觉照明质量，将导致错误的结果;

　　4) 在中间视觉区域，能量主要集中在短波段的光源比能量主要集中在长波段的光源具有更高的发光效能。