CIE 中间视觉光度学模型的分析和应用[1]

　　1 引言

　　在中间视觉区域，即暗视觉和明视觉之间的区域( 亮度大约在0. 001cd /m2 ～ 10cd /m2 之间) ，人眼的视觉功能同时由杆体细胞和锥体细胞决定，光谱光视效率函数随着人眼适应亮度的变化而变化。因此如果对于所有亮度水平的光度测量，都还是采用明视觉光谱光视效率函数，将导致错误的评价结果。中间视觉照明包括道路照明、隧道照明、紧急照明、停车场照明、飞机场照明、仪表盘照明、航天驾驶舱照明、某些交通信号照明、军事照明、医疗照明和安保照明等。

　　中间视觉光度学几十年来一直是国际照明界关心的课题( CIE，1989，CIE，2001) 。直到90 年代中期，对于该领域的研究大多采用视亮度匹配法。CIE81—1989 《中间视觉光度学: 历史、特殊问题和解决方法》阐述了基于视亮度匹配法的中间视觉系统。CIE141—2001 《光度学补充系统的测试》对原有系统进行更新，指出不可能采用一个单一的光度学模型来描述中间视觉的特性。对应不同的使用条件和亮度水平，应选择适当的光度学模型，才能对环境的照明效果进行合理的评价，达到有效照明、节能和保障安全的目的。

　　到90 年代后期，基于视觉功能法的中间视觉光度学引起了国际照明界的重视( Goodman，1997，McGowan 和Rea，1994) 。该方法采用特定的视觉任务，通过测量人眼对视觉目标的察觉能力、辨别能力和反应时间，来确定光谱光视效率函数。视觉功能法比视亮度匹配法更为直接和实用。例如，在驾驶汽车时，人们并不需要对路面相邻区域的相对亮度进行视觉评估，更重要的是能够察觉和辨别处于视觉极限条件下的物体。我国学者一直活跃在中间视觉研究领域，在中间视觉的理论研究和实际应用中都取得了丰硕的成果，并参与了CIE191∶ 2010 《基于视觉功效的中间视觉光度学推荐系统》的编制工作。

　　2010 年，CIE191 推荐了四种中间视觉光度学模型，但至今还没有文献对这些光度学模型进行过全面系统的分析，中间视觉光度量检测仪器也未面世，很多照明设计和应用者对中间视觉的概念仍然不清，更谈不上应用。本文对CIE191∶ 2010 四种中间视觉模型的特点、适用范围和应用注意事项进行了全面系统的分析，并设计了中间视觉光度量测试仪器，能够测量明视觉和中间视觉下灯具的光度量和发光效率，使中间视觉模型在照明测量和设计中能够得到正确和有效的应用。

　　2 CIE 191—2010 推荐的中间视觉模型

　　2. 1 中间视觉模型简介

　　由于CIE 光度学遵从相加性原理( CIE，1978) ，因此中间视觉光度学模型也应满足相加性原理。相加性原理指出，对于给定的光谱辐射量，通过适当的光谱光视效率函数进行加权后，在指定光谱范围内线性相加即可得到对应的光度量。因此，中间视觉光度系统必须满足两个约束条件: ( 1) 相加性; ( 2) 中间视觉的光谱光视效率函数随着亮度的增加趋向明视觉的光谱光视效率函数，随着亮度的降低趋向暗视觉的光谱光视效率函数。满足这些约束条件的中间视觉光度学模型的最简单形式是明、暗视觉光谱光视效率函数的线性组合，即:

　　其中x 为亮度适应系数。

　　因为V ( λ) 和V' ( λ) 均满足相加性，因此式( 1) 定义的中间视觉光谱光视效率函数Vmes( λ)自然也满足相加性。图1 为光谱光视效率函数( 未归一化) 随亮度的变化规律，由图可见: 随着亮度的增加，光谱光视效率函数逐渐从暗视觉过渡到明视觉。由于中间视觉光谱光视效率函数依赖于人眼的亮度适应状态，因此相加性只在给定的亮度适应水平上成立。

　　最近提出的两个基于视觉功能的中间视觉模型，即UPS 模型( Rea et al. ，2004) 和MOVE 模型( Goodman et al. ，2007) ，均采用式( 1) 所示的形式将明视觉和暗视觉联系起来，并满足相加性原理。除了USP 模型和MOVE 模型之外，CIE还提出了中间模型( Intermediate system) 。中间模型也采用式( 1) 所示的形式，且与MOVE 模型一样，亮度适应系数和中间视觉亮度之间的关系为“对数-线性”关系，但调整了中间视觉区域的上、下极限。

　　2. 2 USP 模型

　　He 等人( 1997，1998) 的研究工作奠定了USP模型的实验基础。1997 年，He 等人在高压钠灯和金卤灯的8 种亮度水平下( 0. 003cd /m2 ～ 10cd /m2之间) ，测量了人眼的反应时间。实验条件为: 目标对比度C = 2. 3; 被测目标和背景的光谱功率分布一致，即视觉任务是只有亮度对比而没有彩色对比的非彩色刺激量。实验结果表明: 当亮度高于0. 6cd /m2 时，杆体细胞对视觉任务的反应时间没有贡献。1998 年，He 等人采用两眼的反应时间差来测量中间视觉光谱光视效率函数，从而得到了计算中间视觉亮度的迭代方法。

　　2004 年，Rea 等人在He 等人的研究基础上提出了USP 光度学统一模型，形式如式( 1) 所示。USP 模型的中间视觉亮度和亮度适应系数可由封闭形式的数学公式计算，中间视觉区域在0. 001cd /m2～ 0. 6cd /m2 之间。

　　2. 3 MOVE 模型

　　MOVE 模型( Eloholma 等，2005，Goodman 等，2007) 是通过对夜间驾驶过程中的目标察觉能力、察觉速度和目标细节辨别能力的研究基础上提出的。视觉目标包括了彩色目标和非彩色目标。实验条件为: 背景明视觉亮度0. 01cd /m2、0. 1 cd /m2、1 cd /m2 和10 cd /m2 ( 有些实验也采用0. 3 cd /m2 和3cd /m2 ) ; 目标偏心度为0° 和10°; 目标视场角2°( 和0. 29°) ; 目标显示时间△t≥3s ( 在某些反应时间测量中采用△t≤500ms) ; 对比度在临界值附近;使用半宽度为10nm 的准单色光源和宽光谱光源;大多数实验的目标和背景采用不同的颜色( 有色差条件) ，而某些实验的目标和背景采用相同的颜色( 消色差条件) ; 被测试者109 位。

　　根据实验结果得出周边视力的中间视觉光度学模型( Goodman 等，2007) ，形式如式( 2) 所示，与式( 1) 不同的之处是增加了使Vmes( λ) 的最大值取1 的归一化函数M ( x) 。MOVE 模型的中间视觉亮度和亮度适应系数通过迭代方法计算得到，中间视觉区域在0. 01cd /m2 ～ 10cd /m2 之间。

　　2. 4 中间模型

　　尽管采用USP 模型和MOVE 模型计算中间视觉亮度所得的结果有差异( 特别是对于低亮度、高色饱和度的光源差异更大) ，但对于普通照明的大多数白色光源( 如夜间的道路照明等) ，这些差异即使在所有亮度水平下也很小。在实际应用中，根据这两个模型得出的结果比较接近，它们之间的主要区别在于中间视觉与明视觉分界点的不同。MOVE模型的分界点被认为过高( Rea 和Bullough，2007) ，而UPS 模型的分界点被认为过低( Eloholma和Halonen，2006) 。

　　USP 模型和MOVE 模型代表了两类极端情况。在USP 模型中，只对反应时间进行测量，而不考虑颜色的影响，因此只适用于非彩色的视觉任务; 在MOVE 模型中考虑了更为广泛的视觉任务，由于不同视觉任务中人眼的彩色通道和非彩色通道的非线性交互作用，使得从暗视觉向明视觉的转换变得非常复杂，给测试结果引入了更多的不确定度。USP模型采用较少的观察者( 3 个) 以减少“噪声”，而MOVE 模型采用较多的观察者( 109 个) 以减少观察者之间个体差异造成的影响。必须指出，尽管MOVE 实验中包括了非彩色的与彩色的视觉任务，但以彩色视觉任务为主。在夜间驾驶等现实情况中，既包括了非彩色视觉任务也包括了彩色视觉任务，因此MOVE 模型对非彩色视觉任务可能考虑不足。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，提出了介于USP 模型和MOVE 模型的中间模型，即MES1 和MES2，形式也如式( 2 ) 所示。MES1 模型的中间视觉区域为0. 01cd /m2 ～ 3cd /m2，MES2 模型为0. 005cd /m2 ～5cd /m2。

　　在大多数情况下，MES2 模型对实测数据的符合程度比MES1 模型好，因此CIE 推荐采用MES2模型作为基于视觉功能的中间视觉光度学的推荐模型，计算公式如下:

　　其中M ( m2) 为使中间视觉光谱光视效率函数Vmes( λ) 的最大值为1 的归一化函数; m2为亮度适应系数: 如果Lmes≥5. 0cd /m2，则m2 = 1; 如果Lmes≤0. 005cd /m2，则m2 = 0; 如果0. 005cd /m2 < Lmes <5. 0cd /m2，则m2 = 0. 3334lgLmes + 0. 7670; Lmes为中间视觉亮度，计算公式如下:

　　其中Lp为明视觉亮度; Ls为暗视觉亮度; V' ( λ0)= 683 /1699，为暗视觉光谱光视效率函数在555nm处的值; n 为迭代步数。