CIE中间视觉光度学模型的分析和应用.docx

CIE中间视觉光度学模型的分析和应用庄鹏【摘要】中间视觉光度学一直为国际照明界所关注,CIE191:2010推荐了基于视 觉功能的中间视觉光度学系统•本文论述了 USP模型、MOVE模型、MES1模型和 MES2模型的研究背景、实验条件以及各自的特点和适用范围•通过对不同S/P值 光源的理论分析和实际测量，发现在中间视觉的低亮度区域USP模型精度最高，在高 亮度区域MES2模型精度最高，因此应根据具体的视觉任务选择合适的模型以达到 最高的测量精度,对于采用迭代方法计算光度量的中间视觉模型,还应保证亮度适应 系数不能为负•此外，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,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.期刊名称】 《照明工程学报》年(卷),期】 2012(023)003【总页数】7页(P35-41)【关键词】 中间视觉;明视觉;暗视觉;光度学;发光效能【作 者】 庄鹏【作者单位】 厦门市产品质量监督检验院国家 LED 应用产品质量监督检验中心,福建厦门 361004正文语种】 中 文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［1］［2］［3］［4］和实际应用［5］［6］［7］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[8],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(入)和V'(入)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V mes(入)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 度适应水平上成立图1光谱光视效率函数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⑴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⑴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3 cd/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£^35(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V mes（入）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（入）的最大值为1的归一化函数;m2为亮度适应系数:如果L mes>5.0cd/m2，则m2 = 1;如果L mes<0.005cd/m2,则 m2二0;如果 0.005cd/m2 < L mes < 5.0cd/m2，贝U m2=0.3334lg Lmes+0.7670;L mes为中间视觉亮度，计算公式如下：其中L p为明视觉亮度;L s为暗视觉亮度;V'（入0）=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。

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 —定的情况下，中间视觉亮度L mes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） , L mes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）,L mes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) L mes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L mes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。