中间视觉S光度学模型的建立及应用

论文摘要

本课题属国家自然科学基金项目《基于视觉功能法建立中间视觉光度学模型的研究》(批准号60508008),本论文主要研究了两个方面的内容,一是通过视觉功效实验建立了一个新型的中间视觉S光度学模型(简称S模型,S代表了在该模型中拟合曲线的形状),二是通过S模型计算得出了各种光源在不同亮度水平下的中间视觉修正系数R_m(中间视觉光通量与明视觉光通量之比),并将之应用于实际照明场合,如夜间道路照明和汽车照明等。本论文在对课题国内外研究动态进行充分调研的基础上,介绍了在中间视觉状态下人眼视觉系统的主要特征和CIE(国际照明学会)光度学系统的发展历史,分析了建立光度学系统的三种主要实验方法:视亮度匹配法、闪烁法和视觉功效法,并探讨了目前国际上已发表的几个主要中间视觉模型,主要分为视亮度匹配和视觉功效两大类。在对这些中间视觉模型进行对比分析的基础上,确定了本论文所要解决的主要问题和创新方向,即通过视觉功效实验,建立一个新型的更加完善的中间视觉模型,在暗视觉和明视觉函数之间建立桥梁。本论文根据现有的实验条件,突破了传统的视觉功效实验需要复杂光学通路的实验方法,建立了一套基于投影系统的实验装置,先自行编写一个电脑程序来控制目标的出现和数据的采集记录,再通过投影仪投影到屏幕上供受测者观察。为了细致研究偏心度θ对视觉功效的影响,实验中采用了两种不同类型的投影屏幕:平面背景和弧形背景,另外部分实验在芬兰赫尔辛基工业大学(HUT)照明实验室完成。本论文实验共有16名受测者参与了视觉功效实验,共得到了30200条实验数据。本论文运用心理物理学的相关理论来设计实验装置、实验参数和实验流程,深入系统地研究了探测几率和反应时间这两个视觉功效指标受背景亮度L(或照度E_h),对比度C_t,偏心度θ,目标张角α,背景光谱s/p值等实验参数的影响。在对这些实验参数进行统计分析的基础上得到了定量的变化关系,并提出了一个新的视觉功效指标MVP,综合考虑了探测几率DR和反应时间RT。实验结果表明,MVP值能更加准确地评价在中间视觉条件下处于探测阈值附近的视觉功效。本论文基于视觉功效实验的结果,结合人眼的视觉理论和CIE光度学系统的定义,创造性地提出了一个新型的中间视觉S光度学模型,并将S模型与国际上其他两个已发表的X模型与MOVE模型进行了比较分析,结果显示本文所提出的S模型符合一个中间视觉模型必备的条件,中间视觉亮度L_m计算结果介于X模型和MOVE模型之间,但比这两个模型形式更为简洁,更加适用于实际照明应用,而且与明视觉函数和暗视觉函数能够更好地平滑过渡,具有更强的物理意义。本文认为,通过视觉功效实验得到的不同中间视觉模型之间,其本质的差别在于根据视觉功效实验结果推导而得的x与L_m的变化曲线。在建立一个基于视觉功效的中间视觉模型之前,需研究决定一个合理的中间视觉模型应该在什么样的实验条件下采用什么视觉功效指标来建立。目前国际上尚无法就哪一个中间视觉模型更加合适而达成共识,但照明工业界却迫切地需要一个能够应用于实际的中间视觉光度学模型,那么,一种简单易行的方法就是取目前已发表的几个模型中x与L_m的平均变化曲线。本论文中所提出的中间视觉S光度学模型在现行CIE光度学系统的暗视觉函数V′(λ)和明视觉函数V(λ)的基础上,只需要测量光源的相对光谱能量分布(SPD)进而计算得到光源的r值(也称s/p值,为暗视觉光通量与明视觉光通量之比),即可对基于明视觉函数V(λ)计算或测量所得的明视觉亮度L_p进行修正。为了便于应用,本文提出了中间视觉修正系数R_m的概念,即通过中间视觉S模型计算不同光源在不同亮度水平下的光通量变化,并将中间视觉光通量与明视觉光通量之比定义为R_m值,根据R_m值对实际照明应用场合的光源进行亮度、光效、光通量等修正,以尽可能地符合人眼实际的视觉功效。本论文除了理论上的研究,还将理论研究成果应用于照明实践,采用现场照明效果调查问卷和现场视觉功效实验相结合的方法,共涉及调查人员和受测人员共297人。根据S模型计算所得的中间视觉修正系数R_m值,对比分析了无极荧光灯和高压钠灯在隧道照明中的应用,并运用强迫二选一法在实际道路中进行了HID汽车前照灯与卤钨汽车前照灯的应用比较等,最后基于S模型探讨了大功率白光LED光源在城市夜间道路照明中的应用前景。本课题的研究对制定中间视觉光度学标准能起到一定的促进作用,有益于我国在中间视觉照明环境下制定合理的照明标准和选用适宜的光源以达到安全节能的效果,对推动我国绿色照明工程有着一定的理论意义和实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景及研究意义
• 1.2 国内外关于中间视觉模型的研究动态
• 1.3 本论文的研究工作
• 1.3.1 本论文的研究内容
• 1.3.2 本论文的研究方法
• 1.3.3 本研究的主要创新点
• 2 人眼视觉系统与光度学系统
• 2.1 人眼的视觉系统
• 2.1.1 人眼的结构
• 2.1.2 光感受器细胞
• 2.1.3 明视觉、暗视觉和中间视觉
• 2.2 CIE光度学系统
• 2.2.1 辐射量与光度量的转换
• 2.2.2 光谱光视效率函数
• 2.2.3 相加性问题
• 2.3 测量光谱光视效率函数的主要方法
• 2.3.1 异色视亮度匹配法
• 2.3.2 闪烁法
• 2.3.3 视觉功效法
• 2.4 常见的几个中间视觉模型
• 2.4.1 基于视亮度匹配的中间视觉模型
• 2.4.2 基于视觉功效的中间视觉模型
• 2.5 本章小结
• 3 S模型的视觉功效实验研究
• 3.1 视觉功效指标及影响参数
• 3.2 基于平面投影系统的视觉功效实验
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验定标
• 3.2.3 实验参数
• 3.2.4 实验流程
• 3.2.5 实验结果
• 3.3 基于弧形投影系统的视觉功效实验
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 实验参数
• 3.3.3 实验流程
• 3.3.4 实验结果
• 3.4 基于改装半球形视野计的视觉功效实验
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 实验参数
• 3.4.3 实验流程
• 3.4.4 实验结果
• 3.4.5 视觉功效受背景照度和目标对比度的影响
• 3.4.6 视觉功效受偏心度和目标张角的影响
• 3.4.7 视觉功效受光谱的影响
• 4 中间视觉S光度学模型的建立方法与过程
• 4.1 建立中间视觉S模型的思路
• 4.2 中间视觉S光度学模型的建模过程
• 4.3 由S模型得到的系列中间视觉光谱灵敏度曲线
• 4.4 中间视觉S模型与X模型及MOVE模型的比较
• 4.5 中间视觉模型应满足的几个特性
• 4.6 本章小结
• 5 中间视觉S模型在实际道路照明中的应用
• 5.1 中间视觉S模型在照明设计中的应用步骤
• m值'>5.2 中间视觉修正系数R_m值
• 5.3 中间视觉S模型在汽车前大灯照明中的应用
• 5.3.1 实验方法及过程
• 5.3.2 实验结果
• 5.3.3 结论和讨论
• 5.4 中间视觉S模型在隧道照明中的应用
• 5.4.1 雁列山隧道照明对比实验
• 5.4.2 雁列山隧道各段的亮度及路面均匀度
• 5.4.3 南、北洞的照明效果对比
• 5.5 通过S模型探讨LED光源在道路照明中的应用前景
• 5.6 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 本研究的主要结论
• 6.2 建议和展望
• 7 参考文献
• 8 附录
• 8.1 文中所用符号所表示的含义及单位
• 8.2 文中所用部分英文名词或缩写词所表示的含义
• m值'>8.3 根据S模型计算所得的中间视觉修正系数R_m值
• 8.4 根据S模型计算所得的光谱灵敏度曲线
• 8.5 根据S模型计算所得的人眼光谱光视效率函数
• 8.6 博士研究生期间发表论文
• 9 致谢