李天宇，江 昕，楊 彪

(哈爾濱工業(yè)大學(深圳)建筑學院，廣東 深圳 518000)

引言

隨著 LED 照明技術的發(fā)展，其在道路照明應用中的潛在優(yōu)勢引起了廣泛的關注，但由于缺乏系統(tǒng)的理論指導和科學依據(jù)，LED光源在視覺功效學方面的節(jié)能潛力尚未完全發(fā)揮。國家發(fā)改委在2017年發(fā)布的《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點產(chǎn)品和服務指導目錄(2016版)》中，重點列入了“高效低成本LED替代光源”，包括高效低成本筒燈、射燈、路燈、隧道燈、球泡燈等替代型半導體照明光源和新型LED照明應用產(chǎn)品。國際照明委員會(CIE)標準CIE 115—2010[1]和英國道路照明標準BS 5489-1:2013[2]指出：行人道路照明旨在確保其安全的夜間步行環(huán)境，滿足視覺信息的需求，其中對他人的意圖識別被認為是安全步行中的關鍵視覺任務。目前亟需針對行人在步行環(huán)境中的視覺功效開展研究，解決 LED 光源在道路照明節(jié)能應用中的關鍵基礎科學問題，為提供行人安全步行環(huán)境和實現(xiàn) LED 照明節(jié)能提供理論依據(jù)。

國內(nèi)外相關研究團隊已經(jīng)逐步開展了關于行人道路照明的工作。楊秀和郝洛西[3]對LED光源的光譜能量分布對行人視覺作業(yè)的影響進行了較為全面的綜述，并運用視覺功效法分析視覺辨認時人眼的光譜能量分布響應特征，進行了實驗室內(nèi)模擬照明場景的實驗和真實照明場景中的主觀評價實驗，研究結果揭示了光譜功率分布對周邊視覺的影響作用，且影響程度隨著角度的增加更加顯著[4]。宋佳音等[5]探索了不同道路亮度等級下行人被識別的反應時間，并擬合了兩者之間的視覺功效函數(shù)，結果表明同等亮度時LED光源下的反應時間比高壓鈉燈下的更短，揭示了光譜對視覺反應時間的補償作用。

復旦大學林燕丹等[6,7]在實驗室環(huán)境下，探討了亮度、光譜、觀察時間和視覺任務(身份識別和表情識別)等因素對行人面部辨識的影響，結果發(fā)現(xiàn)觀察時間作為變量會影響識別能力，實驗中如果觀察時間不固定，則會增加實驗誤差，并與英國謝菲爾德大學的Fotios和Yang[8,9]合作探討了面部識別實驗方法的優(yōu)劣。Fotios和Raynham[10]對過去關于行人照明和人臉識別的研究所使用的實驗方法和視覺任務都提出了質(zhì)疑，他們認為，針對光譜的精密心理學實驗，應該在固定距離、固定觀察時間的條件下完成，而且將人臉識別作為唯一的視覺任務是否合適也值得商榷。

Yang和Fotios[11]首次將狹義的人臉身份識別(facial recognition)擴展到了廣義的人際判斷(interpersonal judgement)，并指出身體語言、人臉表情和視線方向等表達他人意圖的視覺線索(visual cue)是行人照明的關鍵視覺任務之一。Yang、Fotios和Cheal[12,13]在明確了觀察距離(15 m)和觀察時間(500 ms)的基礎上，對青年組和老年組分別進行了實證實驗，研究結果表明人臉表情50%辨識率時的閾值亮度為1.0 cd/m2，但其使用的視覺刺激物為接近單色的二維人臉表情照片。隨后，F(xiàn)otios等[14]又進一步研究了彩色人臉表情圖像的顏色和光譜的關系，但由于所使用的視覺刺激均為人臉表情二維(2D)圖像，其實驗結果的有效性還需要使用三維(3D)人臉進一步驗證。

近幾年CIE更新的道路照明標準中增加了關于光譜和顏色方面的建議內(nèi)容：當顯色指數(shù)(Ra)大于60時，由于其對周邊視覺的補償作用，最低照度要求可以降低一級[15]。然而包括美國、英國和中國等大多數(shù)國家的道路照明標準中并沒有包含關于光譜補償照度的內(nèi)容，主要原因是現(xiàn)有研究提供的科學依據(jù)尚未達成共識，有待針對具體視覺任務進行深入研究。Uttley等[16]的研究結果表示，具有較高S/P值(scotopic/photopic ratio)的光源可以提高低照度下識別障礙物的能力，這一結論是否同樣適用于人臉表情識別需要進行進一步實驗驗證。

我們主要針對LED的照度、光譜功率分布(spectral power distribution, SPD)和S/P值對三維人臉表情識別能力的影響開展了實驗性研究，為進一步完善基于LED的行人道路照明標準提供參考。

1 實驗方法

本次研究通過實驗室復現(xiàn)了行人所經(jīng)歷的不同道路光環(huán)境，來研究行人對三維人臉表情的識別能力。在實驗室中，通過調(diào)節(jié)“全光譜多通路 LED 模擬光源”，設置了15種光照環(huán)境，具體包括3種不同SPD的LED光源：模擬HPS(CCT=2 000 K，S/P=0.57，Ra=25)，模擬MH(CCT=4 200 K，S/P=1.77，Ra=92)，和自主調(diào)配出的具有極高S/P值的HIGH-SP(S/P=25.13，Ra=4.8)；每種SPD都使用了5個照度級別: 0.33，1.00，3.33，10.0 lx和30.0 lx，實驗變量及條件如表1所示。

本實驗所用視覺刺激物為陶塑人臉模型，上述照度的測量位置為目標刺激物的正面面部的垂直照度，所使用的三維人臉模型的四個側面具有四種的標準表情(喜怒哀樂)：驚喜(surprise)、憤怒(angry)、悲哀(sad)和快樂(happy)，如圖1所示。

表1 實驗光環(huán)境與視覺刺激物的變量選取Table 1 Selection of variables in experimental light environment and visual stimuli

圖1 3D人臉視覺刺激物及四種表情實物圖Fig.1 3D visual stimuli and four kinds of expressions

三維人臉表情模型放置在自主研制的“視覺刺激物呈現(xiàn)與響應自動采集實驗平臺”上，距離被試者1.3 m左右，按模型大小比例計算，符合真實場景中4.0 m的觀察距離[12]。該平臺可使多個視覺刺激物(驚喜、憤怒、悲哀和快樂四種表情)以隨機且均等機會的方式(counter-balanced)出現(xiàn)，其結構如圖2所示。實驗要求被試者在不同光照條件下，對隨機出現(xiàn)的視覺刺激物進行表情識別，并通過與電腦連接的按鍵在四個備選項中做出選擇。

被試者將在每種LED與照度的組合條件下，進行16次(4×4)表情識別選擇，總共需進行240(16×3×5)組實驗，每位被試均有充足的練習時間以便其充分熟悉實驗流程。所有被試者的識別選擇和反應時間數(shù)據(jù)將被自動記錄存儲用以統(tǒng)計分析。本次實驗共有30名被試者參與(15男、15女)，年齡均在18～25歲范圍內(nèi)，視力及色覺正常。實驗場景設置及全光譜多通路 LED 模擬光源如圖3所示。

圖2 視覺刺激物呈現(xiàn)與響應自動采集實驗平臺Fig.2 Automatic acquisition experiment platform for visual stimuli presentation and response

圖3 實驗場景設置及全光譜多通路 LED 模擬光源Fig.3 Setup of experimental scene and all-optical spectrum multipath LED simulation light source

2 結果與分析

2.1 實驗結果

在上述實驗中，被試者每次對表情的識別選擇將以得分“1”(正確)或“0”(錯誤)記錄。在每種光環(huán)境下，被試者需要進行16(4×4)次試驗，全部識別正確將得到16分，全部錯誤將得到0分。由此可獲得30名被試者分別在3種光源、5種照度(共15組數(shù)據(jù))下的得分情況，對這15種燈光環(huán)境下所有人的得分取均值，結果見表2。

表2 不同照度和SPD下的3D人臉表情識別的平均效率(滿分為16)Table 2 Average efficiency of 3D facial expression recognition under different illuminance and SPD (full score is 16)

依據(jù)表2可以畫出不同照度和SPD下的3D人臉表情識別效率曲線，如圖4所示。

圖4 不同照度和SPD下的3D人臉表情識別效率曲線Fig.4 Efficiency curves of 3D facial expression recognition under different illuminance and SPD

由圖4可得到初步結論：隨著照度值的增加，被試者在三種不同光源下對表情的識別得分顯著提升；當照度高于10.0 lx時，人臉表情識別的得分達到穩(wěn)定；當照度高于1.00 lx時，被試者的識別正確率達到50%；當照度高于3.00 lx時正確識別率達到75%；如果以50%或75%作為夜間道路照明條件下人臉表情識別需要達到的最低正確率，則1.00 lx 或3.00 lx 可以被認為是最低的照明等級。對比三種LED光源的三條應代表曲線可知，被試者在HPS和MH光源下的人臉表情識別正確率稍高于HIGH-SP，但HPS和MH光源之間的識別正確率基本接近。以上觀察結果需要通過統(tǒng)計分析進行進一步確認和驗證。

2.2 統(tǒng)計分析

對所得數(shù)據(jù)進行了三個方面的統(tǒng)計分析：正態(tài)性檢驗，相同光源SPD下相鄰照度的配對檢驗，以及相同照度下不同光源SPD的兩兩對比檢驗。

1)正態(tài)性檢驗。為了確定下一步使用參數(shù)或非參數(shù)分析方法，對于3種光源和5種照度下得到

的15組數(shù)據(jù)分別進行單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗，以判斷這15組數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布。檢驗結果表明，15組數(shù)據(jù)中共有12組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，數(shù)據(jù)整體的正態(tài)分布符合率達到了80%(12/15)，可以認為這15組數(shù)據(jù)服從或近似服從正態(tài)分布，適合使用參數(shù)統(tǒng)計的分析方法。

2)相同光源相鄰照度的配對t檢驗。對于每種光源5種照度下的數(shù)據(jù)，我們將所有同光源相鄰照度下的兩組數(shù)據(jù)進行配對t檢驗，以檢驗相同光源相鄰照度下各組數(shù)據(jù)的均值是否存在顯著差異，共進行12次檢驗，分別得到t統(tǒng)計量的概率p值如表3所示。

表3 三種光源SPD下相鄰照度的配對檢驗結果Table 3 Paired test results under adjacent illumination of three illuminant SPD

*——p<0.05

給定顯著性水平α=0.05，與概率p值作比較可以發(fā)現(xiàn)，在照度0.33 lx和1.00 lx對比、照度1.00 lx和3.33 lx對比以及照度3.33 lx和10.0 lx對比的p值中，只有HPS光源在照度1.00 lx和3.33 lx對比時的p值大于α，其余概率p值均小于α。因此可以認為3種光源在照度0.33 lx和照度1 lx、照度1 lx和照度3.3 lx、照度3.3 lx和照度10 lx的數(shù)據(jù)均值是存在顯著差異的。

而在照度10 lx和30 lx的對比檢驗中，HPS和MH光源的概率p值均大于α，只有HIGH-SP光源的概率p值小于α，因此可以近似認為，在照度達到10.0 lx或30.0 lx時，數(shù)據(jù)的均值不存在顯著差異。

3)相同照度下不同光源的配對t檢驗。為了研究光源SPD對人臉表情識別能力結果的影響，我們再對每種照度下3種光源的數(shù)據(jù)兩兩進行配對t檢驗，共進行15次檢驗，分別得到t統(tǒng)計量的概率p值結果如表4所示。

表4 五種照度下三種光源SPD兩兩對比的配對t檢驗結果Table 4 Paired t test results of pairwise contrast of three illuminant SPD under five illuminance conditions

*——p<0.05

從表4中可以看到，在照度0.33 lx下，HPS和HIGH-SP、HIGH-SP和MH的p值均小于給定顯著性水平α(0.05)，在照度1.00 lx下，HPS和HIGH-SP、HPS和MH的p值均小于給定顯著性水平α。因此可認為，在0.33 lx和1.00 lx這兩組較低的照度水平下，不同光源的數(shù)據(jù)結果存在顯著差異。

而在照度3.33 lx和照度10.0 lx下，都只有HIGH-SP和MH的p值小于顯著性水平α，在照度30 lx下，3組p值均大于顯著性水平α，因此可以認為，在照度為3.33、10.0 lx和30.0 lx的情況下，不同光源的數(shù)據(jù)結果不存在顯著差異。

4 結論與展望

步行環(huán)境的照明需要兼顧安全性和節(jié)能性兩個方面，LED照明技術的普及及其靈活的連續(xù)光譜為保持視覺功效的同時實現(xiàn)照明節(jié)能提供了新的途徑。本文主要針對LED的照度、光譜功率分布(spectral power distribution, SPD)和S/P值對3D人臉表情識別能力的影響開展了實驗性研究，并得到了照明參數(shù)與識別效率的關系曲線。研究結果將為行人道路照明的標準制定提供科學基礎和實證依據(jù)。

統(tǒng)計分析結果表明，當觀察距離為4 m時，3D人臉表情的識別正確率隨面部處的照度增加而提升，且當照度增加到10.0 lx左右時，識別正確率將趨于飽和。因此垂直照度10 lx可以作為行人道路照明最低照度水平的參考閾值，與先前基于2D人臉表情的實驗結果較為一致[12-14]。通過比較HIGH-SP和其他光源條件下的關系曲線可知，相同照度下具有較高S/P值的LED并不能提高人臉表情的識別效率。有兩個可能的原因：①人臉表情識別是基于中央視覺(central vision)的視覺任務，主要依賴于視錐細胞，而S/P值的影響主要作用于依賴視桿細胞的周邊視覺(peripheral vision)；②具有高S/P值的HIGH-S/P光譜中的藍光成分較多，顯色性較差，而陶泥材料制成的人臉表情模型主色調(diào)為棕色，被HIGH-S/P照亮的效率低，該自主調(diào)制的光譜和3D人臉表情的組合并不能完全代表行人在真實場景中所遇到的視覺任務。

在未來的研究工作中，我們將會調(diào)制更具有真實性的高S/P值白光LED光源進行實驗，進一步研究S/P值對行人視覺任務的影響。同時隨著3D打印技術的成熟發(fā)展，將會使用更貼近真實外觀及膚色的3D人臉模型進行實驗，以獲得更加精確的實驗結果。