智能照明控制系统相关知识:光与视觉的关系
来源:    发布时间: 2013-12-23 09:29   4002 次浏览   大小:  16px  14px  12px
智能照明相关知识:光与视觉的关系,视觉是光射入眼睛后产生的一种知觉,即视觉依赖于光。为了保证视觉功能的正常发挥,必须创造一个良好的光环境。颜色起源于光。波长不同的单色光会使人有不同的色觉,即具有不同的颜色。

 

 

智能照明相关知识:光与视觉的关系

1.光与视觉

视觉是光射入眼睛后产生的一种知觉,即视觉依赖于光。为了保证视觉功能的正常发挥,必须创造一个良好的光环境。

1 视觉的产生

视觉是一种物理现象,但更是一种生理现象。

当人们注视某目标时,如果该目标是一个发光体,那么它发出的光有一部分射入眼睛,射入眼中的光在经过成像系统时,依靠眼的调节系统,使之落到视网膜上,形成观察目标的像。

当光落在视网膜上时,视细胞吸收了光能,使视细胞中含有的视紫质分解,并刺激神经末梢,形成生物脉冲(生物电流),通过视神经把信息传导到大脑后部的视觉皮层,经大脑的综合处理而形成视知觉。视网膜上的感光细胞有两种:锥体细胞和杆体细胞。锥体细胞的功能是在白昼看物体,而且可看到物体的颜色;杆体细胞在黄昏光线下活跃,在夜视中起作用,但它们不能感知到颜色。

显然,视知觉的强弱应取决于落到视网膜上的光的强弱,也就是取决于视网膜上的照度。视网膜上的照度虽然是由观察目标发出(包括反射或透射)的光强度决定的,但还要受到其他生理因素的影响,例如瞳孔的大小、眼睛成像系统对光的吸收作用以及眼睛的调节机能。

2 视觉特性

(1) 视觉阈限

能引起光觉的最低限度的光量称为视觉的“绝对阈限”。一般用亮度来度量,故又称为亮度阈限。

当呈现时间少于0.1s、视角不超过10°的条件下,其视觉阈限值遵守里科定律,即:亮度×面积=常数;也遵守帮森罗斯科定律,即:亮度×时间=常数。也就是说,目标越小,或呈现的时间越短,越需要更高的亮度才能引起视觉。实验证明,对于在人眼中长时间出现的大目标,视觉的绝对亮度阈限约为10-6cdm2;视觉可以忍受的亮度上限约为106cdm2,超过这个数值,视网膜就会因为辐射过强而受到损伤。

视觉的亮度阈限与目标物的大小、目标物发出的光的颜色以及目标物呈现的时间长短等因素有关。

(2) 明视觉、暗视觉与中间视觉

明视觉

环境亮度超过10cdm2,椎体细胞的工作起主要作用,这种视觉状态称为明视觉。

在明视觉条件下,人眼可以感觉的光谱范围约为380780nm,但对各种色光的感受是不同的,明视觉条件下的光谱光效率即反映了这种不同的感觉。在明视觉条件下,波长较长的光谱(如红光与黄光)显得明亮。

暗视觉

环境亮度低于10-2cdm2,杆体细胞的工作起主要作用,这种视觉状态称为暗视觉。

在暗视觉条件下,因为杆体细胞对颜色无法分辨,因此人们看到的物体部是灰蒙蒙的,都成了无彩色的。实际上,在暗视觉条件下,人们对507nm的光敏感性最大。

中介视觉

当环境亮度在10-210cdm2之间时,椎体细胞、杆体细胞同时起作用,这时的视觉特性既不同于明视觉,也不同于暗视觉,此时将介于明视觉与暗视觉之间。这种视觉状态常称为中介视觉,也可称为间视觉、介视觉或黄昏视觉。

(3) 暗适应与明适应

在现在和过去呈现的各种亮度、光谱分布、视角的刺激下,视觉系统状态的变化过程称为视觉适应。视觉适应分为明适应与暗适应。

暗适应

视觉系统适应低于百分之几cdm2亮度变化过程及终极状态称为“暗适应”。

在明视觉条件下几乎所有杆体细胞的视紫质被分解,而很少还原,因此无法维持杆体视觉。当从明亮处进到黑暗处时,在维生素A的作用下,视紫质将逐步还原。到7min左右时,锥体细胞吸收的光能过于微弱,不能使视紫质分解,基本退出工作,而很大一部分杆体细胞中的视紫质被还原,此时杆体细胞吸收微弱光能就可使视紫质分解,并在维生素A的作用下还原,大约30min,分解和还原反应达到动态平衡,形成杆体视觉,这就是暗适应的过程。

视场内明暗急剧变化时,人眼不能很快适应,视力下降。为了满足眼睛适应性的要求,譬如,隧道的照明设计应考虑暗适应因素,即在隧道入口的一段距离内应有过渡照明,亦即隧道入口处亮度应高些,然后逐渐降低亮度,使司机有个适应过程,而隧道出口处因明适应时间很短,一般在1s以内,故可不作其他处理。

明适应

视觉系统适应高于几cdm2亮度变化过程及终极状态称为“明适应”。

从暗处刚到明亮处时,光刺激突然加强,使大量杆体细胞的视紫质分解,形成强的生物电脉冲,并传导到大脑皮层,引起刺眼的感觉。这个过程约需0.5min,这期间绝大部分杆体细胞的视紫质被分解,且很少被还原,因此无法维持杆体视觉。

0.5min,因杆体细胞退出工作状态,而锥体细胞已有足够的光能使其视紫质分解,因此逐步进入了工作状态,并逐步恢复了锥体视觉。约再过0.5min,眼睛就能恢复正常的锥体视觉。

(4) 对比灵敏度与可见度

任何视觉目标都有它的背景,目标与背景之间在颜色或亮度上的差别,是人在视觉上能认知世界事物的基本条件。前者称颜色对比,后者称亮度对比,也是这里主要讨论的一种对比。

对比灵敏度

设背景亮度为Lb,被观察的目标物的亮度为Lo,则它们的亮度差ΔL:

ΔL=Lo-Lb(1.25)

目标物和背景的亮度差与背景亮度之比称为目标物的亮度对比C

C=Lo-LbLb=ΔLLb(1.26)

把眼睛刚刚能辨别出目标物时的目标物与背景之间的最小亮度差称为临界亮度差Lp,临界亮度差与背景亮度之比称为目标物的临界亮度比Cp

Cp=ΔLpLb(1.27)

临界亮度对比的倒数称为对比灵敏度Sc

Sc=1Cp=LbΔLp(1.28)

当目标物的亮度大于背景亮度时,目标物的亮度对比C的值在0~∞范围内。但实际上,当目标物亮度超过106cdm2时就会灼伤眼睛,而背景亮度为0,一般只在考虑亮度阈限时用,故正常视觉时亮度对比均小于∞。当目标物亮度小于背景亮度时,它们的亮度差应取绝对值,而亮度对比的值在01范围内。

可见度

目标物的实际亮度对比C与其临界亮度对比Cp之比称为该目标物的可见度V

V=CCp(1.29)

当背景亮度一定时,该目标物的临界亮度对比是确定的,因此,目标物的实际亮度对比越大,则可见度就越大;反之,目标物的实际亮度对比越小,则可见度就越小。当实际亮度对比等于临界亮度对比时,可见度刚好等于1,即达到临界可见条件。

可知,临界亮度对比随背景亮度的增加而减小。可见度与临界亮度对比成反比,所以可见度随背景亮度的增加而增大。实际上,目标物的可见度将取决于视角、背景亮度和亮度对比这三个因素。

(5) 眩光

由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜,或存在极端的对比,以致引起人眼的不舒适感觉或者降低观察细部(或目标)的能力,这种视觉现象统称为“眩光”。按其评价的方法,前者称为“不舒适眩光”,后者称为“失能眩光”。

产生眩光的主要原因可分成两种:一种是由于视野内的亮度分布不恰当,即在视野内出现了不同的亮度,形成大的亮度对比;另一种是由于视野内亮度范围不合适,亦即视野内出现了太亮的发光体。

1.1.5光与颜色

颜色起源于光。波长不同的单色光会使人有不同的色觉,即具有不同的颜色。

1 颜色的形成

(1) 光源色

因发光体发出的光而引起人们色觉的颜色称为光源色。我们日常见到的光源都是由各种波长的单色辐射混合而成的复合光,它们的表现颜色有复合光中各种波长的单色辐射功率分布(光谱能量分布)决定的。

(2) 物体色

材料对光源中各种波长的单色辐射有选择性地反射或透射后呈现的视觉效果称为物体色。物体色取决于物体表面的光谱反射比或材料的光谱透射比;也取决于光源的光谱能量分布。

2 颜色的基本特性

颜色可以分为两大类:非彩色和彩色。

非彩色是指黑色、白色和介于两者之间的深浅不同的灰色,称为黑白系列或无色系列,从黑色开始,依次逐渐地到深灰色、中灰色、浅灰色、白色。

彩色是指黑白系列以外的各种颜色。根据波长不同,彩色可以依次排成一个系列:紫、蓝、青、绿、黄、橙、红。

颜色具有三个基本特性:色调、彩度和明度。

(1) 色调

可见光谱不同波长的光在视觉上的表现称为色调,又称色相。可见光谱不同波长的辐射,在视觉上表现为各种色调,如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。各种单色光在白色背景上呈现的颜色,就是光谱的色调。

(2) 彩度

彩度是指颜色的深浅程度。某种颜色的彩度高,是表示这种颜色深,例如深红、深绿等。反之,若彩度低,则表示这种颜色浅,例如浅红、浅绿等。

实际上,彩度指的是彩色的纯洁性,可以用来反映光线波长范围的大小。可见光谱的各种单色光彩度最高,光谱色掺入白光成分越多,则彩色越低。

(3) 明度

明度是指颜色的明暗程度。光源色的明度反映的是光的强弱,光线越强,则明度越高;光线越弱,则明度越低。物体颜色的明度则反映为光反射比的变化,反射比大的颜色明度高,反之明度低。

各种颜色都可以用上述三个基本特性来表征,但只有彩色系列具有完整的三个特性,黑白系列只有明度,彩度为0,没有色调。

3 颜色混合

颜色混合可以是颜色光的混合,也可以是物体颜色(彩色涂料)的混合,这两种混合结果不同。光的混合遵循加法规律,彩色涂料的混合遵循减法规律。

(1) 加法混色

将各种不同色的色光分别投射在某一白色背景上,可分辨出各种不同的颜色。如果把不同色的色光同时投射在同一白色背景上,那么可获得与各原光源色不同的颜色,这就是光源色的混合。

自然界中,人眼能够感知和辨认的每一种颜色都能用红、绿、蓝这三种颜色匹配出来。但是,这三种颜色中无论哪一种都不能由其他两种颜色混合产生。因此,在色度学中将红(700nm)、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm)称为三原色。

1854年格拉斯曼将颜色光的混合现象归纳为颜色混合定律。包括:

补色律

当一种色光与另一种色光相混合时,如果产生的混合色光是非彩色的白色或灰色光,那么这两种色光的颜色就称为互补色,其中一种色光的颜色是另一种色光颜色的补色。例如,红色光与青色光混合可以获得白色光,所以红色与青色为互补色,红色是青色的补色,青色是红色的补色。同理,绿色与品红色是互补色,蓝色与黄色是互补色。

中间色律

混合两种非互补的色光,将产生新的混合色光,这种混合色将介于两种颜色之间,称为中间色。例如,红色光与绿色光混合可以获得黄色光,蓝色光与绿色光混合可以获得青色光。不断改变两种色光的比例,可以获得无数种中间色。

替代律

产生相同色觉的色光(亦即表现颜色相同的色光),即使其光谱成分不相同,但在颜色混合中具有相同的效果,可以互相替代。例如:

颜色A=颜色B

颜色C=颜色D

:颜色A+颜色C=颜色B+颜色D

根据替代率,可以利用颜色混合方法来产生或代替各种需要的颜色,现代色度学就是建立在此定律基础上的。

亮度叠加律

在色光混合时,混合色光的强度等于组成混合色光的各原色光的强度之和。因此,混合色光颜色的明度是各原色光颜色明度的叠加。

(2) 减法混色

彩色涂料的混合以及不同颜色滤光片的组合,与上述相加混合不同,它们是相减混合。

彩色涂料对于光的选择反射是颜色相减的过程。深红色的涂料吸收了白光中大量的蓝和绿,只反射红光,也就是它从入射光中减掉了蓝光和绿光。同样的道理可以说明一块黄色的滤光片由于减掉了蓝色,透过红色和绿色,红光和绿光混合而呈黄色。

在颜色减法混合中应用的三个减法原色,分别是加法三原色红、绿,蓝的补色,即青、品红和黄。青色吸收光谱中红色部分,透过或反射其他波长的辐射光,称为“减红”原色,是控制红色用的;“减红”原色印在白纸上用白光照射时是蓝绿色,即青色。品红为“减绿”原色,是控制绿色的,印在白纸上为红紫色,称为品红。“减蓝”原色印在白纸上呈黄色,用来控制蓝色。

当两种颜料混合成两个滤光片重合时,有重叠相减的效果,并且相减混合得到的颜色总是比原来的颜色暗一些。例如,将黄色滤光片与青色滤光片重合,由于黄片减蓝,青片减红,重叠相减只透过绿色。同样,品红和黄色颜料混合,因品红减绿、黄色减蓝而呈红色。将品红、黄、青这三种减法原色混合在一起,则彩色全被减掉而呈现黑色。

掌握颜色混合的规律,一定要注意颜色相加混合与颜色相减混合的区别,而不能误用日常配色经验。切忌将减法原色的品红误认为红,将青误认为蓝,以为红、黄、蓝是减法三原色,造成与加法原色的红、绿、蓝混淆不清。

4 表色系统

光源的颜色和环境的色彩通过视觉影响着人们。它不仅直接影响视觉的生理机能,还影响人的心理状态。因此,照明质量的评价不只考虑光的强度,还要顾及光源和环境的颜色。人们借助表色系统将颜色进行分类,并用数字、字母加以表示。常见的表色系统有两种:孟塞尔(Munsell)表色系统;CIE(国际照明委员会)标准色度学系统。

(1) 孟塞尔表色系统

孟塞尔表色系统是以颜色的3个特征为依据,用一个模型(称孟塞尔立体)将颜色的色调H、明度V和彩度C进行标号,通过对比孟塞尔颜色图册可以用符号和数字对各种颜色进行描述和标定。

色调H(孟塞尔色调)

按照红(5R)、黄红(5YR)、黄(5Y)、绿黄(5GY)、绿(5G)、蓝绿(5BG)、蓝(5B)、紫蓝(5PB)、紫(5P)、红紫(5RP)分成10种色调,每种色调又各自分成从010的感觉上的等距指标,共有40种不同的色调。

明度V(孟塞尔明度)

孟塞尔颜色立体示意图,对同一色调的色彩来说,浅的明亮,深的阴暗。其中光波被完全吸收而不反射者为最暗,明度定为0;光被全部反射而不吸收者为最亮,明度定为10;在它们之间按感觉上的等距指标分成10等分来表示其明度,在实际使用中只用明度19。明度与反射比的关系。

彩度C(孟塞尔彩度)

对相同色调、相同明度的色彩来说,颜色又有深浅之分,颜色深浅的程度称为彩度。一块颜色样品离开中央轴的水平距离表示彩度的变化。孟塞尔颜色图册中以每2个以上等级为间隔制作颜色样卡。在中央轴上,中性色的彩度为0。离中央轴越远,则彩度越大,并且不同颜色的最大彩度是不同的,个别最饱和颜色的彩度可达20

(2) CIE标准色度学系统

研究证明,光谱的全部颜色可以用红、绿、蓝这三种光谱波长的光混合得到,这就是颜色视觉的三原色学说。CIE标准色度学系统是以颜色视觉的三原色学说为依据,通过光的等色实验确定由色刺激表示的体系。不同的颜色[C]可以由三原色红(700nm)、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm)相加混合来表示,即:

C]≡rR+gG+bB(1.30)

式中:[C ——某种特定颜色(或被匹配的颜色)

R]、[G]、[B]——红、绿、蓝三原色;

rgb——红、绿、蓝三原色的比例系数,且满足r+g+b=1

≡——匹配关系,即在视觉上颜色相同,而能量或光谱成分却不同。

例如,蓝绿色用颜色方程式表示时,可写成:[C]≡0.06R+0.31G+0.63B]。

另外,匹配白色或灰色时,三原色系数必须相等,即满足r=g=b

如果[R]、[G]、[B]三原色相加混合得不到相等的匹配时,可将三原色之一加到被匹配颜色的一方,以达到相等的颜色匹配,此时,中有一项必为负值,给计算带来不便。1931CIE又规定了一个新的系统,CIEXYZ系统。另用3个假想的原色XYZ来代替RGB,任何一种颜色()可以表示成:

C]≡XX+YY+ZZ](1.31

式中:XYZ——三色刺激值,由下式计算:

X=Km780380P(λ)(λ)dλ

Y=Km780380P(λ)(λ)dλ

Z=Km780380P(λ)(λ)dλ(1.32)

式中:P(λ)——光源的光谱功率分布函数;

Km——明视觉的最大光谱光效能,取值683lmW

(λ)(λ)(λ)——CIE标准色度观察者三刺激值。

131931CIEXYZ系统标准色度观察者光谱三刺激值曲线

根据光谱的三色刺激值XYZ可以按下式计算颜色的色坐标xyz

x=XX+Y+Z

y=YX+Y+Z

z=ZX+Y+Z(1.33)

式中:xyz——XYZ系统的色度坐标,且有x+y+z=1

因此,色度坐标中的3个值只要知道其中2个即可求出第3个值。把各种波长光谱色的色度坐标(x,y)画在色度直角坐标上,可得光谱色的色度轨迹。

可看出光谱色色度轨迹呈马蹄形,马蹄形轨迹上每一点表示的均是光谱色的色度坐标,其色调由它的波长决定,彩度最高。380780nm的连线称为底线,线上各点表示的是紫色与红色相加混合的各种混合色,没有一种光谱色与之相同,因此色调无法用波长来表示,但彩度仍为最高。马蹄形轨迹和底线包围的范围内任意一点都有相应的颜色与之对应,但均属于混合色。等能白光E的色度坐标是x=y=z=0.3333,因此组成等能白光色的三刺激值也相等,X=Y=Z

还画出了以三原色红(700nm)、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm)的色度坐标为顶点的三角形,这才是真正的颜色三角形,只有在此三角形范围内的颜色才能用三原色混合而成。在该颜色三角形之外的颜色,虽然在XYZ系统中它们的色度坐标等值不再出现负值,但并不能改变无法用三原色混合而成的现实。

5 光源颜色

照明光源的颜色质量常用两个性质不同的术语来表征:光源的色表和光源的显色性。光源的色表,即人眼观看光源所发出光的颜色(灯光的表现颜色);光源的显色性,即光源照射到物体上所显现出来的颜色。光源的色表与显色性都取决于辐射的光谱组成。但是,不同光谱组成的光源可能具有相同的色表(同色异谱),而其显色性则有很大差异。同样,色表有明显区别的两个光源,在某种情况下还可能具有大体相等的显色性。所以不可能从一个灯的色表作出有关它的显色性的判断。

(1) 光源的色表

在照明应用领域,常用色温定量描述光源的色表。当一个光源的颜色与黑体(完全辐射体)在某一温度时发出的光色相同时,黑体的温度就称为该光源的色温,符号为TC(K)

黑体是既不反射也不透射、能把投射到它上面的辐射全部吸收的物体。黑体加热到高温时便产生辐射,黑体辐射的光谱功率分布完全取决于它的温度。在800900K的温度下,黑体辐射呈红色,3000K呈黄白色,5000K左右呈白色,800010000K之间呈淡蓝色。我们把色温小于3300K的颜色称为暖色调,色温大于5300K的颜色称为冷色调,介于两者之间的称为中间色。

热辐射光源,如白炽灯,其光谱功率分布与黑体辐射非常按近,都是连续光谱,因此,色温能恰当地表示热辐射光源的颜色。

对于非热辐射光源,如荧光灯、高压汞灯,它们的光功率分布形式与黑体辐射相差甚大。因此,用与某一温度黑体辐射最接近的颜色来近似确定这类光源的色温,称为相关色温。

(2) 光源的显色性

物体色随不同照明条件而变化。物体在待测光源下的颜色与它在参照光源下的颜色相比的符合程度,定义为待测光源的显色性。

国际照明委员会(CIE)及我国制定的光源显色性评价方法,都规定相关色温低于5000K的待测光源以完全辐射体作为参照光源,它与早晨或傍晚时日光的色温接近;色温高于5000K的待测光源以组合昼光作为参照光源,它相当于中午的日光。在光源显色性评价方法中,显色指数的最大值定为100,一般认为:

Ra=10080,显色性优良;

Ra=7950,显色性一般;

Ra<50,显色性较差。

具有相同光谱功率分布的光源具有相同的色表,但是色表相同的光源可能具有不同的光谱功率分布,从而具有不同的显色性。例如,白炽灯呈黄色,高压钠灯也呈黄色,它们的色表相近,但是其显色性相差甚远,白炽灯的显色性远大于高压钠灯的显色性。

6 灯光色彩的视觉现象

(1) 色彩对比

在视野中对一块颜色的感觉由于受到它邻近的其他颜色的影响而发生变化的现象称为色彩对比。色彩对比是不同颜色区域间的相互影响,可以分为诱导区和注视区。在一块红色背景上放一小块灰纸,注视灰纸几分钟,这块灰纸就会表现出略带绿色。如果背景是黄色,灰纸就呈现蓝色。这是常见的色彩同时性对比现象。每种颜色在其邻近区都会诱导出它的补色。或者,由于两种相邻颜色的互相影响而使每种颜色都向另一种颜色的补色方向变化。

色彩对比现象不仅表现在色相方面,也表现在明度方面,在白色背景上的灰纸片看起来发暗,而在黑色背景上看起来发亮,这就是颜色的明度对比现象。

另一种色彩对比现象是继时性颜色对比。在灰色背景上注视一块颜色纸片几分钟,然后拿走纸片,就会看到在背景上有原来颜色和补色,这种颜色后效现象称为负后像。同样,在灰色背景上注视白纸片以后.在白色纸片原来位置会出现较暗的负后像。如果注视黑纸片,会出现较亮的负后像。这是明度继时对比。

(2) 色彩常性

视网膜像是光刺激在视网膜上的直接成像,它随照度大小及照明的光谱特性而变化。但在日常生活中,人们一般可以正确地反映事物本身固有的颜色,而不受照明条件的影响,物体的颜色看起来是相对恒定的。这种现象称为色彩知觉的常性.如黑色的煤在烈日照射下仍被看成黑色,白纸在阴影中仍被看成白色。

色彩常性是被照物体的一个重要特性。但由于物体表面状况、光环境及观察方式的变化,色彩常性则会受到影响。因此,在光环境设计时应注意以下几点,以保证物体的色彩常性:

有足够的照度;

避免强烈的影子或高光;

尽可能减少眩光;

光源显色性要好;

在照明较差的表面上应采用高彩度或高明度的颜色;

光源位置应能清楚地被察觉但不至于产生眩光;

减小有光泽的面积;

白色表面应分散在视野的周围;

能看出物体表面的质地。

(3) 疲劳感

色彩的彩度越强,对人眼的刺激就越大,越容易使人疲劳。一般暖色系的色彩比冷色系的色彩疲劳感强,绿色则不显著。许多色相在一起,明度差或彩度差较大时,容易感到疲劳。故在室内色彩设计中.色相数不宜过多,彩度不宜过高。色彩的疲劳感又会引起彩度减弱。明度升高,逐渐呈灰色(略带黄)的视觉现象即为色觉的褪色现象。

(4) 注目感

注目感即色彩的诱目性,就是在无意观看情况下,容易引起注意的色彩性质。具有诱目性的色彩,从远处能明显地识别出来。建筑色彩的诱目性主要受其色相的影响。光色的诱目性由高到低的顺序是红、青、黄、绿、白;物体色的诱目性顺序是红、橙、黄。如殿堂、牌楼等的红色柱子、走廊及楼梯间铺设的红色地毯就特别注目。

建筑色彩的诱目性还取决于它本身与其背景色彩的关系。如在黑色或中灰色的背景下,诱目的顺序是黄、橙、红、绿、青,在白色的背景下的顺序是青、绿、橙、黄。各种安全及指向性的标志,其色彩的设计均考虑诱目性的特点。