周曉易，周拓陽，鄧 野

(中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 100081)

引言

隨著大型水面艦船武器裝備的數(shù)字化與集成化發(fā)展，工作艙室控制臺的顯示屏大小各異、種類繁多，導致艙室內(nèi)光環(huán)境變得日益復雜。艙室光環(huán)境設計作為人-機-環(huán)設計的重要組成部分，對作業(yè)人員準確及時地獲取態(tài)勢信息、保證操作效率及減緩視覺疲勞均起到不可忽視的作用。影響工作艙室光環(huán)境質(zhì)量的因素包括照度及照度均勻度、亮度分布、照明穩(wěn)定性、眩光等，其中眩光是影響光環(huán)境質(zhì)量最主要的因素[1]。造成工作艙室眩光的原因包括燈具發(fā)光角度不合理、燈具布置位置未充分考慮臺位的設置、艙室高度過低等。如何對眩光進行科學評估是評判工作艙室光環(huán)境設計質(zhì)量的前提條件之一，對于指導大型水面艦船工作艙室光環(huán)境設計具有重要意義。

眩光是一種產(chǎn)生不舒適感，或降低觀看主要目標的能力，或兩者兼有的不良視覺環(huán)境。一般由視野中不適宜的亮度分布、懸殊的亮度對比引起。國際照明委員會(CIE)對眩光作如下定義：由于光亮度的分布或范圍不適當，或?qū)Ρ榷忍珡?，引起不舒適感或分辨細節(jié)物體能力減弱的視覺條件。根據(jù)對視覺影響程度的不同，眩光分為不舒適眩光和失能眩光，其中不舒適眩光是指產(chǎn)生不舒適感但不一定削弱目標可見性的眩光[2]，即心理眩光。失能眩光是指在視野內(nèi)使人的視覺功能在一定程度上受損的眩光。失能眩光主要發(fā)生在室外照明環(huán)境中，如大型體育場照明，而像艦船工作艙室這種室內(nèi)照明產(chǎn)生的眩光大多屬于不舒適眩光范疇。

1 不舒適眩光評估方法

室內(nèi)不舒適眩光評估方法的研究有GI(英國眩光指數(shù)評價方法)、VCP(美國視覺不舒適概率評價方法)、亮度限制曲線評價方法、CGI(CIE眩光指數(shù)法)及UGR(統(tǒng)一眩光值評價方法)等五種眩光評估方法。這些方法中除亮度限制曲線評價方法外均采用一個基本相似的公式計算出一組照明設施所產(chǎn)生眩光的不舒適感受。這些公式雖然各不相同，但是對于一個單獨的眩光源來講，它們均具有下列形式：

(1)

式中：G為眩光感受，Ls為眩光源的亮度；ω為眩光源相對于眼睛所張的立體角；Lb為背景亮度；P為眩光源偏離視線的程度，稱作位置指數(shù)；a、b、c、d為指數(shù)。

每一項的指數(shù)在不同的公式中是不同的，但如果眩光源的亮度提高、眩光源的立體角增加、背景亮度降低以及視線對眩光源偏離的減少，均會增加該眩光源的不舒適感覺。

1.1 GI

GI[3]法是英國Petherbridge和Hopkingson在20世紀50年代發(fā)展出來的，該評價方法主要是在實驗室中由被試對呈現(xiàn)在某一背景亮度前的一個亮斑的視覺舒適程度進行主觀評價而來，后來作為英國眩光指數(shù)系統(tǒng)被編入英國室內(nèi)照明規(guī)范。

對于單個眩光源而言，該系統(tǒng)的公式為

(2)

式中各符號的意義與式(1)相同，但是其背景亮度中不包含眩光源自身的亮度。

對于若干個眩光源的綜合作用，GI法是用下列公式將各個燈具的影響綜合起來：

GI=10log10(0.5∑G)

(3)

GI的數(shù)值在10～30之間，其中10表示感覺不到眩光，30表示感覺到非常不舒適的眩光。

1.2 VCP

VCP[4]法是20世紀60年代北美照明工程學會(IESNA)根據(jù)Guth的工作提出來的。

該評價方法對于單個眩光源的公式為

(4)

式中：Q=(20.4ω+1.52ω0.2-0.075)；F=視野(包括眩光源)的平均亮度；其余符號與式(1)中意義一致。

對于多個眩光源產(chǎn)生的眩光感覺，是用式(5)將它們綜合起來形成不舒適眩光評價(DGR)：

DGR=(∑Mn)a

(5)

式中a=n-0.0914；n=眩光源的數(shù)量。

再將DGR轉(zhuǎn)換成VCP，所謂VCP(視覺舒適概率)即有百分之幾的人認為可以接受DGR所代表的眩光條件。為便于將DGR轉(zhuǎn)換成VCP，IESNA提供了一個圖表供設計人員使用[5]。

一般來說，當VCP>70時，就表示一致認為不會出現(xiàn)不舒適眩光。

1.3 亮度限制曲線評價方法

英國GI眩光指數(shù)評價方法和美國VCP視覺不舒適概率評價方法對于照明場景中多個眩光源對人視覺的影響均通過將單個眩光源的眩光感受累加而來，有部分學者對此做法感到并不滿意[5]。

德國Bodmann等用1/3比例的辦公室模型，以不同類型配光的熒光燈燈具進行眩光評價實驗。實驗采用了7級量表來評價眩光不舒適的程度，其中：0級為無眩光，1級為介于不存在眩光至不顯著眩光之間，2級為顯著眩光，3級為介于顯著眩光至討厭眩光之間，4級為討厭眩光，5級為介于討厭至不能忍受的眩光之間，6級為不能忍受的眩光。他們在評價實驗中發(fā)現(xiàn)，只有燈具亮度、房間長度和燈具的懸掛高度、適應亮度及燈具的類型五個因素顯著地影響眩光評價結(jié)果。后來，經(jīng)過Sollner和Fisher[6]的工作發(fā)展，建立了歐洲眩光限制曲線系統(tǒng)，CIE將它作為眩光評價的暫行推薦方法。

雖然亮度限制曲線評價方法在發(fā)展的過程中使用真正的燈具，并由人來進行評價。但是該方法具有現(xiàn)實的缺點，它只能預測由照明燈具產(chǎn)生的不舒適眩光，而GI眩光指數(shù)評價方法和VCP視覺不舒適概率評價方法能夠同時預測燈具及室內(nèi)表面反射率的改變對眩光產(chǎn)生的影響。

1.4 CGI

CIE眩光指數(shù)法[7]是基于Einhorn提出的眩光評價模型發(fā)展形成的。

Einhorn提出的公式原型為：

(6)

式中：CGI為CIE眩光指數(shù)；L為眩光源的亮度；ω為眩光源相對于眼睛所張的立體角；P為Guth位置指數(shù)；Ed為眼睛中所有光源的直接垂直照度；Ei為眼睛中的間接照度。

由于式(6)計算所得的眩光指數(shù)值范圍與英國眩光指數(shù)法和南非眩光指數(shù)法計算所得的數(shù)值范圍相差較大，為保持一定的參考性，在CIE第19屆會議上，Einhorn根據(jù)討論的結(jié)果，將公式調(diào)整為

(7)

由此，CGI的范圍變?yōu)?0～30，與英國眩光指數(shù)和南非眩光指數(shù)的范圍基本一致。

1.5 UGR

1987年，Sorensen在Einhorn的CGI基礎上提出了UGR統(tǒng)一眩光值評價方法，計算公式如下：

(8)

式中UGR為統(tǒng)一眩光值，其余符號意義與式(1)一致。

UGR統(tǒng)一眩光值評估公式輸出的是一個能預測視覺環(huán)境中光源引起的主觀不舒適感受的心理參量[8]。其實際值的范圍介于10～30之間，其中UGR<10被認為無明顯的眩光感覺[9]。

但是在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)該評價方法在評價不同大小光源眩光時的結(jié)果與眩光主觀感受之間存在輕微的差異，主要體現(xiàn)在當評估較大光源的眩光時UGR值偏低，而對于較小的光源UGR值則會偏高。文獻[10]中定義了一般光源為投影面積介于0.005～1.5 m2的光源，將小光源定義為投影面積小于0.005 m2(相當于直徑為80 mm的圓)的光源，將大光源定義為投影面積大于1.5 m2的光源。研究表明式(8)適用于評價投影面積介于0.005～1.5 m2之間一般光源的眩光，因此，針對其他尺寸大小的光源的UGR眩光指數(shù)計算公式需在式(8)的基礎上做略微調(diào)整。

1)小光源的眩光評價。德國Karlsruhe大學和南非Cape Town大學的研究結(jié)果表明，小光源產(chǎn)生的眩光使用光強和投影面積代替亮度和立體角來計算UGR值更為準確，即將UGR公式修正為：

(9)

式中：I為光源在眼睛方向的光強，r為光源離眼睛的距離，其余參數(shù)同式(1)。

2)大光源的眩光評價。對于發(fā)光頂棚大光源的眩光評價，可采用Hopkingson建議的較為簡單的規(guī)則，即：

若要求UGR≤13，則平均照度需≤300 lx；

若要求UGR≤16，則平均照度需≤600 lx；

若要求UGR≤19，則平均照度需≤1 000 lx；

若要求UGR≤22，則平均照度需≤1 600 lx。

對于發(fā)光頂棚與一般燈具之間的過渡燈具，為了區(qū)別一般光源的UGR，這里采用GGR，公式如下：

(10)

GGR的值(用于大光源)提供的評價與UGR的值(用于一般光源)相同。例如GGR=21預計的眩光感覺與UGR=21的眩光感覺是一致的。

Akashi[11]通過被試主觀評價實驗研究得到UGR指數(shù)與眩光的主觀不舒適感受之間的相關(guān)系數(shù)達到0.89，因此該公式被認為是目前為止評估效果最理想的室內(nèi)不舒適眩光的評估模型。

GB 50034—2013《建筑照明設計標準》已明確采用UGR指數(shù)法對各種不同功能的室內(nèi)環(huán)境進行不舒適眩光等級的規(guī)定。同時，標準提出統(tǒng)一眩光值(UGR)的應用條件應符合下列規(guī)定[12]：

1)適用于立方體形式室內(nèi)空間的一般照明，不適用于采用間接照明和發(fā)光天棚的房間；

2)照明光源應為雙對稱配光；

3)坐姿觀測者眼點高度取1.2 m，站姿觀測者眼點高度取1.5 m；

4)同一類照明燈具為均勻布置。

2 工作艙室眩光評價模型

2.1 大型水面艦船工作艙室光環(huán)境特點

大型水面艦船工作艙室內(nèi)的發(fā)光源主要包括艙頂照明燈具、顯示大屏、控制臺屏幕、內(nèi)帶光源的按鈕、各類指示燈等。由于艦船工作艙室空間有限，艙頂有效高度一般為距離地板面2 m左右，因此，照明燈具、帶光按鈕、指示燈等光源易直射進入作業(yè)人員的視野范圍，在亮度對比過大時造成直射眩光現(xiàn)象，如圖 1(a)所示；隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，目前艦船裝備均以電子化為主，電子顯示屏、指示燈等成為作業(yè)人員與裝備之間的主要人機界面。照明燈具光源經(jīng)各類顯示屏表面反射，易進入作業(yè)人員的視野范圍，從而造成反射眩光現(xiàn)象，如圖1(b)所示；此外，作業(yè)人員視野范圍內(nèi)會同時存在直射眩光與反射眩光兩種眩光，如圖 1(c)所示。

圖1 大型水面艦船典型工作艙室眩光Fig.1 Glare in typical working cabin of large surface warship

由圖1可知，大型水面艦船典型工作艙室光環(huán)境的特點可總結(jié)如下：

1)工作艙室一般為立方體封閉空間，照明方式為直接照明；

2)照明燈具一般包括日光燈與局部照明燈，均為均勻布置，光源均屬于雙對稱配光形式；

3)眩光種類不單一，通常直射眩光與反射眩光同時存在于作業(yè)人員的觀察視野范圍內(nèi)；

4)眩光來源途徑較多，通常包括各種照明燈具、顯示屏、按鈕、指示燈等；

5)單個眩光的面積較小，照明燈具、顯示屏光源通常投影面積介于0.005～1.5 m2之間，屬一般光源范疇，發(fā)光按鈕、指示燈通常投影面積小于0.005 m2，屬小光源范疇。

工作艙室作業(yè)人員主要采用坐姿操作，根據(jù)GJB/Z 131—2002《軍事裝備和設施的人機工程設計手冊》中我國作業(yè)人員身體尺寸數(shù)據(jù)，第五十百分位作業(yè)人員的坐姿眼高為1 249.4 mm[13]。

綜上所述，對于大型水面艦船工作艙室存在的眩光，符合UGR統(tǒng)一眩光值評價方法的應用條件，因此可采用UGR進行眩光計算評價。

2.2 大型水面艦船工作艙室眩光評價模型建立

大型水面艦船工作艙室光環(huán)境較為復雜，眩光源的形狀及大小各不相同，眩光源的數(shù)量往往也不唯一。若僅僅把這些眩光源歸為一般光源或小光源進行計算評價，所得結(jié)果將會出現(xiàn)較大偏差。從2.1節(jié)典型工作艙室光環(huán)境特點來看，艙室內(nèi)可能產(chǎn)生的單個眩光源尺寸絕大多數(shù)應屬于一般光源或小光源定義的范疇。因此，考慮這些不同大小眩光源對作業(yè)人員視覺的綜合影響，建立大型水面艦船工作艙室眩光UGR評價模型如下：

(11)

式中：m為一般光源總數(shù)；n為小光源總數(shù)；Lb為背景亮度；Li為第i個一般光源的亮度；ωi為第i個一般光源的立體角；Pi為第i個一般光源的位置指數(shù)；Ij為第j個小光源在眼睛方向的光強，rj為第j個小光源離眼睛的距離；Pj為第j個小光源的位置指數(shù)。

3 案例計算

對于處于設計初期的工作艙室，進行眩光評估相關(guān)參數(shù)的采集需依賴實物模型進行，大大增加了研制的風險和周期，因此，通過計算機視覺仿真的方法可有效避免上述問題。目前，眩光評估問題已在汽車駕駛?cè)藱C交互、飛機座艙人機界面設計中引起了學者的關(guān)注，視覺仿真方法也已在這些領(lǐng)域得到了初步的應用[14,15]。本文將采用基于CATIA平臺的SPEOS軟件進行視覺仿真，并獲取眩光評價所需的參數(shù)。

3.1 照明眩光場景構(gòu)建

以日光燈與局部照明燈兩種照明環(huán)境(兩種燈具均為常用艦船艙室用燈)，在SPEOS仿真環(huán)境中構(gòu)建典型照明場景，如圖2所示。

圖2 典型照明場景示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical lighting scene

場景中，所有照明燈具均為垂直向下照射，發(fā)光面距離地板均為2 000 mm。LED日光燈與局部照明燈具的參數(shù)如表1所示。

表1 艙室照明燈具參數(shù)列表Table 1 Parameters of cabin lights

在模型中，通過增加燈具、平移燈具的方式構(gòu)造六種不同的照明眩光場景，如圖3所示。從作業(yè)人員操作任務的角度而言，并非在所有位置產(chǎn)生的眩光都會對作業(yè)人員視覺的舒適性產(chǎn)生影響，應從作業(yè)人員坐姿操作時的眼點位置出發(fā)對其視野范圍內(nèi)產(chǎn)生的眩光進行計算評價。

圖3 六種不同眩光場景設置示意圖Fig.3 Schematic diagram of six different glare scene settings

基于P50作業(yè)人員的眼點位置，上述6種眩光場景的視覺仿真如圖4所示。

圖4 6種眩光場景視覺仿真圖Fig.4 Visual simulation of six glare scenes

3.2 參數(shù)獲取

通過SPEOS軟件運算并輸出.XMP文件，該文件記錄了仿真圖像及其每一個像素點的坐標、亮度、照度等光度學信息并具備一定的統(tǒng)計功能，以場景1為例，關(guān)鍵參數(shù)獲取如圖5所示。

圖5 場景1 SPEOS運算得到的.XMP文件截圖Fig.5 XMP file screenshots obtained by SPEOS operation for scene 1

UGR眩光值計算步驟如下：

1)采用.XMP文件自帶的自定義選取區(qū)域功能，統(tǒng)計計算視野范圍的平均亮度，這里選取視野范圍內(nèi)平均亮度值的4倍作為眩光源判定的閾值[16]，判定視野內(nèi)較亮光斑是否為眩光源；

2)根據(jù).XMP文件提供的眩光源的坐標信息，計算眩光的投影面積、位置指數(shù)、立體角等參數(shù)；

3)根據(jù)計算得到的眩光投影面積大小，選擇相應的計算公式；

4)采用.XMP文件自帶的自定義選取區(qū)域功能，計算眩光源、背景區(qū)域的平均亮度、眼位處照度等參數(shù)；

5)采用.XMP文件自帶的GetDepth功能采集眩光源幾何中心到作業(yè)人員眼點的距離；

6)累加所有視野范圍內(nèi)的眩光源的影響，綜合計算可得該照明場景下的UGR值。

其中，式(11)中的Lb、Li、rj可直接從.XMP文件中統(tǒng)計讀取，ωi、Ij、Pi、Pj可通過以下公式進行計算。

1)一般光源立體角ωi。對于任意曲面，立體角可用如下公式計算：

(12)

這里選取眩光源幾何中心與作業(yè)人員眼點連線的法平面上的投影面積，將式(12)簡化為

(13)

其中：AP為眩光源幾何中心與作業(yè)人員眼點連線的法平面上的投影面積；r為眩光源中心到人眼的距離。

2)小光源發(fā)光強度Ij。根據(jù)平方反比定律，光強與照度具有如下關(guān)系：

(14)

其中，I為反射光源的發(fā)光強度；E為光源在人眼處的照度；r為眩光源中心到人眼的距離。據(jù)此采集光源在作業(yè)人員眼點上照度再換算成發(fā)光強度。光源在人眼處的照度E可直接從.XMP文件中統(tǒng)計讀取。

3)光源位置指數(shù)。采用基于Luchiesh和Guth研究的位置指數(shù)，其表達形式有很多，如位置指數(shù)表、以人眼與光源之間夾角作為變量的位置指數(shù)表達式等。這里采用方便計算機運算的一種位置指數(shù)表達式[7]：

(15)

圖6 Guth位置指數(shù)表達式的坐標定義Fig.6 Guth coordinate definition of position index expression

通過三維作圖可直接得X、Y、Z，從而計算得到光源位置指數(shù)P。

3.3 計算結(jié)果

基于上述參數(shù)獲取方法，計算可得6種照明眩光場景下的UGR值，結(jié)果如表2所示。

表2 UGR值計算結(jié)果列表Table 2 UGR calculations results

4 評價方法驗證

4.1 驗證實驗平臺

為了驗證采用視覺仿真方法評估大型水面艦船工作艙室眩光的可行性，選取中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院艦船人因工程實驗室搭建的某系統(tǒng)半實物仿真平臺艙室作為驗證實驗平臺。該平臺的控制臺為目前大型水面艦船工作艙室常用的典型工作臺，照明燈具為LED亮度可調(diào)式日光燈及亮度色溫可調(diào)式局部照明燈，燈具的布置位置及懸掛高度可自由調(diào)節(jié)。

4.2 驗證實驗

驗證實驗采用的照明方案與第3節(jié)中的場景一致，實驗前，將燈具按照表 1進行參數(shù)調(diào)節(jié)并通過柔性調(diào)節(jié)裝置調(diào)整燈具與控制臺之間的相對位置。

實驗共選取12名被試，均為男性，年齡分布在24～32歲，身高在165～180 cm范圍內(nèi)。實驗開始前，不同身高的被試就坐在控制臺前并調(diào)整座椅面高度，使其眼點位置位于地面上方約1.25 m，控制臺前沿后方約0.10 m處，視線保持為垂直控制臺屏幕表面。首先讓被試對每種照明方案進行三分鐘的適應過程，使其主觀感覺趨于穩(wěn)定，然后根據(jù)該照明方案所引起的眩光感覺填寫主觀眩光評價量表。

主觀評價量表采用0～7級，并在文獻[11]中提到的相關(guān)實驗研究得出的主觀眩光感覺與UGR指數(shù)對應關(guān)系的基礎上調(diào)整了主觀感覺描述的表述方式，使各等級之間具有更好的區(qū)分度，主觀感覺等級與UGR指數(shù)值的關(guān)系如表 3所示。

表3 主觀感覺等級與UGR指數(shù)關(guān)系Table 3 Subjective sensory level and UGR index relationship

4.3 評價結(jié)果對比分析

通過實驗收集的每位被試對6種照明方案的主觀眩光感覺所對應的UGR評分、每種方案的被試評價對應UGR平均值以及借助計算機仿真方法計算獲得的眩光評估UGR值如表 4所示。兩種方法的評估結(jié)果趨勢對比如圖 7所示，可以看出主觀實驗得到的UGR平均值和仿真方法獲得的UGR值大小相近，且隨著照明方案的不同，通過以上兩種方式獲得的UGR值變化趨勢也基本相同。

表4 實驗評估及仿真計算UGR值Table 4 UGR of experimental evaluation and simulation

圖7 實驗與仿真方法眩光評估結(jié)果趨勢對比Fig.7 Comparison of glare assessment results by experiment and simulation methods

采用SPSS對實驗采集的主觀眩光感覺與仿真方法計算的眩光評估結(jié)果進行線性回歸分析，模型匯總?cè)绫?5所示，回歸直線與回歸方程如圖 8所示?；貧w模型的擬合優(yōu)度R2為0.962，表明仿真方法計算的眩光評估結(jié)果與主觀眩光感覺之間具有較好的線性相關(guān)性。表6給出了方差分析結(jié)果，回歸模型的F統(tǒng)計值為102.945，顯著性系數(shù)為0.001<0.05，進一步證明仿真方法所得結(jié)果與主觀評價之間的線性關(guān)系顯著，即該方法能夠有效地反映主觀眩光感覺，從而證明本文提出的基于視覺仿真方法的大型水面艦船工作艙室照明眩光評估方法可行。

圖8 實驗與仿真方法眩光評估結(jié)果Fig.8 Results of glare evaluation by experimental and simulation methods

表5 模型匯總Table 5 Summary of models

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Result of variance analysis

5 結(jié)論

本文對現(xiàn)有不舒適眩光常用評價方法進行了匯總，并結(jié)合大型水面艦船工作艙室的光環(huán)境特點提出了最適用的眩光評價方法，即一種基于UGR眩光評估公式與小光源UGR修正公式的眩光評估模型。為驗證眩光評價方法的可行性，本文選取了6種工作艙室典型照明場景，分別通過視覺仿真獲取關(guān)鍵參數(shù)計算UGR值的方法與被試主觀感受實驗的方法進行了對比分析，結(jié)果表明本文提出的眩光評價方法能夠有效地反映工作艙室人的主觀眩光感覺。該方法可用于設計階段的大型水面艦船工作艙室照明眩光評價，從而為艙室光環(huán)境人因工程設計提供指導。