LED显示屏眩光危害评价研究

引言

LED显示屏具有长寿命、大视角、宽亮域、易控制、功耗小等特点，作为现代化信息宣传和广告媒体，被广泛用于交通、工业、新闻广告、体育赛事、景观亮化等领域。随着LED显示屏行业快速发展和人民生活水平不断提升，LED显示屏所引发的光学污染问题越发受到行业关注和重视。

光污染主要是因人工光源所导致的生理或心理健康的伤害，包括：眩光危害、辐射污染、光源频闪、视觉疲劳等。光污染已经成为继大气污染、废水污染、固体废弃物污染、噪声污染之后的人类需要面临的五大污染之一，是严重影响人身健康的环境杀手，另外还会对交通出行安全、天文学观测、生态文明环境等方面造成不可忽略的危害。

LED显示屏造成光污染的最常见方式是眩光危害，过度眩光会影响和干扰行人和驾驶员的正常视线，严重时会导致眼睛虹膜和角膜不同程度伤害，造成视力下降甚至失明；在交通驾驶中眩光则容易使行人和驾驶员的注意力、反应控制能力下降，容易引起交通事故。

本文通过文献追踪、软件模拟、现场验证等研究手段，探寻户外LED显示屏眩光危害的特点和规律，建立户外LED显示屏眩光危害评价数学模型，提出适合户外LED显示屏眩光危害的评价方法和评价指标，为检测机构开展现场眩光测试提供依据、为相关国家或行业标准推出提供借鉴和参考。

1 眩光危害评价模型研究

1.1 眩光的定义和分类

眩光是指人眼视野中存在的极端化亮度对比，从而引发视觉不适，甚至会降低人眼可见度的一种视觉状态。眩光的危害结果不容忽视，轻者引起眼部稍微不适、心理烦躁感或者降低人眼的视觉可见度，严重时则可能导致导致眼睛失明。

眩光是严重影响人眼视觉的危害因素，它与眩光源的亮度和位置密切相关。按眩光危害的来源可以分为直接眩光和反射眩光；按眩光危害的效应可以分为不舒适眩光和失能眩光。

因视野中存在高强度的眩光源，这些眩光会导致各种杂散光在眼睛视网膜成像反复重叠，从而会降低被视物体人眼成像清晰度和对比度，从而引起人眼视觉能力受到损害的眩光统称为失能眩光。

根据人眼的光学机理和人眼视觉响应模型，人眼所感知的主观亮度与实际客观亮度不是完全一致，但也会有一定关联和对应关系。特别是在不同背景亮度和环境下时，尽管相同的亮度却给人眼不同的相对亮度感觉。比如在黑夜和白天，人眼对于同一个电灯的亮度感觉是完全相同的。

人眼的亮度视觉最明显的特点是对于被测目标的绝对亮度的判断能力较差，但是对于目标和背景之间的相对亮度差异的判断能力较强。人类的视觉系统响应主要是依赖目标与背景之间亮度对比，而非绝对亮度，定义为Weber亮度对比度：其中L∆为背景与目标之间的亮度比差，L为背景亮度。由上述对比度公式

可引申推出主观亮度S为：

式（2）中， k0为常数，B为客观亮度，k为和整个视场的的平均亮度的相关常数。

1.2 失能眩光评价理论依据

失能眩光的计算可分为以下两步骤：

第一步要计算影响和降低视网膜的图像对比和清晰度的入射到人眼的杂散光，该杂散光通过在视网膜上面具有等效作用的均匀亮度LV来进行表述。LV和LV, total的计算方法和条件主要源引于CIE 31-1976，失能眩光的计算模型（见图1）。

图中假定汽车顶棚的遮光角为20 °，则挡板之外的光源均不予考虑和计算，并要求对视野中的相对第1个光源来计算多个观察者和观察位置的等效光幕亮度LV，从中选取最大值进行计算。

第二步则是计算视力恢复的阈值条件，所需增加的亮度对比度（看到与看不到的边界条件），该增量称为阈值增量（TI）。相关研究表明，阈值增量不仅与光幕亮度密切相关，还和人眼适应能力和道路表面亮度相关。

人眼通过晶状体将物体聚焦于视网膜上（如图2所示），而从眩光源的光线也同时入射到眼球，大部分光学能量会根据入射方向将眩光源进行正确成像，但因眼球构造原因，不可避免会引起部分光线在眼球内散射，这些散射光分布于视网膜上，在视场内形成非视觉光幕，虽然这些能量占总入射能量的比重不大，但如果眩光源在人眼表面所形成的照度值比物体目标大的话，这种负面影响是不可忽略的。

图2为眩光形成的原理示意图，ω是眩光源相对眼睛所形成的张角，θ是眼睛和眩光源之间的夹角。

1.3 光幕亮度计算数学模型

光幕亮度应按照下式计算：

图1 失能眩光计算模型

图2 眩光形成原理图

其中：

Eeye, i是光源在观察者眼睛处、垂直于视线方向的平面上的照度值，单位lx（初始值）；

θi是光源中心与视线的夹角，单位°；

n 是光源数量；

k 是常数，它根据观察者的年龄而变化。当观察者年龄为23 岁时，它的值取10。其他年龄的常数k 可以从公式中计算出：

其中，A0是观察者的年龄。

在评估照明装置对使用邻近道路的驾驶者的影响时，应假定以下观察条件：

1）驾驶员的眼睛高度应在路面以上1.5 m处。

2）驾驶员的视线应与道路中心线平行，水平向下1 °。

3）车辆挡风玻璃的遮挡角度参考CIE 132-1999（CIE，1999）的假设。

这些是根据CIE 031-1976（CIE，1976）计算道路照明设施光幕亮度的观测条件。

在评估照明设施对行人的影响时，可使用计算驾驶员Lv的条件1和2。

在评估照明设施对其他交通信号系统（如铁路、航空）用户的影响时，应建立适合于适用于正常行进路线和方向的观测条件。这种情况可能要与有关当局协商确定。适用于LED显示屏的眩光指标计算模型总体来讲，其关键物理参数基本相同，包括以下：眩光源亮度、周围环境亮度、眩光源的发光尺寸、眩光源与观察方向相对位置角度、眩光源数量。

2 LED显示屏眩光危害评价实验设计

2.1 基于成像式的亮度测量法

对于LED显示屏的失能眩光可以采用光幕亮度法（LV）数学模型进行量化评估。一直以来，标准所认可的光幕亮度测量方法，都是把特制的眩光镜头接在瞄点式亮度计上，像测量亮度一样，直接读取结果。它可以测量视野内的总光幕亮度，不过无法区分路灯和非道路照明灯具。本文拟根据国际最新标准CIE 150-2017《室外照明装置干扰光的限制指南》，采用基于成像式亮度计测试系统、采用光幕亮度分析评估法进行LED显示屏眩光危害评估。

采用传统的瞄点式或者照度计法来评价LED显示屏眩光危害的测量点选择数量很大而且测试过程很繁琐，测试效率会极低，所以本文采用成像式测量法来进行LED显示屏眩光评价测试，很好解决了传统测量法所带来的问题。

根据上述的LED显示屏眩光产生原理和理论模型，可以通过采集被测对象的空间亮度分布值，模拟人眼视觉所见到的实际亮度分布场景，随后通过调试仪器的位置、高度和视场角，捕捉眩光源并将亮度数据采集结果实时传输到仪器所连接电脑中，并利用系统配套的专用光学软件，根据上述理论算法对数据进行自动化分析评估，测量结果可以显示每个眩光源的立体角、亮度值、眩光值等信息。

基于成像式的亮度计主要采用COMS或者CCD面阵来替代传统基于单通道、探头的瞄点式亮度计，相当于百万个瞄点式亮度计同时在工作。绝对亮度的测量精度主要由光谱匹配误差以及视场角等决定。目前，成像式亮度测量法的前端数据采集目前主要通过成像亮度计和数码相机两种方式。两者的区别主要是传感器的类型不一样，数码相机法使用的是COMS，而成像亮度计则采用CCD。CCD和COMS都是采用感光LED将光信号转化为电信号，由于CCD和COMS传感器只能感应光信号强弱而对不同颜色颜色作出辨别。为能够模拟实际人眼对不同颜色的视觉响应效果，需要在传感器前端放置相应的滤光片（COMS使用Bayer滤光片，而CCD使用XYZ滤光片），原理如图3所示。

因此，成像亮度计和数码相机在亮度测量方面最大差异是使用的滤光片类型不同，然而因为实际使用的滤光片曲线无法做得与CIE XYZ曲线完全一致，因此都需要通过标准光源对亮度进行光学校正。另外，成像亮度计的光谱匹配误差总体比数码相机小，主要是因为它使用的滤光片分布曲线会更接近于CIE Y曲线。而对于采用数码相机法测量不同的光谱光源时，则需要进行相应的误差分析并进行一定系数补偿，从而可大幅度减小测量误差。

但是，为实现高动态的测量范围，两者都是采用对同一场景、不同曝光时间、多次测量的方式实现（见图5），并通过后续软件图像处理进行高动态、多桢图像融合。

图3 成像式亮度测量法的理图

图4 数码相机和成像亮度计滤光曲线图

2.2 试验验证

本次采用高精度、高动态范围的光度相机对选取一处典型路段对道路旁的各类LED显示屏进行亮度数据的采集，并配合系统配套的光学分析和图像处理软件，根据上述的户外LED显示屏眩光危害评价数学模型，建立户外LED显示屏眩光危害测试方法，并进行了试验验证。

针对户外LED显示屏的高亮度、高频闪特性，研究采取分时曝光采集方法，对不同曝光时间、不同采集图像进行自动融合和解析。

图5 高动态范围测量图示

图6 拍摄原始图

图7 系统自动识别眩光源

表1 系统捕捉到的眩光源测试结果

图6为系统采集到的视野可见范围内的全部82个目标对象的亮度分布原始图片，图7则是通过系统自动识别并标识出来的LED显示屏眩光源（LS30、LS31、LS55），并系统根据建立的数学模型算法提供的测试结果（见表1）。

3 小结

影响LED显示屏眩光危害评价的关键物理参数主要包括眩光源亮度、周围环境亮度、眩光源的发光尺寸、眩光源与观察方向相对位置角度等，基于成像式的亮度计的绝对亮度测量精度主要由系统的光谱匹配误差以及视场角等决定。另外，由于由于COMS或CCD传感器自身会有一定的线性范围，针对LED户外显示屏的高亮度、高频闪特性，通过设定合理的曝光时间并进行图像解析融合对于采用基于亮度测量的眩光危害测量系统是非常重要的。