基于R-Table的LED道路照明配光研究与设计
1 引言
机动车辆驾驶员主要关注前方60—160米区域的路况，夜间行驶时，道路照明之目的是为驾驶员创造一个明亮且均匀的路面视觉环境，从而达到降低夜间事故率之功效。自CIENO.12.2于1977年出版以来，道路照明的亮度标准就在欧美各国被采纳和广泛推广，并作为道路设计的主要标准，我国在CJJ45-1991标准中也引入了亮度标准，并在CJJ45-2006标准中强化了亮度均匀性要求。但随着诸多非照明专业人士转入LED道路照明行业，许多从业者对路面亮度和照度的差异性了解不够，导致亮度标准在我国被逐渐弱化，并有可能被照度标准取代的倾向。要在我国推广亮度标准，首要任务则是研究不同路面材质的反射性能，摸清简化亮度系数表(即R-Table)对道路照明灯具配光的影响，分析基于照度标准设计的道路灯具配光所带来的问题。
2 不透明材质反射性能表征方法
材料的反射性能与光线的入射角、观察方向、入射光的光谱分布函数、入射点的位置相关。Nicodemus等人提出采用双向反射分布函数(BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Funtion)来描述材质的反射性能，用公式(1)表示，图1给出了公式中各几何量的意义。BRDF的数据一般可以根据实验数据测试得出，也可以从许多数学上的Phong、Blinn-Phong等理论模型中近似地计算出。对于均匀漫反射模型而言，由于材质的反射与入射角、反射角无关，而且各方向上的亮度相等，其数学模型很简单，可以根据公式L=ρE/π来计算亮度大小(即f=ρ/π)。例如，水泥的反射率ρ约为30%，则可计算出水泥路面照度是亮度的10倍左右;沥青的反射率ρ约为20%，则可计算出沥青路面照度是亮度的15倍左右。但实际上，只有少数材料的反射性能符合均匀漫反射，例如用于粉刷墙面的涂料，其墙面平整，且涂料中的石膏粉颗粒的尺寸很小而且粗细均匀。对于路面材质而言，其材料的组成成分复杂，粗细不匀，有些材质还有反光材料添加剂，因此，其反射性能与标准均匀漫反射差距很大。如图2示意所示，尽管图2一A与，2一B两种材质的反射率相同，但在某一特定的观察方向上的亮度差距却很大。
BRDF数据一般用于三维仿真软件的效果图渲染，或基于辐射度计算的光学模拟软件反射光计算，这些软件都需要比较精确的光谱分布函数计算，对逼真性、色彩和精度要求都较高。但对于道路照明来说，由于路面色彩单一、整体亮度较低、以及路面的反射性能受气候、磨损程度、积灰厚度、路面不均匀沉降等诸多因素的影响，因此，在路面亮度计算时，对路面的色度以及路面亮度的精确度要求不高，从而，表征道路照明路面反射性能的方法通常是采用q(α，β，γ)立体，比BRDF简化了许多，如公式(2)所示，图3示意了各几何参数之间的关系。
公式(2)忽略了光谱分布函数的影响，所以在测试路面反射性能时，通常采用标准光源或自然光作为测试光源。公式(2)中的β即为公式(1)中的(θi+θr)的补角，这样简化的目的是忽略材料的各项异性的影响。
机动车辆驾驶员主要关注前方60—160米区域的路况，夜间行驶时，道路照明之目的是为驾驶员创造一个明亮且均匀的路面视觉环境，从而达到降低夜间事故率之功效。自CIENO.12.2于1977年出版以来，道路照明的亮度标准就在欧美各国被采纳和广泛推广，并作为道路设计的主要标准，我国在CJJ45-1991标准中也引入了亮度标准，并在CJJ45-2006标准中强化了亮度均匀性要求。但随着诸多非照明专业人士转入LED道路照明行业，许多从业者对路面亮度和照度的差异性了解不够，导致亮度标准在我国被逐渐弱化，并有可能被照度标准取代的倾向。要在我国推广亮度标准，首要任务则是研究不同路面材质的反射性能，摸清简化亮度系数表(即R-Table)对道路照明灯具配光的影响，分析基于照度标准设计的道路灯具配光所带来的问题。
2 不透明材质反射性能表征方法
材料的反射性能与光线的入射角、观察方向、入射光的光谱分布函数、入射点的位置相关。Nicodemus等人提出采用双向反射分布函数(BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Funtion)来描述材质的反射性能，用公式(1)表示，图1给出了公式中各几何量的意义。BRDF的数据一般可以根据实验数据测试得出，也可以从许多数学上的Phong、Blinn-Phong等理论模型中近似地计算出。对于均匀漫反射模型而言，由于材质的反射与入射角、反射角无关，而且各方向上的亮度相等，其数学模型很简单，可以根据公式L=ρE/π来计算亮度大小(即f=ρ/π)。例如，水泥的反射率ρ约为30%，则可计算出水泥路面照度是亮度的10倍左右;沥青的反射率ρ约为20%，则可计算出沥青路面照度是亮度的15倍左右。但实际上，只有少数材料的反射性能符合均匀漫反射，例如用于粉刷墙面的涂料，其墙面平整，且涂料中的石膏粉颗粒的尺寸很小而且粗细均匀。对于路面材质而言，其材料的组成成分复杂，粗细不匀，有些材质还有反光材料添加剂，因此，其反射性能与标准均匀漫反射差距很大。如图2示意所示，尽管图2一A与，2一B两种材质的反射率相同，但在某一特定的观察方向上的亮度差距却很大。
BRDF数据一般用于三维仿真软件的效果图渲染，或基于辐射度计算的光学模拟软件反射光计算，这些软件都需要比较精确的光谱分布函数计算，对逼真性、色彩和精度要求都较高。但对于道路照明来说，由于路面色彩单一、整体亮度较低、以及路面的反射性能受气候、磨损程度、积灰厚度、路面不均匀沉降等诸多因素的影响，因此，在路面亮度计算时，对路面的色度以及路面亮度的精确度要求不高，从而，表征道路照明路面反射性能的方法通常是采用q(α，β，γ)立体，比BRDF简化了许多，如公式(2)所示，图3示意了各几何参数之间的关系。公式(2)忽略了光谱分布函数的影响，所以在测试路面反射性能时，通常采用标准光源或自然光作为测试光源。公式(2)中的β即为公式(1)中的(θi+θr)的补角，这样简化的目的是忽略材料的各项异性的影响。
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