第十四届全国运动会游泳馆竞赛场地照明指标研究

孙 晴，王德炜

(1.西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西 西安 710055;2.陕西体育场馆协会，陕西 西安 710086)

引言

近年来，随着我国对体育产业的大力推进，具备较高规模与等级的体育场馆也展现出稳步增长的建设需求。与此同时，满足国际比赛并兼顾综合性赛事应用需求的竞赛场地照明成为了体育建筑电气设计中的重点与难点。相较于早期的体育建筑，“第十四届全国运动会”场馆建设中的体育场馆具有造型复杂、功能多样、标准较高等特点，这对于体育场馆建筑中的场地照明选择与设计是新的挑战。本文以TV转播国家、国际级比赛的游泳馆为研究载体，研究总结此类竞赛场地照明技术指标。针对JGJ 153《体育场馆照明设计及检测标准》中关于泳池照明系列控制性参数开展进一步研究，对于因结构、建筑、设备等空间局限造成的非标准型马道和新型光源选择、设计、评估提供方法。

1 游泳馆概述

1)游泳馆分类。游泳馆按规模(坐席数量)区分可分为：小型、中型、大型、特大型。游泳馆按体育建筑等级分类可分为丙级(举办地方性、群众性运动会)、乙级(举办地区性和全国单项比赛)、甲级(举办全国性和单项国际比赛)、特级(举办亚运会、奥运会及世界级比赛主场)。游泳馆(池)按功能可分为设有看台的竞赛馆作为游泳、水球、跳水等项目竞赛和表演之用；具有游泳设备可设少量观摩席，一般不设看台的训练馆供运动员训练用；室内公共游泳池、家庭泳池等。本文基于国际标准比赛泳池体育工艺规格研究满足国际级游泳竞赛要求的场地照明。

2)国际标准竞赛游泳池规格。主赛区泳池长度为50 m,泳池宽度为25 m(10泳道)，安全区为绕泳池2 m范围带，总赛区为54 m×29 m。水深要求大于或等于1.8 m。比赛泳道宽为2.5 m。泳道间的分道线用浮标线分挂在池壁两端。每泳道中心线上的出发台，台面临水面前缘高出水面500～700 mm，倾向水面不超过10°。本文研究对象为50 m×25 m泳池，池深2.2 m，10条泳道。

2 马道位置

体育场馆马道设置在场馆顶部用于承载照明、扩声、电力电缆、通讯电缆、桥架、线槽，以及悬挂部分空间吸声体。同时，马道还承担设备安装和维保操作、通行保障等作用。然而，体育场馆马道设置因受到建筑、结构、水暖等专业复合影响，其位置及形式是体育建筑技术中的重点及难点。

根据近几年来的工程情况反馈来看，游泳馆马道的设置存在很多不合理之处：离边线太近；高度过低；达不到场地照明对眩光角度的限制要求，造成严重眩光；马道太短使比赛场地两端底线位置几乎没有垂直照度，或照度很低等[1]。实际上，游泳池马道的布设原则是以马道下悬挂的场地照明灯具为最重要制约因素。因此泳池照明灯具的布置是确定马道位置的前提。根据游泳运动属性分析，泳池周边2 000 mm区域内其水平及垂直照度的参考计算平面应为水面上20 mm处，即水面(±0.0 mm)上200 mm处平面。以图1中25 m宽泳池灯光投射剖面为例。

泳池宽25 m，池水深2 200 mm。以两侧泳池外2 000 mm为灯光最大范围瞄准点。考虑对泳池长边侧观众席的眩光影响因素，近泳池侧马道灯具瞄准至泳池远边外2 000 mm之间的夹角，远泳池侧马道上灯具瞄准至泳池近边侧的夹角为瞄准角控制范围。双侧双马道布置中，近泳池侧马道位置以泳池边缘侧为起始位置，当基于扩大照明计算平面(泳池侧外扩2 000 mm)为照明计算对象时，近泳池侧马道可位于至少水平离开泳池中心14 500 mm的距离，可根据结构因素增加近泳池侧马道距离泳池中心线的距离，但以最大利用光源效率的目的衡量，14 500 mm位置具有能效优势。因此，水面(±0.0 mm)上垂直距离13 723 mm为马道灯具悬挂最低点。如图1所示，本文拟定马道底最高高度为水面(±0.0 mm)上22 200 mm(马道高度无受限要求，但点光源产生点照度遵循距离平方反比定律。在光源光强一定的情况下，过分增加光源与照度计算点的空间距离必然会折损不必要的光源效能)。以图1为例，A为近泳池侧马道悬挂灯具位置，应为水平离开泳池中心14 500 mm，并在垂直方向上具有8 477 mm的灵活布置空间。B为远泳池侧马道悬挂灯具位置，应为水平离开泳池中心20 806～24 759 mm的三角形阴影区域，并在垂直方向上同样具有8 477 mm的灵活布置空间。

3 照明指标研究

3.1 照明指标分类

根据JGJ 153《体育场馆照明设计及检测标准》中对于游泳馆场地照明标准的指标有6个等级规定。具体参数如表1所示。

表1 游泳馆场地照明标准值

表1中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级照明标准均针对无转播要求的场地；Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ级照明标准是电视转播要求下的场地照明标准。其中，非转播要求时仅具有水平照度Eh，及其最小照度与最大照度之比U1和最小照度与平均照度之比U2的参数要求。当场地摄像转播时，主摄像机方向垂直照度Evmai，辅摄像机方向垂直照度Evaux，及其各自的U1，U2均具有严格参数要求，而在此条件下，水平照度已具备相关参数要求，因而无具体参数描述。当然，水平与垂直照度的衡量是以确定计算参考计算平面为前提的。

①～⑥共六项场地照明指标中，①指标针对现场运动员、裁判员、观众等可视角度出发，其主要控制标准是为现场竞赛及观赏提供必要的照明条件为出发点，当然，对于转播质量也有至关重要的影响因素。②和③号指标针对电视转播质量角度出发，以垂直照度值来衡量转播质量条件。对于④⑤⑥指标，其参数是选择场地照明光源的重要指标。

3.2 场地照度

对于体育场馆而言，光源距离计算点的距离与光源尺寸相比要大的多，可将体育场馆专用投光灯视为点光源。以游泳馆马道悬挂某投光灯S(x,y,z)为例，其对位于照度计算参考水平面(X，Y)平面上的某点P(xp,yp,0)的各方向照度如图2所示。

图2 投光灯对某点照度

马道于马道空间内光源S(x,y,z)，其中心光强线在水平面上的瞄准点为T(xt,yt,0)。空间中光源S与其瞄准点T的方位角Φ和仰角θ分别为：

(1)

(2)

(3)

则瞄准点T与P点偏差角γ=Ф′-Φ

(4)

空间中，光源S中心光强线至P点的水平偏移角α为

(5)

而光源S中心光强线至P点的垂直偏移角β为

β=θ′-θ

(6)

其中

(7)

至此，空间内投光灯S(x,y,z)至空间内X，Y平面上某点P(xp,yp,0)的光强值I(α,β)可通过前述计算后由光源光通分布图查得。

光源S中心光强线换算至直角坐标系垂直方向与P点夹角，即P点入射角度为

(8)

因此，空间内光源S(x,y,z)在P(xp,yp,0)点产生的水平照度Eh和入射方向的垂直照度Ev分别为

(9)

(10)

对于安装多盏投光灯的游泳馆，其计算水平面上的水平照度为

(11)

而其垂直照度因入射方向的迥异，归算至空间X轴垂直照度Evx=EvsinФ′和Y轴垂直照度Evy=Ev·cosФ′进行计算，即

(12)

(13)

因此，照度均匀度为

(14)

(15)

(16)

垂直照度归算至直角坐标X、Y轴后衡量具有现实意义，对于具有转播要求的泳池，摄像机的位置具有专业规律。游泳池主摄像机设置在平行于泳池纵轴的主看台上。与游泳者平行的跑动摄像机跟随游泳者的运动。游泳池辅摄像机设置在泳池两端用来拍摄起跳和转身。因此，垂直照度归算至直角坐标系后的数值与场地摄像成像质量息息相关。

3.3 场地摄像

目前，“第十四届全国运动会”电视转播以高清转播为设计标准，同时甲级、特级体育场馆设计预留4K高清转播的基础条件。同样尺寸的高清摄像器件成像面积比标清的小；同时高清摄像机其成像像素数增多，每个像素更小，导致其灵敏度相较标清下降；另外，高清摄像机镜头的景深要比标清的景深小。基于以上原因，较之标清、高清摄像机转播技术，需要拍摄的景物表面照度更为严格[2]。

垂直照度是被照亮区域运动员三维影像立体感优劣的重要指标。电视转播摄像机的方向范围内的垂直照度及垂直照度的均匀度都对电视转播质量产生较大影响。现代竞赛运动项目转播中，摄像机根据所拍摄的景物的不同，具有更加细致的分类，以表2中某游泳馆竞赛转播摄像机机位表为例[3]。如表2中的高标准HDTV转播级游泳比赛摄像机分类所示，其具体位置如图3所示。

图3中，泳池转播主摄像机分布于观众台，辅摄像机分布于起始、终点岸侧。在空间中大多数摄像机机位瞄准角正交于照度计算参考平面的X,Y轴线处。光照条件不好时，高清摄像机拍摄对焦困难，需要增加光圈，导致景深变得更小。惟一的解决办法就是增加景物照度，使用合适的光圈，保证对焦的方便、快捷。

表2 游泳馆竞赛转播摄像机机位

图3 HDTV转播级游泳比赛摄像机位置

目前，游泳馆竞赛场地照度计算及测量大量采用网格法，如表3所示。

表3 游泳馆照度计算及测量网格[4]

图3中50 m×25 m泳池根据表3中国标要求以网格化划分区域，其水平照度计算及检测点以表示，同时垂直照度计算及检测点以●表示。

实际上，以水平照度与垂直照度评价照明效果在大多数的公共建筑(影剧院、体育场馆等)中并非理想评价指标。这些场所若采用空间照度或垂直面照度来评价更具有意义。平均球面照度计算更多强调空间内某点半径为r的假象小球表面上的平均照度，是光源在空间某点小球面上的亮度立体角积分。平均柱面照度与此类似，是指空间内一个假象小圆柱体侧面上的平均照度。限于篇幅，关于多种照度计算及评价方法，本文不再展开说明。

3.4 场地照明光源

1)显色指数。光源的显色指数(CRI),其定义为：待测光源照明下的物体颜色和参考光源物体颜色的符合程度。CIE以14种颜色作为“测色法”的颜色实验样品，如图4所示。

图4 显色指数样品图块

CRI指数表达了颜色样品在待测光源照射下与参考光源照射下的颜色符合程度。光源对9～14种颜色样品中某一种颜色样本的显色指数称为特殊显色指数Ri,根据在参照光源下和待测光源下各个实验色的色差ΔEi，计算出光源特殊显色指数[5]:

Ri=100-4.6ΔEi

(17)

而其中1～8实验色用于一般显色指数Ra的计算：

(18)

显色指数目前是评价人工光源还原物体颜色能力的一种方法。游泳馆场地照明Ⅳ和Ⅴ级要求Ra=80，Ⅵ级要求R9=90。而针对采用LED光源的Ⅵ级游泳馆而言，其特殊显色指数要求R9=20。体育照明行业中，R9(饱和红色)的重要性越来越高。R9越高证明其光源照射出来的效果更为逼真、鲜艳。直观感受可以通过游泳馆内人员眼中五星红旗的颜色观察出来，R9值较低，鲜艳的五星红旗往往会呈现橘色。当然，上述CRI对于色彩还原度的评价随着近年来白光LED技术的飞速发展，越来越显得局促。除此之外的CQS(color quality scale)选用15个高饱和度色块，在计算色差ΔEi和计算特殊显色指数时做了改进。事实上，CRI是针对人眼对光源色的感知程度的描述，而TLCI(television lighting consistency index)是针对摄像机对照明环境中色彩还原表现能力的描述。TLCI是由欧洲广播联盟(European Broadcasting Union)提出，并在电视转播方面应用，其目的是为了描述在摄像机上得到正确的颜色表现而需要的色彩校正情况，同样用0～100的数值表示，但两者之间反映在颜色的敏感曲线和峰值都有不同。关于其他显色指数评价计算，并非本文研究重点，因而不再过多探究。

2)相关色温。在任何波长下能够全部吸收任何波长的辐射的物体被称之为绝对黑体，随着绝对黑体加热温度的升高，按照普朗克计算出在各种温度时的相对应光谱功率分布转换成CIE1931色度坐标，绝对黑体不同温度的色光变化在CIE1931色度图上形成的弧形轨迹，称为黑体轨迹。某一光源的色度与绝对黑体辐射在某一温度下的色度一样，则这一温度称之为某光源的色温，而现实中的光源光色在色度图上往往不能准确地落在绝对黑体轨迹上，因而用光源与黑体轨迹相近的颜色来确定该光源的色温，即相关色温。目前所有的LED产品所标示的色温都为相关色温。以图5为例，图中直线是等相关色温线，弧线是黑体轨迹线。可以看出不同的色坐标也可以有相同的相关色温。因此色坐标与色温是一对多的关系，相同的色温有不同的色坐标，相同的色温能够产生不同颜色的视神经感官，继而引入色容差概念。

图5 光源色度图

目前国标要求游泳馆Ⅰ—Ⅴ级场地照明要求光源为4 000 K,Ⅵ级则为5 500 K，但不能大于6 000 K。其相关色温的要求在感官上正好符合自然光在一天之内的上午变化范围。8:00之后的自然光大致在4 000 K(暖白光)左右，12:00左右大致为5 000～6 000 K(日光色)。

3)色容差。游泳馆场地照明当采用LED光源时，其同类光源的色容差是有国标要求的。通常应用白光LED照明场合，要求光源尽量具有一致的光谱或至少相同或接近的色品。这种相同或相近要求包括对同厂家同批次、同厂家不同批次、不同厂家的产品。

色容差是表征光源光色检测时的色坐标值与标准光源色坐标值之间差别。数值越小，准确度越高。根据MacAdam提出的椭圆直角坐标系方程[6]，以色容差来描述偏离标准颜色的色差的可察觉性，其计算如下：

(19)

式中，椭圆系数g11，g12，g22根据确定参考色坐标(xc,yc)的不同而异。以欧盟ErP指令(EU)No.1194/2012指令为例，其规定的标准颜色光源的色品坐标目标值如表4所示。

表4 欧盟ErP标准颜色光源色品坐标及椭圆参数

表4中，根据椭圆参数a、b、θ值，可以计算椭圆系数如下[7]：

(20)

(21)

(22)

据此，选定的参考色坐标点椭圆参数与色容差可知。

目前，欧盟ErP指令1194/2012,色容差≤6SDCM；能源之星ANSI C78.377，色容差≤7SDCM；JGJ 153—2016规定体育场馆当采用LED灯时，选用同类光源的色容差≤5SDCM。

4 结论

本文以建设中的“第14届全国运动会”游泳馆为研究载体，通过对比不同标准在游泳场馆竞赛场地的照明参数，深入研究此类照明各项控制型指标的计算、设计及评估的标准与方法。研究表明，符合国际、国内单项游泳比赛标准TV高清转播级的游泳场地照明在马道设置、照度计算、光源选择中都具有严格参数要求。其中，光源的选择更需要从显色指数、相关色温、色容差三个方面进行计算及评估。当然，根据最新的CIE报告及相关论文研究表明，对于光源颜色有多种数学描述方式；对于光照投射景物作用于视觉神经的色反馈也同样存在各种评估模型算法描述，如何构建最为优化的数学模型，有待继续深入的研究。