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            體育場照明設計

            發布時間:2017-04-17   關注次數:

            體育場照明設計中,對足夠的照度和照明均勻度、足夠的亮度和無眩光照明、適當的陰影和顏色的正確性、頻閃效應的影響等的問題進行了詳細分析,須對上述問題了解和掌握,才能做好照明設計。

            很久以來,許多體育運動項目都顯示出一種世界的傾向,這也就是為什么證明了迫切需要在黃昏或傍晚時進行比賽和訓練的原因。因此,體育場照明是體育場設計的重要內容,并且比較復雜。它不僅需要滿足運動員進行比賽和觀眾觀看的要求,而且還要滿足拍攝電影和電視現場直播對照明的色溫、照度、照度均勻度等要求,這個要求遠比運動員和觀眾要求高很多?,F代體育場一般采用大功率1KW,1.8kW,2kw金屬鹵化物燈作為光源,其具有高光視效能,高顯色性,色溫在5000~6000K之間,能夠滿足高清晰彩色電視轉播(HDTV)對室外照明的要求。為此,要做好現代體育場照明設計,設計者須了解和掌握好以下幾個問題:應有足夠的照度和照度均勻度、亮度和無眩光照明、適當的陰影的影響和顏色的正確性、頻閃效應的影響等。

            1、足夠的照度

            物體的亮度對人的視覺影響是很重要的,同樣,對電視轉播也是很重要的。同物體的反射一樣,它的亮度用人們不經常用的術語“照度”來表示。據報導,早期的泛光照明方案是使用高功率的白熾燈,其照度約為150lx,在當時條件下可以滿足運動員和觀眾的要求。黑白電視轉播業務出現以后,根據電視轉播的要求,就須增加照度,其辦法就是將白熾燈的電壓提高l0%,或是將照明光源換成1000W的高壓水銀燈。用一種辦法時,燈的輸出功率可提高35%,但付出的代價是增加了用電負荷,并且燈的壽命從1000h,減小到250h;使用高壓水銀燈時,照度可提高50%,而不增加用電負荷。

            在彩色電視轉播業務出現以前,200lx的水平照度就足夠了。整個體育場的照明輸出功率約250kw,一般是用來增加水平照度的方法來改變照明裝置的性能。而增加垂直照度,主要是為了提高從觀眾席到運動員之間的能見度。

            20世紀90年代,在很多國家舉行的國內和世界體育比賽中,電視轉播都要求是彩色的。彩色電視比黑白電視對照明質量的要求更高。世界體育組織和廣播電視機構對體育場館照明裝置提出了以下要求:

            (1)整個體育場需要的垂直照度小照度為800lx,照度應從地平面上l~1.5m,并且垂直于主攝像機位置的面上。

            (2)對于長焦距的閉合透鏡,需要的照度不小于1400lx。彩色電視轉播業務所須的照度。也決定于地區環境的因素。如空氣的污染程度,它主要決定所要求的畫面的質量,畫面質量是主要因素之一。速度較快的體育項目,要求攝像鏡頭光圈更小和照度更高,當電視攝像鏡頭只有相應較小光圈時,轉播(即質量圖像)需要更高的照度。彩色電視攝像機常用的是變焦距鏡頭,通常情況下只有f:2這個個光圈,當大焦距又能滿足體育比賽轉播范圍需要時,也可增加光圈數。因此,照明設計時,設計者應考慮光圈 少為f:2.8到f:4或f:5.6,常見鏡頭光圈f:2到f:5.6時所需垂直照度值。

            彩色電視攝像要求盡可能將垂直照度提高到2000lx,實際上這個數值要受到經濟的限制,也要受到由于高照度而帶來的眩光的限制。

            國家體育行業標準TY/T1002.1-2005《體育照明使用要求及檢驗方法:室外足球場和綜合體育場》中規定,室外足球場和綜合體育場的照明標準值見表2。

            注:1、表中U1=Emin/Emax,U2=Emin/Eave

              2、表中對垂直照度及其均勻度的規定是指主要攝像機方向,輔攝像機方向可降低一層采用。

              3、水平照度指地面上的維持平均照度,垂直照度指離地1.5M高垂直面或主攝像機方向的維持平均照度。

              4、水平照度可為垂直照度的0.5~2.0倍(推薦采用0.75~1.5倍)。

              5、表中所列照度值可維持平均照度值,維護系數取0.8。對于多霧和污染嚴重地區此值可降低到0.7。

            2、照度均勻度

            彩色攝像所需的照度均勻度比黑白攝像或視覺欣賞要大得多,對于水平照度和垂直照度都是這樣。在快速運動項目比賽時,為了操作攝像機而不使畫面失真,照明需要有足夠高的照度和良好的均勻度。彩色攝影和攝像的主畫面部分亮處和暗處亮度比的大值不能大于40:1。不同物體的反射和照度均勻度是存在亮度比的原因,如果亮度比值超過這個數值,出現清晰的影子或背光現象,造成曝光過度或曝光不足,彩色電視轉播將會失真。

            照度均勻度用個參數衡量U1和U2。U1為體育場內小照度和大照度之比,即U1=Emin/Emax;U2為體育場內小照度和平均照度之比,即U2=Emin/Eave。照度均勻度可分為水平照度均勻度和垂直照度均勻度。

              在體育場比賽場地的不同位置有不同的垂直照度,當遠距離攝像時就會造成混亂,特別是當有快速的體育比賽時更是如此。面向緊鄰主攝像機的邊線或面向一固定主攝像機位的平面上的垂直照度均勻度應優于Evmin/Evmax=0.4,在有一個或多個主攝像機區域的情況下,滿足這一要求能保證,在面向該區或多個區的實際攝像機位的垂直面上,能得到足夠的照度。它也能保證在場地周圍有限的區域內,輔攝像機在任意位置拍攝。滿足這些要求也就保證場地的運動員的足夠立體感。

            好的水平照度均勻度對于避免攝像的調整問題是很重要的,比賽場地的水平照度的均勻度應好于Ehmin/Ehmax=0.5。

            在相對的距離上水平照度沒有大的變化也是非常重要的。為了有合適的照明梯度,網格點到相鄰的網格點的水平照度和垂直照度變化不能超過本網格點的20%,平均水平照度和平均垂直照度的比值須在0.5~2.0之間。

            為了保證體育場的照度均勻度,安裝在場地四角上的30~40m高的燈塔上的投光燈以及20~30m高的看臺挑蓬上的光帶布燈都需要調整好。照度的均勻度是依賴于相對數量的可調整的投光燈來達到,上面提到的均勻度數值可采用在每個場角燈塔上安裝不少于30盞窄光束投光燈的辦法來達到。如果采用寬光束分布投光燈時,所用的投光燈數量可減少,但結果會對觀眾產生眩光。如果在看臺挑蓬上采用光帶布燈方式,采用中光束、窄光束燈具,分散布燈效果會好得多。

            3、亮度及眩光

            發光體在給定方向單位投影面積上的發光強度稱為發光體在該方向上的亮度。電視攝像機的作用與人的視覺有些相似,攝像機和人的眼睛都是以感覺照明的強度作為亮度,因此,畫面對比以及其背景,對于畫面質量來說都是主要的。

            眩光可以引起視覺功能的降低。因此,應對眩光進行限制和測量。各種體育比賽項目都有關鍵地點,在這些點嚴禁出現高亮度光源在運動員視野內產生眩光。哪些是體育比賽的關鍵地點呢?對觀眾而言,球場側面公共區域的前部和球門后面觀看條件差,在設計泛光燈的投射方向時,這些位置都是被用來考核眩光控制優劣的地點,這些點就是關鍵地點。

            四角布燈安裝方式。燈塔高度應保證塔上下面一排燈具到球場中點與球場的夾角不小于20。。為了減少對運動員和觀眾的眩光,可以將這個角度放寬到30。,但這樣燈塔的投資又會增加,而且垂直照度和水平照度之比會減少。燈塔應設在球場邊線中點處向外偏 5。,以確保邊線附近的運動員身上的垂直照度。通過增加這個角度,對向底線運動員來說,眩光減小了,垂直照度同時增加。增加角度的取決于看臺挑蓬是否妨礙燈具正常照明,是否在球場內產生陰影。同時,燈塔還應設在球門中點向外 少15。,以限制開角球時球門區運動員的眩光。

            上述兩個角度限制線確定了燈塔的位置,理想的燈塔應盡可能靠近球場對角線的延長線。為了保證整個球場都有照明,燈塔下面一排燈 球場的角與球場的夾角不大于70。,這樣以有效地確定燈塔到球場一角的小距離。

            側向布燈方式。泛光燈的安裝要求即適合多塔布置,又適合光帶布置。從球場縱軸方向看過去,α的小值20。只適用于訓練場地和低級別的比賽場,此時眩光控制水平較低。α為25。時,眩光控制比較好,同時又有較高的垂直照度。盡管α變大有利于控制眩光,但垂直照度分量減小,燈塔或光帶布燈的投資將大大增加,不可能為了變大α角而加高看臺挑蓬。邊線附近對泛光燈的仰角由β確定,如果水平照度和垂直照度之間有恰當的比例,則β不應大于75。。如果看臺挑蓬邊緣上燈具沒有合適的β角,可以將泛光燈安裝在挑蓬下邊或采取其它特別方式。

            對每個體育場工程泛光燈的數量由場地內的照度確定。四角布燈方式,燈塔數量比側向布燈數量少,因此,光線進入運動員或觀眾的視野內也比較少。另一方面,四角布燈用的泛光燈數量比側向布燈數量要多,從球場任一點看,四角布燈每個燈塔泛光燈的光強之和比側向布燈、多塔或光帶布燈方式的光強要大。通常,布燈方式的選擇和燈塔的準確位置更多地取決于造價或場地條件,而不是照明因素。

            眩光指數GR(FlareRating)=10~90,GR=10表示眩光對人幾乎沒有影響,GR=90表示眩光對人難以忍受。場地上的任意位置,其GR=50表示眩光“剛剛可以允許”。

            考慮到避免體育場太暗的背景,因此,一部分光線應當射向看臺,看臺觀眾照明也應當得到重視,為了電視轉播時電視畫面而層次分明,體育場觀眾席的垂直照度不宜小于場地垂直照度的0.25。這樣就能保證運動比賽場地和背景之間有足夠的對比,這種照度水平可以由賽場照明的溢出光實現。

            眩光問題,只要協調好觀眾、運動員要求之間的矛盾就能夠解決,所以,設計對應考慮投光燈的光線分布、安裝方式、燈掛高度以及其它等因素。這一協調工作應由設計師來完成。

            4、陰影的影響

            亮度對比強,同時又有陰影,這都有礙于電視攝像機對照度的正確調整,因而會影響電視畫面的質量。過于黑暗也會影響視覺的舒服程度,另一方面,陰影對電視轉播和觀眾來說卻又很重要,特別是當具有快速動作的高速傳球特點的足球比賽時,如果沒有陰影的影響,距球遠的觀眾是無法跟蹤上目標的。

            細致地調整投光燈,同時避免了那些影響照明的不利因素,就可以造成較好的陰影效果。


            5、顏色校正

            在大多數體育運動中,色感是很重要的,當然人工照明產生的色彩失真在能接受的范圍內不存在顏色辨別方面的問題。色彩特性的兩個重要問題區別在于:色表—被照亮環境的顏色表現;顯色性—光源真實顯現物體顏色的特征。光源的顯色性和色表是由其所發出的光線的光譜能量分布決定的。光源的色表現象可以用相關色溫TK來描述,相關色溫主要在2000~6000K范圍內。色溫愈低,燈光的色表就愈“暖”;色溫愈高,燈光的色表就愈“冷”。光源的顯色性指標可以用顯色指數Ra來表示,Ra理論的大值是l00,相當于日光照射物體情況的顏色。環境的視覺氛圍由Ra來表示,Ra愈高,環境氛圍就愈愉快。由于日光在整體中是變化的,應將日光的影響限制到小,相應的人眼的色彩辨別能力不會有太大的問題。為了理想的畫面,攝像機調整為所安裝的人工照明光源的顏色狀態。高清晰HDTV轉播,顯色指數Ra≥80,好是90。

            顏色校正對于觀眾和彩色電視轉播業務兩者都很重要,電視攝像機和色溫在很大范圍內能夠加以調節,以使用色溫在3000~6000K的光源進行電視轉播。但是,體育場是室外運動場,在選擇光源時,日光的色溫為5000~6000K,可能發生這種情況,比賽在日光下開始,而在夕陽西下時,即在冷光下結束(通常用“全天氣”這一詞來形容)。在夕陽和人工雙重光線下,要求日光色溫和人工照明光源的色溫相一致,這樣電視攝像機可以連續地調整,由日光順利地過渡到人工照明。

            為了彩色電視轉播的目的,近年來金屬鹵化物燈得到很快的發展,由于它具有高工作溫度、高壓以及其它條件,這種光源具有3000~6000K的色溫,因而包括了顏色校正的全部要求,可以滿足室外體育場地彩色電視轉播的要求,所以得到廣泛的應用。

            6、頻閃效應的影響

            當采用金屬鹵化物燈作為體育場地照明時,由交流電源的主頻率決定的電弧的斷續可能導致頻閃效應。設計時應將頻閃效應限制到小,通??蓪⒐庠淳鶆虻亟拥饺嚯娫吹牟煌嗌?,實現場地上任何一點的照明是不同光源燈光的疊加,這樣,能使頻閃影響達到小。

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