體育照明新技術(shù)及其分析

李炳華 李興林 宋鎮(zhèn)江 董青 楊慶偉 汪嘉懿 徐學(xué)民 劉娜 張巧玲

1 概述

近年來，筆者在編制《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》過程中認(rèn)真地研讀和學(xué)習(xí)了國際上相關(guān)體育照明標(biāo)準(zhǔn)，尤其國際照明委員會CIE的標(biāo)準(zhǔn)、國際足聯(lián)FIFA和國際田聯(lián)IAAF的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)引起同仁們高度重視，這些國際上知名組織影響力很大，影響面很廣，對其他運(yùn)動項(xiàng)目會產(chǎn)生示范效應(yīng)。認(rèn)真研究和分析這些新技術(shù)的變化有助于吸取他人所長為我所用，繼而服務(wù)于我國的體育場館建設(shè)和運(yùn)動會的舉行。

在介紹體育照明新技術(shù)之前，先介紹體育照明的術(shù)語，目前尚無官方定義，但約定俗成，體育照明系指為比賽場地提供的人工照明，體育照明也叫場地照明。

2 國際體育照明的新技術(shù)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的變化

2.1.1 足球場場地照明新標(biāo)準(zhǔn)

2011年國際足球聯(lián)合會FIFA頒布新的《足球場》^[1]標(biāo)準(zhǔn)，其中第9章是體育照明。其足球場地的照明標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 足球場地的照明標(biāo)準(zhǔn)值

注：1 表中照度值為維持照度值；

2 E_v為固定攝像機(jī)或場地?cái)z像機(jī)方向上的垂直照度，手持?jǐn)z像機(jī)和搖臂攝像機(jī)統(tǒng)稱為場地?cái)z像機(jī)；

3 各等級場地內(nèi)的眩光值應(yīng)為GR≤50；

4 維護(hù)系數(shù)不宜小于0.7；

5 推薦采用恒流明技術(shù)。

需要說明，該標(biāo)準(zhǔn)一直由足球發(fā)達(dá)國家參與編制，這些國家足球比賽等級及體系非常完善。表中第Ⅲ等級“國內(nèi)比賽”與我國的“專業(yè)比賽”接近；第Ⅱ等級的“聯(lián)賽和俱樂部比賽”屬于低級別的比賽，與我國“業(yè)余比賽、專業(yè)訓(xùn)練”相似。

2.1.2 田徑場場地照明新標(biāo)準(zhǔn)

國際田徑聯(lián)合會IAAF的最新標(biāo)準(zhǔn)于2008年頒布，即《國際田聯(lián)田徑設(shè)施手冊》2008年版^[2]，其中5.1節(jié)是關(guān)于體育照明，其田徑場地的照明標(biāo)準(zhǔn)值見2。

表2 田徑場地的照明標(biāo)準(zhǔn)值

注：1 各等級場地內(nèi)的眩光值應(yīng)為GR≤50；

2 對終點(diǎn)攝像機(jī)來說，終點(diǎn)線前后5m范圍內(nèi)的U₁和U₂不應(yīng)小于0.9；

3 表中的照度值是最小維持平均照度值，初設(shè)照度值應(yīng)不低于表中照度值的1.25倍。

與足球相類似，田徑國際標(biāo)準(zhǔn)也是由歐美發(fā)達(dá)國家進(jìn)行編制，田徑各等級比賽比較完善。表2中第Ⅲ等級“國內(nèi)、國際比賽”盡管沒有電視轉(zhuǎn)播，但它是專業(yè)比賽，與我國的“專業(yè)比賽”等級接近；第Ⅱ等級的“俱樂部比賽”也是低級別的比賽，屬于業(yè)余比賽，與我國“業(yè)余比賽、專業(yè)訓(xùn)練”等級相似。

2.1.3 國際照明委員會的照明新標(biāo)準(zhǔn)

國際照明委員會CIE第169號技術(shù)文件^[3]——《體育賽事用于彩電和攝影照明的實(shí)用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》頒布于2005年，文件要求169號文件應(yīng)與1989年頒布的CIE83文件^{[4] [7]}結(jié)合起來閱讀，83號文件許多技術(shù)內(nèi)容仍然有效。169號文件指出，CIE83-1989文件所示照明水平適用于現(xiàn)代CCD-HDTV的攝像系統(tǒng)。表3和表4列出了照明指標(biāo)。

北美照明工程協(xié)會IES在2009年IESNA RP-6-01文件中，關(guān)于體育比賽電視轉(zhuǎn)播照明的有關(guān)參數(shù)與國CIE 169號文件一致，這說明由于高清電視轉(zhuǎn)播后，CIE 83文件的有關(guān)參數(shù)仍然適用。

表3 各體體育項(xiàng)目類別的垂直照度（維持值）

表4 照度比和均勻度

眩光指數(shù)GR<50，僅用于戶外相關(guān)方向，參見CIE112-1994。CIE 83號文件給出光源的要求，如表5所示。

表5 對光源的要求

2.1.4 棒球及壘球場場地照明新標(biāo)準(zhǔn)

美國棒球、壘球比較發(fā)達(dá)，職業(yè)化水平高，其棒壘球場地照明標(biāo)準(zhǔn)可謂國際領(lǐng)先。2009年新修訂的《體育和娛樂場地照明》^[5]標(biāo)準(zhǔn)IESNA RP-6-01 R2009規(guī)定，無論標(biāo)清電視還是高清電視轉(zhuǎn)播，一般顯色指數(shù)Ra≥65，相關(guān)色溫Tc=3000K~6000K。

2.2 燈具布置的新要求

2.2.1 足球場場地照明的布燈方式

國際足球聯(lián)合會FIFA 2011年版的《足球場》標(biāo)準(zhǔn)對足球場照明布置有所調(diào)整，主要變化是增加了許多不能布置燈具區(qū)域，以保障運(yùn)動員、裁判員避免眩光的影響，具體是下列部位不能布置燈具：

1 以底線中點(diǎn)為中心，當(dāng)有電視轉(zhuǎn)播時底線兩側(cè)各15°角范圍內(nèi)的空間；當(dāng)沒有電視轉(zhuǎn)播時底線兩側(cè)各10°角范圍內(nèi)的空間。

2 場地中心25°仰角球門后面空間內(nèi)。

3 以底線為基準(zhǔn)，禁區(qū)外側(cè)75°仰角與禁區(qū)短邊向外延長線20°角圍合的空間，但圖1中所示區(qū)域除外。

當(dāng)然，對于具有足球運(yùn)動項(xiàng)目的綜合性體育場，第1、2、3所述范圍內(nèi)可布置燈具，但足球模式時不應(yīng)開燈。

圖 1 足球場不應(yīng)布置燈具區(qū)域示意圖

2.2.2 棒球及壘球場場地照明的布燈方式

棒壘球場燈具布置有如下要求：

1 棒球場燈具宜采用6桿或8桿布置方式，壘球場燈具宜采用不少于4桿布置方式。當(dāng)挑蓬能滿足要求時，宜利用挑蓬安裝燈具。

2 燈桿應(yīng)布置在圖2陰影區(qū)以外區(qū)域。

3 燈具的高度應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）燈桿A1和A2上燈具的最小安裝高度應(yīng)按公式1計(jì)算。

h_a≥27.43+0.5d₁ （1）

式中，h_a——A1、A2燈桿上燈具的安裝高度，單位m；

d₁——A1、A2燈桿距場地邊線的距離，單位m；

2）燈桿B1、B2上燈具的最小安裝高度應(yīng)按公式2計(jì)算。

h_b≥d₂/3 （2）

式中，h_b——B1、B2燈桿上燈具的安裝高度，單位m；

d₂——通過B1（B2）燈桿作一條平行于邊線的直線，該直線與場地中線相交，此交點(diǎn)與B1（B2）燈桿的水平距離為d₂，單位m；

3）燈桿C1~C4上燈具的最小安裝高度應(yīng)按公式3計(jì)算。

h_c≥d₃/2 （3）

式中，h_c——C1~C4燈桿上燈具的安裝高度，單位m；

d₃——C1~C4燈桿上的燈具最遠(yuǎn)投射距離，單位m；

4）燈桿上的燈具最低安裝高度不應(yīng)小于21.3m。

2.3 其它變化

2.3.1 恒流明技術(shù)

“恒流明”一詞早在2007版的國際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中就已經(jīng)推薦使用，英文為“Constant illumination lamp technology”，也可稱為“恒照度”。國際足聯(lián)2011版本標(biāo)準(zhǔn)中繼續(xù)推薦使用該技術(shù)。恒流明的含義是在光源壽命周期內(nèi)，光源的光通量保持不變或在很小范圍內(nèi)變化。因此，恒流明實(shí)際上是光源光通量保持不變的現(xiàn)象。毋庸置疑，使用恒流明技術(shù)的燈具，可以保持場地內(nèi)照度不變。

2.3.2 光污染的控制要求

足球場場地照明經(jīng)常會出現(xiàn)燈光外溢現(xiàn)象，大功率的場地照明照射到體育場外，不僅造成能源浪費(fèi)，而且產(chǎn)生令人反感的光污染，為此國際足聯(lián)對場地照明外溢光提出限制性指標(biāo)，如表6所示，外溢光在體育場外50m和再向外200m作為計(jì)算點(diǎn)和測量點(diǎn)，既考核水平照度，也要考核垂直照度。示意圖見圖4。

表6 足球場場地照明外溢光限值

圖4 足球場外溢光限值示意圖

3 體育照明新技術(shù)分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)分析

3.1.1 照度的變化

標(biāo)準(zhǔn)變化最大的當(dāng)屬國際足聯(lián)，從2002版到2011版，國際足聯(lián)頒布三個版本的足球標(biāo)準(zhǔn)，以最高等級的比賽為例，將2002版、2007版、2011版三部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，同時與我國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，列表如表7所示。

表7 足球場場地照明照度標(biāo)準(zhǔn)的變化

需要說明FIFA 2002版有慢動作攝像機(jī)Slow Motion Cam.（對應(yīng)照度1800lx）和移動攝像機(jī)Mobile cam.（對應(yīng)照度1000lx），而2007版、2011版只有場內(nèi)攝像機(jī)Fieldcam，兩類攝像機(jī)性質(zhì)不同，本文取FIFA 2002版中慢動作攝像機(jī)方向上的垂直照度1800lx參與比較。

固定攝像機(jī)方向上的垂直照度2002年版只需1400lx即可，2007版達(dá)到不可思議的2400lx，到了2011年版回落到2000lx，與我國標(biāo)準(zhǔn)^[6]相一致。場內(nèi)攝像機(jī)方向上的垂直照度基本持平，沒有變化，略高于我國標(biāo)準(zhǔn)。水平照明維持在3000~3500lx水平，低于我國4000lx的要求。

3.1.2 光源色度參數(shù)的變化

光源的色度參數(shù)對電視轉(zhuǎn)播至關(guān)重要，主要有顯色性和色溫。國際足聯(lián)在這方面有明顯的變化，如表8所示。

表8 足球場場地照明光源色度參數(shù)的變化

國際足聯(lián)從2002版到2007版將一般顯色指數(shù)Ra的下限值由80調(diào)低到65,而2011版本繼續(xù)維持下限值為65。相關(guān)色溫的下限值由5500K下調(diào)到4000K。很顯然，我國標(biāo)準(zhǔn)與2002版本的較接近。3.2.1部分將詳細(xì)分析這種技術(shù)動態(tài)的合理性。

結(jié)合3.1.1和3.1.2可知，一般顯色指數(shù)Ra、相關(guān)色溫Tk降低了，照度水平?jīng)]有明顯提高，反而FIFA 2011版比FIFA 2007版有所降低。

3.2 技術(shù)分析

3.2.1 光源的色度參數(shù)

近年來，隨著攝像機(jī)、電視技術(shù)水平的提高，攝像機(jī)對人工光的適應(yīng)能力也在提高，對場地照明的顯色指數(shù)和相關(guān)色溫的要求有所降低。表9列出了部分國際標(biāo)準(zhǔn)的最新要求和技術(shù)動態(tài)。

表9 國際場地照明新標(biāo)準(zhǔn)

筆者對國際上新技術(shù)的變化和動態(tài)進(jìn)行了研究和分析，供讀者參考。

第一，科研成果驗(yàn)證了國際上技術(shù)的新變化

在編制《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》過程中，規(guī)范編寫組針對國際上新出現(xiàn)的技術(shù)動態(tài)和變化進(jìn)行了專項(xiàng)研究，即“關(guān)于光源色度參數(shù)對體育比賽電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量影響的研究”^[8]，文獻(xiàn)8給出了研究過程和結(jié)果，由于篇幅所限，在此不再贅述。研究表明，對電視觀眾來說，光源顯色指數(shù)為65、相關(guān)色溫為4000K與光源顯色指數(shù)為90、相關(guān)色溫為5500這兩類人工照明情況下拍攝出的體育比賽節(jié)目畫面沒有明顯差別，可以被電視觀眾和行業(yè)專家所接受。

第二，選擇適宜色溫和顯色性的光源符合節(jié)能方針，有利于降低工程造價

表10列出了主流的大功率金屬鹵化物燈的技術(shù)參數(shù)^{[9] [10]}，從表中可知，同系列高色溫、高顯色性與標(biāo)準(zhǔn)色溫和標(biāo)準(zhǔn)顯色性相比，光源光效降低10%~30%，而且價格相對也較高，一次投資有所增加。

表10　大功率金鹵燈光效比較（工作電壓400V）

因此，體育照明應(yīng)根據(jù)體育場館的等級選擇合適色溫和顯色性的光源。

另一方面，光源必須與燈具有良好的配合。一般來說，Ra=65的光源多為單端金鹵燈，而Ra≥80多為雙端金鹵燈。如圖5所示，前者體積相對較大，但它裝在燈具內(nèi)垂直于燈具前端的玻璃罩，接近點(diǎn)光源，燈具反射器有利于對光的控制，配光有幾十種，甚至數(shù)千種之多。而后者的光源體積相對較小，但它平行于燈具前端玻璃罩安裝，它是線光源，燈具反射器對光的控制無優(yōu)勢，一般只有3~5種配光。編制組調(diào)查表明，光源的體積與燈具的效率沒有直接關(guān)系，兩類燈具效率相當(dāng)，沒有明顯差距。

圖5 雙端金鹵燈和單端金鹵燈燈具比較

第三，實(shí)測全球直播的國際賽事驗(yàn)證了技術(shù)動態(tài)

筆者對2011年部分全球直播的國際賽事場地實(shí)測，賽事包括：2011國際泳聯(lián)短池游泳世界杯賽、2011年意大利足球超級杯賽、第14屆國際泳聯(lián)世界錦標(biāo)賽、2011年ATP網(wǎng)球大師賽等，賽事均已經(jīng)圓滿結(jié)束，其場地照明的實(shí)際色溫為4553K~5717K，顯色指數(shù)為61~90.28（參見圖6和圖7）。

表11 賽事名稱和比賽時間、地點(diǎn)

圖6 部分體育場館場地照明實(shí)際顯色指數(shù)

圖7 部分體育場館場地照明實(shí)際色溫

綜上所述，筆者的研究證實(shí)了近年來國際新動向的合理性和科學(xué)性，即以較低的能耗獲得觀眾認(rèn)可的電視畫面。

3.2.2 恒流明技術(shù)

如上所述，恒流明技術(shù)是國際足聯(lián)推薦采用的技術(shù)，在光源壽命周期內(nèi)，其光通量基本保持不變，為場地提供穩(wěn)定的照明。我國研究機(jī)構(gòu)證明了這一點(diǎn)，復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院光源和照明工程系2009年完成的“恒定照度測試報告”指出，在長達(dá)5000小時的照明測試中，實(shí)際照度維持值與設(shè)計(jì)值的偏差在-5%~+4.5%。

另一方面，恒流明技術(shù)為節(jié)能減排、節(jié)省投資也能做出不小的貢獻(xiàn)。復(fù)旦大學(xué)的“恒定照度測試報告”表明，以恒流明技術(shù)的LSG-1500W燈具為例，測試地點(diǎn)位于復(fù)旦大學(xué)某網(wǎng)球場，總共測試系統(tǒng)運(yùn)行5000小時，每隔100小時或250小時測試一次，實(shí)測數(shù)據(jù)匯總于表12。

表12 恒流明燈具實(shí)測功率

將表12可轉(zhuǎn)換成圖10更加直觀，實(shí)測表明，單燈能耗基本不變。光源在整個壽命周期內(nèi)，前2000小時燈具實(shí)際電功率（包括鎮(zhèn)流器功率）低于燈具的額定功率，2000小時~5000小時燈具電功率略有增加。光源整個壽命周期內(nèi)燈具實(shí)際電功率為其額定功率的86.5%~115.4%，圖中藍(lán)線為實(shí)測數(shù)據(jù)，其圍合的面積為實(shí)際使用的有功電度，電費(fèi)支出將以此為依據(jù)。紅線圍合的矩形為恒定功率1500W運(yùn)行5000小時，這是理想狀態(tài)。實(shí)際運(yùn)行圍合的面積與紅線圍合的面積非常接近，僅增加2.91%。

圖10 恒流明技術(shù)的燈具測試分析

從分析可以得出如下結(jié)論：

第一，恒流明技術(shù)可以獲得穩(wěn)定的照明效果。從實(shí)測數(shù)據(jù)看，當(dāng)采用恒流明技術(shù)的燈具時，維護(hù)系數(shù)可取0.95，為了確?？煽啃跃S護(hù)系數(shù)可取0.9。

第二，所用燈具數(shù)量較少。采用恒流明燈具數(shù)量上要少用22%，相應(yīng)電能也少用22%，且一次投資減少，維護(hù)量也相應(yīng)減小。

第三，單燈能耗基本不變。實(shí)測表明，光源在整個壽命周期內(nèi)，前2000小時燈具實(shí)際電功率（包括鎮(zhèn)流器功率）低于燈具的額定功率，2000小時~5000小時燈具電功率略有增加，光源整個壽命周期內(nèi)燈具實(shí)際電功率為其額定功率的86.5%~115.4%。

因此，場地照明采用恒流明技術(shù)的燈具在全壽命周期內(nèi)總能耗有所降低，單燈能耗基本不變，而照度保持相對穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

現(xiàn)在，以國際足聯(lián)為代表的有些國際標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)層面上發(fā)生不小的變化，如果說FIFA 2007版本值得我們關(guān)注，那么FIFA 2011版不僅僅是關(guān)注的問題，應(yīng)引起專家、學(xué)者高度重視。筆者經(jīng)過多年潛心研究，有些心得體會，以饗讀者。因此，本文的作用僅為拋磚引玉，以喚起同行的重視，用科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待國際上新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

1 “Football Stadiums . Technicalrecommendations and requirements”，FIFA，5th edition 2011

2 “IAAF TRACKAND FIELD FACILITIES MANUAL”，IAAF，2008 Edition

3 “Practical design guidelinesfor the lighting of sport events for color television and filming”，CIE 169:2005

4“Guide for the lighting of sports events forcolor television and film systems”，CIE Publication No. 83：1989

5 “Sports andRecreational Area Lighting”，IESNA RP-6-01：2009

6《體育照明設(shè)計(jì)手冊》，李炳華、董青主編，中國電力出版社，2009年2月第一版

7《現(xiàn)代體育場館照明指南》，李炳華、王玉卿編，中國電力出版社，2004年1月第一版

8“關(guān)于光源色度參數(shù)對體育比賽電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量影響的研究”，李興林 李炳華 董青 楊慶偉 劉娜 張巧玲，《照明工程學(xué)報》2011年第5期

9“體育照明節(jié)能措施初探”，李炳華，《建筑電氣》2009年9期

10《建筑電氣節(jié)能技術(shù)及設(shè)計(jì)指南》，李炳華、宋鎮(zhèn)江主編，中國建筑工業(yè)出版社，2011年11月第一版