体育场照明设计需关注的几个问题

　　体育场照明设计中，对足够的照度和照明均匀度、足够的亮度和无眩光照明、适当的阴影和颜色的正确性、频闪效应的影响等的问题进行了详细分析，必须对上述问题了解和掌握，才能做好照明设计。

　　很久以来，许多体育运动项目都显示出一种全世界的倾向，这也就是为什么证明了迫切需要在黄昏或傍晚时进行比赛和训练的原因。因此，体育场照明是体育场设计的重要内容，并且比较复杂。它不仅需要满足运动员进行比赛和观众观看的要求，而且还要满足拍摄电影和电视现场直播对照明的色温、照度、照度均匀度等要求，这个要求远比运动员和观众要求高很多。现代体育场一般采用大功率1.8kW，2kw金属卤化物灯作为光源，其具有高光视效能(约80～100Lm/w)，高显色性，色温在5000~6000K之间，能够满足高清晰彩色电视转播(HDTV)对室外照明的要求。为此，要做好现代体育场照明设计，设计者必须了解和掌握好以下几个问题：应有足够的照度和照度均匀度、亮度和无眩光照明、适当的阴影的影响和颜色的正确性、频闪效应的影响等。

　　1、足够的照度

　　物体的亮度对人的视觉影响是很重要的，同样，对电视转播也是很重要的。同物体的反射一样，它的亮度用人们不经常用的术语“照度”来表示。据报导，早期的泛光照明方案是使用高功率的白炽灯，其照度约为150lx，在当时条件下可以满足运动员和观众的要求。黑白电视转播业务出现以后，根据电视转播的要求，就必须增加照度，其办法就是将白炽灯的电压提高l0%，或是将照明光源换成1000W的高压水银灯。用第一种办法时，灯的输出功率可提高35%，但付出的代价是增加了用电负荷，并且灯的寿命从1000h，减小到250h;使用高压水银灯时，照度可提高50%，而不增加用电负荷。

　　在彩色电视转播业务出现以前，200lx的水平照度就足够了。整个体育场的照明输出功率约250kw，一般是用来增加水平照度的方法来改善照明装置的性能。而增加垂直照度，主要是为了提高从观众席到运动员之间的能见度。

　　20世纪90年代，在很多国家举行的国内和国际体育比赛中，电视转播都要求是彩色的。彩色电视比黑白电视对照明质量的要求更高。国际体育组织和广

　　播电视机构对体育场馆照明装置提出了以下要求：

　　(1)整个体育场需要的垂直照度最小照度为800lx，照度应从地平面上l～1.5m，并且垂直于主摄像机位置的面上。

　　(2)对于长焦距的闭合透镜，需要的照度不小于1400lx。彩色电视转播业务所必须的照度。也决定于地区环境的因素。如空气的污染程度，它主要决定所要求的画面的质量，画面质量是主要因素之一。速度较快的体育项目，要求摄像镜头光圈更小和照度更高，当电视摄像镜头只有相应较小光圈时，超级转播(即高质量图像)需要更高的照度。彩色电视摄像机最常用的是变焦距镜头，通常情况下只有f：2这个个光圈，当大焦距又能满足一定体育比赛转播范围需要时，也可增加光圈数。因此，照明设计时，设计者应考虑光圈至少为f：2.8到f：4或f：5.6，最常见镜头光圈f：2到f：5.6时所需垂直照度值，见表1。

　　彩色电视摄像要求尽可能将垂直照度提高到2000lx，实际上这个数值要受到经济的限制，也要受到由于高照度而带来的眩光的限制。

　　国家体育行业标准TY/T1002.1-2005《体育照明使用要求及检验方法第一部分：室外足球场和综合体育场》中规定，室外足球场和综合体育场的照明标准值见表2。

　　注：1表中U1=Emin/Emax，U2=Emin/Eave

　　2表中对垂直照度及其均匀度的规定是指主要摄像机方向，辅摄像机方向可降低一级采用。

　　3水平照度指地面上的维持平均照度，垂直照度指离地1.5M高垂直面或主摄像机方向的维持平均照度。

　　4水平照度可为垂直照度的0.5~2.0倍(推荐采用0.75~1.5倍)。

　　5表中所列照度值可维持平均照度值，维护系数取0.8。对于多雾和污染严重地区此值可降低到0.7。

　　2、照度均匀度

　　彩色摄像所需的照度均匀度比黑白摄像或视觉欣赏要大得多，对于水平照度和垂直照度都是这样。在快速运动项目比赛时，为了操作摄像机而不使画面失真，照明需要有足够高的照度和良好的均匀度。彩色摄影和摄像的主画面部分最亮处和最暗处亮度比的最大值不能大于40：1。不同物体的反射和照度均匀度是存在亮度比的原因，如果亮度比值超过这个数值，出现清晰的影子或背光现象，造成曝光过度或曝光不足，彩色电视转播将会失真。

　　照度均匀度用个参数衡量U1和U2。U1为体育场内最小照度和最大照度之比，即U1=Emin/Emax;U2为体育场内最小照度和平均照度之比，即U2=Emin/Eave。照度均匀度可分为水平照度均匀度和垂直照度均匀度。

　　在体育场比赛场地的不同位置有不同的垂直照度，当远距离摄像时就会造成混乱，特别是当有快速的体育比赛时更是如此。面向紧邻主摄像机的边线或面向一固定主摄像机位的平面上的垂直照度均匀度应优于Evmin/Evmax=0.4，在有一个或多个主摄像机区域的情况下，满足这一要求能保证，在面向该区或多个区的实际摄像机位的垂直面上，能得到足够的照度。它也能保证在场地周围有限的区域内，辅摄像机在任意位置拍摄。最终，满足这些要求也就保证场地的运动员的足够立体感。

　　好的水平照度均匀度对于避免摄像的调整问题是很重要的，比赛场地的水平照度的均匀度应好于Ehmin/Ehmax=0.5。

　　在一定的距离上水平照度没有大的变化也是非常重要的。为了有合适的照明梯度，网格点到相邻的网格点的水平照度和垂直照度变化不能超过本网格点的20%，平均水平照度和平均垂直照度的比值必须在0.5～2.0之间。

　　为了保证体育场的照度均匀度，安装在场地四角上的30～40m高的灯塔上的投光灯以及20～30m高的看台挑蓬上的光带布灯都需要调整好。照度的均匀度是依赖于一定数量的可调整的投光灯来达到，上面提到的均匀度数值可采用在每个场角灯塔上安装不少于30盏窄光束投光灯的办法来达到。如果采用宽光束分布投光灯时，所用的投光灯数量可减少，但结果会对观众产生眩光。如果在看台挑蓬上采用光带布灯方式，采用中光束、窄光束灯具，分散布灯效果会好得多。

　　3、亮度及眩光

　　发光体在给定方向单位投影面积上的发光强度称为发光体在该方向上的亮度。电视摄像机的作用与人的视觉有些相似，摄像机和人的眼睛都是以感觉照明的强度作为亮度，因此，画面对比以及其背景，对于画面质量来说都是最主要的。

　　眩光可以引起视觉功能的降低。因此，应对眩光进行限制和测量。各种体育比赛项目都有关键地点，在这些点严禁出现高亮度光源在运动员视野内产生眩光。哪些是体育比赛的关键地点呢?对观众而言，球场侧面公共区域的前部和球门后面观看条件最差，在设计泛光灯的投射方向时，这些位置都是被用来考核眩光控制优劣的地点，这些点就是关键地点。

　　四角布灯安装方式。灯塔高度应保证塔上最下面一排灯具到球场中心点与球场的夹角不小于20。。为了减少对运动员和观众的眩光，可以将这个角度放宽到30。，但这样灯塔的投资又会增加，而且垂直照度和水平照度之比会减少。灯塔应设在球场边线中点处向外偏至5。，以确保边线附近的运动员身上的垂直照度。通过增加这个角度，对向底线运动员来说，眩光减小了，垂直照度同时增加。增加角度的极限取决于看台挑蓬是否妨碍灯具正常照明，是否在球场内产生阴影。同时，灯塔还应设在球门中点向外至少15。，以限制开角球时球门区运动员的眩光。

　　上述两个角度限制线确定了灯塔的位置，理想的灯塔应尽可能靠近球场对角线的延长线。为了保证整个球场都有照明，灯塔最下面一排灯至球场的角与球场的夹角不大于70。，这样以有效地确定灯塔到球场一角的最小距离。四角布灯方式参见图1。

　　侧向布灯方式。泛光灯的安装要求即适合多塔布置，又适合光带布置。从球场纵轴方向看过去，α的最小值20。只适用于训练场地和低级别的比赛场，此时眩光控制水平较低。α为25。时，眩光控制比较好，同时又有较高的垂直照度。尽管α增大有利于控制眩光，但垂直照度分量减小，灯塔或光带布灯的投资将大大增加，不可能为了增大α角而加高看台挑蓬。边线附近对泛光灯的仰角由β确定，如果水平照度和垂直照度之间有恰当的比例，则β不应

　　大于75。。如果看台挑蓬边缘上灯具没有合适的β角，可以将泛光灯安装在挑蓬下边或采取其它特殊方式。侧向布灯方式参见图2。

　　对每个体育场工程泛光灯的数量由场地内的照度确定。四角布灯方式，灯塔数量比侧向布灯数量少，因此，光线进入运动员或观众的视野内也比较少。另一方面，四角布灯用的泛光灯数量比侧向布灯数量要多，从球场任一点看，四角布灯每个灯塔泛光灯的光强之和比侧向布灯、多塔或光带布灯方式的光强要大。通常，布灯方式的选择和灯塔的准确位置更多地取决于造价或场地条件，而不是照明因素。

　　眩光指数GR(FlareRating)=10～90，GR=10表示眩光对人几乎没有影响，GR=90表示眩光对人难以忍受。场地上的任意位置，其GR=50表示眩光“刚刚可以允许”。

　　考虑到避免体育场太暗的背景，因此，一部分光线应当射向看台，看台观众照明也应当得到重视，为了电视转播时电视画面而层次分明，体育场观众席的垂直照度不宜小于场地垂直照度的0.25。这样就能保证运动比赛场地和背景之间有足够的对比，这种照度水平可以由赛场照明的溢出光实现。

　　眩光问题，只要协调好观众、运动员要求之间的矛盾就能够解决，所以，设计对应考虑投光灯的光线分布、安装方式、灯挂高度以及其它等因素。这一协调工作应由设计师来完成。

　　4、阴影的影响

　　亮度对比强，同时又有阴影，这都有碍于电视摄像机对照度的正确调整，因而会影响电视画面的质量。过于黑暗也会影响视觉的舒服程度，另一方面，阴影对电视转播和观众来说却又很重要，特别是当具有快速动作的高速传球特点的足球比赛时，如果没有阴影的影响，距球远的观众是无法跟踪上目标的。

　　细致地调整投光灯，同时避免了那些影响照明的不利因素，就可以造成较好的阴影效果。

　　5、颜色校正

　　在大多数体育运动中，色感是很重要的，当然人工照明产生的色彩失真在能接受的范围内不存在颜色辨别方面的问题。色彩特性的两个重要问题区别在于：色表—被照亮环境的颜色表现;显色性—光源真实显现物体颜色的特征。光源的显色性和色表是由其所发出的光线的光谱能量分布决定的。光源的色表现象可以用相关色温TK来描述，相关色温主要在2000～6000K范围内。色温愈低，灯光的色表就愈“暖”;色温愈高，灯光的色表就愈“冷”。光源的显色性指标可以用显色指数Ra来表示，Ra理论的最大值是l00，相当于日光照射物体情况的颜色。环境的视觉氛围由Ra来表示，Ra愈高，环境氛围就愈愉快。由于日光在一天中是变化的，应将日光的影响限制到最小，相应的人眼的色彩辨别能力不会有太大的问题。为了理想的画面，摄像机调整为所安装的人工照明光源的颜色状态。高清晰HDTV转播，显色指数Ra≥80，最好是90。

　　颜色校正对于观众和彩色电视转播业务两者都很重要，电视摄像机和色温在很大范围内能够加以调节，以使用色温在3000～6000K的光源进行电视转播。但是，体育场是室外运动场，在选择光源时，日光的色温为5000～6000K，可能发生这种情况，比赛在日光下开始，而在夕阳西下时，即在冷光下结束(通常用“全天候”这一词来形容)。在夕阳和人工双重光线下，要求日光色温和人工照明光源的色温相一致，这样电视摄像机可以连续地调整，由日

　　光顺利地过渡到人工照明。

　　为了彩色电视转播的目的，近年来金属卤化物灯得到很快的发展，由于它具有高工作温度、高压以及其它条件，这种光源具有3000～6000K的色温，因而包括了颜色校正的一切要求，完全可以满足室外体育场地彩色电视转播的要求，所以得到广泛的应用。

　　6、频闪效应的影响

　　当采用金属卤化物灯作为体育场地照明时，由交流电源的主频率决定的电弧的断续可能导致频闪效应。设计时应将频闪效应限制到最小，通常可将光源均匀地接到三相电源的不同相上，实现场地上任何一点的照明是不同光源灯光的叠加，这样，能使频闪影响达到最小。

　　7、深圳体育场照明设计

　　笔者有幸在90年代初参加深圳体育场的设计、施工建设、安装、调试、验收的全过程。地点：体育场设在深圳体育中心内。

　　根据深圳市的环境和气候条件，采用观众看台全挑蓬顶棚。

　　规模：30000座

　　灯具光源：采用飞利浦公司产品MVF406/MHD1800w，320套灯具

　　照明指标：

　　平均水平照度：1500lx

　　平均垂直照度：l400lx

　　色温：5600K

　　显色指数：Ra>90

　　眩光指数：GR=48

　　深圳体育场照明装置是国内第一个采用MVF406灯具的体育场，与国际基本同步，320套泛光灯采用在挑篷上光带布灯的方式，照明效果较好，同时也较经济。

　　为了满足彩色电视转播的要求，选用MVF406高效投光灯。

　　材质：高温度铸铝灯体，高强度钢化玻璃，高纯铝反射盖

　　特性：结构紧凑、体积小、重量轻背面开启更换光源

　　7种不同的配光，满足照明要求

　　配备高效金属卤化物光源，显色指数高达92，色温5600K电压220V、50Hz重量10.9kg

　　适用场所：体育场、运动场、高层建筑立面照明、高质量的照明区域。