李瑋晟，楊松柏，陳神飛，張 兵，李田茵，杜媛媛，趙海天，余劍青

(1.深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司廣東公司，廣東 深圳 518000)

引言

隨著我國(guó)車輛保有量的快速增長(zhǎng)，為規(guī)范駕駛員的駕駛行為和公安執(zhí)法的準(zhǔn)確和高效，對(duì)道路視頻監(jiān)控質(zhì)量要求越來越高，為滿足拍出更為清晰的車牌照或人像特征，需要在光線不足或黑夜環(huán)境下適當(dāng)補(bǔ)光?，F(xiàn)階段，在城市路口高亮度的道路視頻監(jiān)控補(bǔ)光燈隨處可見[1]。雖然高亮度補(bǔ)光燈可以滿足拍攝清晰照片的條件，但其過高的亮度會(huì)對(duì)其照射范圍內(nèi)經(jīng)過的駕駛員造成嚴(yán)重的視覺干擾。導(dǎo)致駕駛員無法提前發(fā)現(xiàn)潛在的行車危險(xiǎn)和行人而進(jìn)行預(yù)先避讓，造成嚴(yán)重的行車安全隱患。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，近年來因高亮度道路監(jiān)控補(bǔ)光燈的閃爍干擾，影響駕駛員視線而引發(fā)的交通事故案例以每年12%的速度增長(zhǎng)[2]。所以減弱高亮度道路視頻監(jiān)控補(bǔ)光燈對(duì)駕駛員視覺干擾的影響，以提升駕駛的安全性成為迫在眉睫的問題。

1 眩光與人眼視覺的關(guān)系

眩光是指由于視野中存在過亮的物體或者是存在極高的亮度對(duì)比，引起不舒適的感覺，降低了觀察目標(biāo)和細(xì)節(jié)能力的一種視覺現(xiàn)象。根據(jù)評(píng)價(jià)方式的不同，眩光分為失能眩光和不適眩光兩種，不適眩光是由于散射光線進(jìn)入眼內(nèi)，導(dǎo)致了視覺的不舒適感，并不影響分辨力和視力。失能眩光是由于散射光線使視網(wǎng)膜的成像產(chǎn)生了重疊，導(dǎo)致對(duì)比度下降，從而降低了視覺效能和視覺清晰度[3]。顯然道路補(bǔ)光燈對(duì)駕駛員視覺造成的屬于失能眩光。

人眼看清物體是因?yàn)楸挥^測(cè)的物體發(fā)出或者反射的光線進(jìn)入人眼最終在視網(wǎng)膜上成像，而進(jìn)入人眼光線的多少則是由瞳孔面積的大小來控制。當(dāng)進(jìn)入瞳孔的光量過大或過小導(dǎo)致人眼無法看清物體或周圍環(huán)境時(shí)瞳孔會(huì)自行調(diào)節(jié)大小來增加或減小瞳孔進(jìn)光量以滿足清晰觀測(cè)物體或環(huán)境的視覺需求[4]。人眼受到強(qiáng)烈眩光干擾后出現(xiàn)視覺失能和恍惚不清，是因?yàn)楫?dāng)大量的光進(jìn)入瞳孔后人眼有一部分在通過晶狀體時(shí)會(huì)形成散射這部分散射光疊落在被聚焦的物體上也會(huì)產(chǎn)生一種視感，它可以比擬為在視場(chǎng)上蒙上了一層明亮的帷幕導(dǎo)致人眼無法看清物體或環(huán)境[5]。

人眼在受到眩光干擾時(shí)為看清物體和環(huán)境，瞳孔會(huì)縮小以減少進(jìn)光量，但不同強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間的眩光進(jìn)入瞳孔的光通量是不同的，對(duì)人眼的刺激是不同的，人眼的感受也是不同的。根據(jù)韋伯費(fèi)希納定律S=KlgR，其中S是感覺強(qiáng)度，R是刺激強(qiáng)度，K是常數(shù)，隨著刺激強(qiáng)度R的增大感受強(qiáng)度S也隨之增大，兩者之間屬于對(duì)數(shù)關(guān)系，也就是說感受強(qiáng)度S最后趨近于不變[6]。所以一定程度內(nèi)，眩光強(qiáng)度增加時(shí)人眼對(duì)眩光的感受強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，當(dāng)眩光強(qiáng)度無限增大時(shí)，人眼的感受強(qiáng)度最終會(huì)趨于不變。由于人眼在受到不同強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的眩光干擾時(shí)瞳孔的反應(yīng)時(shí)間是不同的，因此眩光的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間是決定瞳孔反應(yīng)時(shí)間和人眼感受強(qiáng)度的重要因素。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為面積為4.5 m×6.5 m×15 m的空間，空間界面全部為黑色故反射較低。以1∶2比例模擬道路閃光燈場(chǎng)景，眩光源位于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地一端距地面3.3 m；背景光源與眩光源相同高度，距離眩光源12 m；實(shí)驗(yàn)者在背景光源正下方測(cè)試，如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1)亮度成像儀：RADIANT VISION SYSTEMS I-PLUS亮度成像儀，可測(cè)量路面各項(xiàng)參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地剖面圖Fig.1 Section of the experimental site

2)Dikeablis Pro 眼鏡式眼動(dòng)儀：眼部攝像頭采集瞳孔大小、眨眼次數(shù)、瞳孔和視野范圍的實(shí)時(shí)錄像燈功能。數(shù)據(jù)采集為60次/s，能夠清楚地反映出瞳孔數(shù)據(jù)的變化，可以精確計(jì)算出閃光前后瞳孔面積的變化和面積變化之間的時(shí)間長(zhǎng)度。

3)眩光源：自制可調(diào)功率眩光源，光源功率20 W，色溫10 000 K為CREE芯片，光源功率范圍1～20 W，設(shè)置在距地面3.3 m高的位置。

4)背景亮度光源：LED投光燈，電壓220 V，功率100 W，色溫3 500 K，設(shè)置在距地面3.3 m高，距眩光源 水平距離12 m的位置。

5)電路控制模塊：a.單組輸出封閉型電源供應(yīng)器，把220 V電壓轉(zhuǎn)換為24 V安全電壓；b.DC24 V時(shí)間繼電器，控制眩光源的照射時(shí)間，儀器精度0.1 s；c.直流可調(diào)降壓電源模塊，把24 V電壓進(jìn)一步調(diào)制到LED燈具額定電壓范圍內(nèi)。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖2 亮度成像儀(左)、眼動(dòng)儀(右)Fig.2 Brightness imager (left)，eye tracker (right)

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)用亮度成像儀測(cè)出路面的亮度和均勻度，通過調(diào)整光源功率使路面亮度達(dá)到國(guó)家現(xiàn)行的亮度標(biāo)準(zhǔn)，路面亮度最大值：2.118 cd/m2，最小值：0.984 cd/m2，平均值：1.54 cd/m2，亮度均勻度：0.64，縱向亮度均勻性：0.56，實(shí)測(cè)背景路面亮度偽色圖如圖3所示。

圖3 背景路面亮度偽色圖Fig.3 Background pavement brightness pseudo color map

2)眩光源的功率分別為5 W、10 W、15 W、20 W，共四檔。測(cè)得不同功率下人眼位置的垂直照度為90 lx、130 lx、150 lx、170 lx。

3)通過時(shí)間繼電器控制眩光源的持續(xù)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中眩光源的持續(xù)時(shí)間調(diào)制為0.1 s、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s，共五組。

4)實(shí)驗(yàn)者佩戴眼動(dòng)儀在距眩光源12 m的位置測(cè)試，瞳孔高度統(tǒng)一控制在80 cm的高度，視覺焦點(diǎn)要注視前方路面，然后調(diào)節(jié)眼動(dòng)儀參數(shù)使實(shí)驗(yàn)者的瞳孔面積捕捉正常，同時(shí)校對(duì)實(shí)驗(yàn)者的視覺焦點(diǎn)使儀器屏幕內(nèi)出現(xiàn)的焦點(diǎn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)者的視覺焦點(diǎn)一致。

5)將眩光源功率調(diào)至5 W,進(jìn)行照射時(shí)間為0.1 s、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s五組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)之間實(shí)驗(yàn)者需在無眩光環(huán)境下根據(jù)被照射時(shí)間的長(zhǎng)短休息1～5 min，恢復(fù)強(qiáng)光照射后的視覺失能和恍惚不清。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證不同眩光源亮度和不同的照射時(shí)間對(duì)瞳孔反應(yīng)時(shí)間和人眼的感受程度的影響，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分為瞳孔反應(yīng)時(shí)間和人眼感受程度兩部分。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)是模擬道路閃光燈超強(qiáng)眩光實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)驗(yàn)路面背景亮度不變，眩光源功率范圍選擇5～20 W，分為5個(gè)等級(jí)；眩光持續(xù)時(shí)間范圍在0.1～2.0 s之間，分為6個(gè)等級(jí)。然后分別整理出不同強(qiáng)度眩光源在不同眩光持續(xù)時(shí)間時(shí)的瞳孔反應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.1 反應(yīng)時(shí)間

本文提出瞳孔的反應(yīng)時(shí)間是由瞳孔的延時(shí)時(shí)間和瞳孔的縮小時(shí)間組成。根據(jù)眼動(dòng)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)分別提取出閃光時(shí)間，瞳孔開始反應(yīng)時(shí)間和瞳孔面積最小時(shí)間。瞳孔延時(shí)時(shí)間=瞳孔開始反應(yīng)時(shí)間-閃光時(shí)間；瞳孔縮小時(shí)間=瞳孔面積最小時(shí)間-瞳孔開始反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為在閃光燈閃爍前5 s開始記錄，閃光結(jié)束后再記錄30 s的數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別整理出瞳孔延時(shí)時(shí)間和瞳孔縮小時(shí)間在不同眩光源強(qiáng)度和不同眩光持續(xù)時(shí)間條件下的數(shù)值，如表1所示。

通過表1中的數(shù)據(jù)可以得出，瞳孔延時(shí)時(shí)間變化不大，基本都在0.2 s左右，眩光源強(qiáng)度和眩光持續(xù)時(shí)間對(duì)瞳孔延時(shí)時(shí)間的影響很小。

表1 瞳孔延時(shí)時(shí)間

表2 瞳孔縮小時(shí)間

通過表2可以看出，瞳孔縮小時(shí)間則受到眩光強(qiáng)度和眩光持續(xù)時(shí)間的影響較大，可以得出:

1)當(dāng)眩光持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，眩光光源功率在5～15 W之間，瞳孔縮小時(shí)長(zhǎng)增加，但當(dāng)功率達(dá)到20 W時(shí)由于眩光強(qiáng)度較大瞳孔縮小時(shí)長(zhǎng)減小。

2)當(dāng)眩光源強(qiáng)度相同時(shí)，隨著眩光持續(xù)作用時(shí)長(zhǎng)的增加瞳孔的縮小時(shí)長(zhǎng)也在增加。

3)當(dāng)眩光持續(xù)作用時(shí)長(zhǎng)在0.1～0.5 s之間時(shí)，無論眩光強(qiáng)度如何變化，瞳孔的縮小時(shí)長(zhǎng)變化不大。

3.2 人眼感受程度

由于人眼在接受到不同強(qiáng)度眩光照射時(shí)最直接的表現(xiàn)是瞳孔面積的變化，因此本文通過照射前后的瞳孔面積差值來表示感受強(qiáng)度，瞳孔面積差值越大，人眼對(duì)于眩光的感受強(qiáng)度則越強(qiáng)。通過測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出人眼在被不同強(qiáng)度眩光照射后和不同照射時(shí)間后有效瞳孔面積的最小值，瞳孔面積最大值是無眩光時(shí)一段時(shí)間內(nèi)的瞳孔面積平均值。瞳孔數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 瞳孔面積差值

圖4 不同功率感受強(qiáng)度趨勢(shì)線 Fig.4 Different power perception intensity trend lines

通過表3、圖4可以看出，眩光強(qiáng)度和眩光持續(xù)時(shí)間對(duì)人眼的感受強(qiáng)度皆有影響，可以得出:

1)當(dāng)眩光強(qiáng)度相同時(shí)，人眼的感受強(qiáng)度隨著眩光持續(xù)時(shí)間的增加而增加，但最終趨于不變。

2)當(dāng)眩光持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，人眼的感受強(qiáng)度隨著眩光源強(qiáng)度的增加而增加，但最終趨于不變。

3)在眩光源功率超過10 W后，既人眼照度在130 lx之后，隨著眩光強(qiáng)度的增加人眼的感受強(qiáng)度的變化逐漸減小。

4)在眩光源功率在5～10 W之間，既人眼位置照度在90～130 lx之間時(shí)人眼瞳孔面積變化幅度最大，在此范圍內(nèi)人眼對(duì)光的變化比較敏感。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用與意義

該實(shí)驗(yàn)通過模擬道路補(bǔ)光燈的強(qiáng)烈眩光對(duì)駕駛員視覺的影響，得出人眼在受到不同強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的眩光刺激時(shí)人眼的反應(yīng)時(shí)間和感受強(qiáng)度。通過實(shí)驗(yàn)得出人眼在被照射0.1～0.5 s時(shí)間內(nèi)瞳孔的收縮時(shí)間受到眩光強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的影響很??；人眼在照度90～130 lx時(shí)對(duì)眩光眩光強(qiáng)弱的變化較為敏感，而人眼接受的照度在130 lx以上的眩光時(shí)感受強(qiáng)度變化很小。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論道路閃光燈的持續(xù)時(shí)間在滿足道路攝像機(jī)拍照時(shí)間的前提下應(yīng)當(dāng)盡量減小，盡可能控制在0.5 s以內(nèi)，因?yàn)殚W光燈的持續(xù)時(shí)間在0.1～0.5 s的范圍內(nèi)人眼瞳孔縮小時(shí)間最短，由于瞳孔延時(shí)時(shí)間基本不變，所以人眼的反應(yīng)時(shí)間最短，可以有效地縮短駕駛員視覺失能和恍惚不清的時(shí)間，增加駕駛的安全性。對(duì)于感受強(qiáng)度來說，因?yàn)闊o法調(diào)節(jié)閃光燈的亮度故無法避免人眼經(jīng)歷被強(qiáng)烈眩光照射的階段，但在后期改善和緩解閃光燈眩光的照明設(shè)計(jì)中，在駕駛員在接受閃光燈照射之前預(yù)先將駕駛員的瞳孔面積控制在人眼垂直照度為130 lx時(shí)對(duì)應(yīng)的瞳孔大小，減小駕駛員被閃時(shí)視覺感受強(qiáng)度，同時(shí)縮短了人眼的反應(yīng)時(shí)間，減少駕駛過程中的視覺失能和恍惚時(shí)間，提高駕駛舒適性和安全性。