不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法

不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法
【专利摘要】本发明涉及不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，包括：a)设定光环境；b)测量色温时间关系；c)驾驶员目标物视认；d)重新设置光环境，重复步骤c)；e）对于实验所取得的视认信息数据进行处理，建立视认时间与光环境参数色温、显色指数、亮度参数的相关关系；f）根据视认信息数据处理结果进行视觉功效分析。本发明还提供白天隧道中间段色温标准测算方法，包括，a）设定光环境；b）测量色温时间关系；c）求取稳定色温段；d）确定色温标准。本发明的方法针对夜间道路和隧道中间段照明的光环境设置对于驾驶员的视觉影响进行视觉功效分析，对于照明装置的色温、显色指数、平均亮度的合理、高效设置提供了很好的指导标准。
【专利说明】
不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及公路隧道照明技术领域，特别涉及一种不同光环境下对目标物的视觉 功效测算方法及白天隧道中间段色温标准测算方法。
【背景技术】
[0002] 为改善夜间道路和隧道中间段的视觉环境，使人造光源产生的光环境能够满足驾 驶员在夜间道路和者隧道中间段驾驶车辆时行车安全、稳定和舒适需求，目前如何测算这 些影响光环境的参数包括人造光源的色温、显色性、亮度参数值等影响因素，为达到道路的 安全舒适驾驶视认水平提供光环境设置的指导标准，是一直未能够很好解决的问题。
[0003] 国内外关于夜间道路和隧道中间段光环境参数标准的评价，缺乏对于驾驶员在不 同光源特性下的视觉功效研究，由于在不同光色环境和不同的时间段下，驾驶员视觉感受 不同，对目标物视认需求存在差异，因此需要寻求能全面、客观、简便的测算方法和系统，对 于驾驶员在不同光源特性下的视觉功效进行分析，得出不同光环境下以满足驾驶员的视认 需求的光环境参数指标。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于解决现有技术存在的上述技术缺陷，提供了一种依据可靠，操 作简便和满足驾驶视认需求的夜间道路和隧道中间段光环境参数标准的测算方法，同时还 提供了一种简单可靠、利用率高的实现基于视认安全的夜间道路和隧道中间段不同光环境 视觉功效的测算方法的系统，以克服现有的夜间道路和隧道中间段光环境参数标准的依据 不可靠、试验复杂、结果没有考虑驾驶员生心理因素的技术缺陷。通过光环境的色温、显色 性、亮度水平等参数指标综合分析，得出不同光环境下以满足驾驶员的视认需求的光环境 参数指标。
[0005] 为了解决现有技术的上述问题，本发明的第一方面，提出一种不同光环境下对目 标物的视觉功效测算方法，包括以下步骤： (a) 配置目标环境的光环境参数，所述光环境的参数包括色温，显色指数，亮度，设定一 组包括色温、显色指数、亮度的光环境参数； (b) 测量所述目标环境的不同时段内的色温值，形成色温时间关系，根据不同时段内的 色温值求取出平均色温值作为实测色温； (c) 所述目标环境为隧道中间段，根据所述色温时间关系中的时段内色温值，判定在夜 晚区间段内时，根据人体生理节律确定实施视认测试步骤，所述视认测试步骤包括:cl)在 隧道中间段的目标物位置随机放置目标物，所述目标物表面反射系数为R、边长为C; c2)指 定被测驾驶员于中间段内距所述目标物位置为D的驾驶员位置，设定所述被测驾驶员的视 认高度为H，为被测驾驶员佩戴眼动装置并标定，用遮挡物遮挡被测驾驶员的视认方向；c3) 运用所述标定后的眼动装置录制眼动视频，去除所述遮挡物，指令所述被测驾驶员进行目 标搜索并视认所述目标物;c4)操作所述眼动装置停止眼动视频录制，记录所述被测驾驶员 的视认结果和所述眼动视频;c5)更换被测驾驶员，重复步骤cl至步骤c4获取多名被测驾驶 员的视认结果和眼动视频； (d) 重新设定隧道中间段的一组不同的色温、显色指数、亮度光环境参数，并重复步骤 (b)、（c)，从而获取多组不同光环境参数下多名被测驾驶员的视认结果和眼动视频； (e) 对所述眼动装置采集的所述多名被测驾驶员的视认结果和眼动视频进行分析，确 定所述多名被测驾驶员视认目标物的注视点帧数和视认结果的有效性，根据所述注视点帧 数求出所述多名被测驾驶员在不同光环境下视认目标物的视认时间，对视认信息数据进行 相关性处理，建立视认时间与光环境的实测色温、显色指数、平均亮度之间的关系，得出同 一亮度下不同实测色温的显色指数对应的视认时间的数据关系曲线； (f) 通过对人体生理节律、视认时间与光环境的实测色温、显色指数、亮度之间的关系 分析进行视觉功效分析，得出色温、显色指数、亮度组合下提高目标物视觉功效的光环境参 数标准。
[0006] 本发明的第二方面，提供了一种白天隧道中间段色温标准的测算方法，包括， (a) 配置目标环境的光环境参数，所述光环境的参数包括色温参数，显色指数，亮度光 环境参数，选择设定一组包括色温、显色指数、亮度的光环境参数； (b) 测量目标环境不同时刻的色温值，形成色温时间关系； (c) 根据所述色温时间关系求取出分布稳定的色温段； (d) 根据光源与人体生理节律的褪黑激素抑制的关系，确定白天环境下色温为影响驾 驶安全的主要因素，并根据人眼对光色温的适应分析得出将所述分布稳定的色温段作为白 天隧道中间段的色温标准;其中，所述目标环境为白天自然光环境。
[0007] 本发明的方法，是根据人体生理节律，通过对所营造的不同光环境下驾驶员视认 隧道中间段内的驾驶视认反应和对小目标物的视认效果等信息的融合以及筛选，对驾驶员 对光环境的色温适应性分析，综合提出基于人体生理节律而满足驾驶员安全视认的隧道中 间段或夜间道路安全视认光环境指导指标，从不同时间段人体生理节律下驾驶员的角度出 发，考虑了驾驶员的视觉需求特性，提高了对隧道中间段或夜间道路光环境安全性评价的 准确性，同时操作方法简便，为道路交通安全的光环境研究提供了参考依据。
【附图说明】
[0008] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下 描述得以阐明，其中： 图1隧道中间段不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法流程图； 图2模拟隧道中间段示意图； 图3不同光环境下对目标物的视觉功效测算方法的测试示意图； 图4 1.5cd/m2亮度下不同色温的显色指数一一视认时间的数据关系曲线； 图5 2.Ocd/m2亮度下不同色温的显色指数一一视认时间的数据关系曲线； 图6 2.5cd/m2亮度下不同色温的显色指数一一视认时间的数据关系曲线； 图7 3.Ocd/m2亮度下不同色温的显色指数一一视认时间的数据关系曲线； 图8 3.5cd/m2亮度下不同色温的显色指数一一视认时间的数据关系曲线； 图9 4.Ocd/m2亮度下不同色温的显色指数一一视认时间的数据关系曲线； 图10 4.5cd/m2亮度下不同色温的显色指数----视认时间的数据关系曲线； 图11 5. Ocd/m2亮度下不同色温的显色指数一一视认时间的数据关系曲线； 图12白天隧道中间段色温标准测算方法的测试示意图； 图13白天晴天自然光色温分布图； 图14白天阴天自然光色温分布图。
[0009] 附图标记 100隧道中间段 101模拟隧道中间段 102照明装置 103目标物 104被测驾驶员 105遮挡物。
【具体实施方式】
[0010] 由于夜间道路的环境与隧道中间段的环境相近似，本发明的测试是在隧道中间段 进行的，但其结果同样可以适用于夜间道路的照明设置。
[0011] 实施例一 图1示出了本发明测量隧道中间段不同光环境下对目标物的视觉功效测算方法的流 程，图3示出了实现本发明提供的不同光环境下对目标物的视觉功效测算方法的测试示意 图，通过本发明提供一种不同光环境下对目标物的视觉功效测算方法，以测算出不同光环 境下对目标物的视觉功效的影响因素，确保根据测试结果设置的光环境能够满足驾驶者的 视认安全。
[0012] 参照图1和图3,根据本发明的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，包 括以下步骤： 步骤(a):配置目标环境的光环境参数，所述光环境参数包括:色温参数，显色指数，亮 度;在测算试验中，可以设置不同色温参数，不同的显色指数，设置不同的平均亮度，设定一 组包括色温、显色指数、亮度的光环境参数，用以设定光环境，由于目标环境中光源的参数 可以在一定程度上代表目标环境的光环境参数，所以上述设定一组包括色温、显色指数、亮 度的光环境参数可以通过设定光源的参数来实现，为了直接求出目标环境的光环境参数， 还可在设定之后，通过测量装置测出目标环境的实际色温、显色指数、亮度等参数;对于亮 度，为了真实反映目标环境的情况，可以测量目标环境中多个点的亮度值，然后求取平均值 来作为目标环境的亮度值。
[0013] 步骤(b):测量所述目标环境的不同时刻的色温值，形成色温时间关系，用于分析 色温随时间变化的关系，根据不同时段内的色温值求取出平均色温值作为实测色温，这样 测量出的色温充分考虑不同时间段对色温变化的影响，更加真实地反映目标环境的光环境 情况，所述不同时段内的色温值为连续一段时间的色温值，具体时间长度应考虑每次设定 光环境之后的实验时间，采集时可固定等长度的时间间隔进行采集也可离散采集，记录采 集时间作为色温时间关系中的时刻值，还可实时连续采集，利用统计函数计算出平均值，将 采集时间段中间值作为时刻值。
[0014] 步骤(c):根据所述色温时间关系中的时刻值，判定在夜晚区间段内时，根据人体 生理节律确定所述目标环境选择隧道中间段并在所述隧道中间段实施视认测试步骤，根据 所述目标环境所在时区的当地时间来描述所述时刻值，例如采用24小时制时，采用0至24来 描述上述时刻值，所述时刻值在0至6或在20至24时，判定为在夜晚区间段内，又例如采用12 小时制时，采用上午0至12和下午0至12来描述所述时刻值，所述时刻值在上午0时至上午6 时或者在下午8时至下午12时时，判定为在夜晚区间段内，当然采用别的计时方法，可以参 照国际间转换标准进行转化，所述视认测试步骤包括:c 1)在隧道中间段的目标物位置随机 放置目标物，所述目标物表面反射系数为R、边长为C; c2)指定被测驾驶员于中间段内距所 述目标物位置为D的驾驶员位置，设定所述被测驾驶员的视认高度为H，为被测驾驶员佩戴 眼动装置并标定，用遮挡物遮挡被测驾驶员的视认方向；c3)运用所述标定后的眼动装置录 制眼动视频，去除所述遮挡物，指令所述被测驾驶员进行目标搜索并视认所述目标物;c4) 操作所述眼动装置停止眼动视频录制，记录所述被测驾驶员的视认结果和所述眼动视频； c5)更换被测驾驶员，重复步骤cl至步骤c4获取多名被测驾驶员的视认结果和眼动视频。
[0015] 通过研究发现，在人的长期进化过程中，周围的光环境会影响人体的生理节律，包 括昼夜节律、激素分泌和警觉程度，人眼的感光细胞将光信号传递到下丘脑通路，再进入到 视神经交叉上核和下丘脑旁核等下丘脑核中，视神经交叉上核将光信号传递到神经系统的 各个控制中心，从而调节包括皮质醇、褪黑激素、胰岛素、生产激素等几乎所有激素的产生， 其中褪黑激素的分泌会降低人体的注意力，在驾驶环境中，人体分泌过多的褪黑激素就会 影响驾驶安全，所以在考量隧道中间段的光环境是否为安全驾驶环境，还需引入人体生理 节律的因素，即在光环境影响下分泌褪黑激素等的作用效果，即应考虑人体生理节律对于 安全识认的影响。通过对人体生理节律分析可知，从早上6点到晚上8点之间，褪黑激素分泌 趋近于停止，晚上八点到第二天早上6点褪黑激素开始分泌，人体反映开始迟钝，这时在夜 间的隧道中，为了保证驾驶安全，应采用视认测试，直观测试驾驶员在夜间隧道中间段的光 环境下对视认目标物的视认结果，直接反映出人体的反应。测试方法是，在所述隧道中间段 放置目标物，可以选择目标物为边长为C的立方体，选择多名被测驾驶员位于测试位置分别 进行测试，所述目标物放置的位置距中间段隧道被测驾驶员所在位置的距离D，被测驾驶员 的视认高度为H，被测驾驶员佩戴好动态眼动装置并标定后开始眼动视频录制，用遮挡物遮 挡被测驾驶员前方场景，随机摆放好视认目标物后，去除遮挡物，同时指令被测驾驶员开始 进行目标物搜索并视认目标物，结束视认后停止视频录制，记录被测驾驶员的相关测试信 息和视认结果。
[0016] 在实际的隧道测试中，所述视认目标物放置的位置距隧道中间段起点的距离D通 常不小于所述隧道最高限速下的安全停车视距Do。
[0017] 步骤(d)重新设定隧道中间段的一组不同的色温、显色指数、亮度光环境参数，并 重复步骤(b)、（c)，从而获取多组不同光环境参数下多名被测驾驶员的视认结果和眼动视 频。
[0018] 步骤(e)对所述眼动装置采集的所述多名被测驾驶员的视认结果和眼动视频进行 分析，确定所述多名被测驾驶员视认目标物的注视点帧数和视认结果的有效性，根据所述 注视点帧数求出所述多名被测驾驶员在不同光环境下视认目标物的视认时间，对视认信息 数据进行相关性处理，建立视认时间与光环境的实测色温、显色指数、平均亮度之间的关 系，得出同一亮度下不同实测色温的显色指数对应的视认时间的数据关系曲线。
[0019] 步骤(f)通过对人体生理节律、视认时间与光环境的实测色温、显色指数、亮度之 间的关系分析进行视觉功效分析，得出色温、显色指数、光源亮度参数组合下提高目标物视 觉功效的光环境参数标准。
[0020]色温是当光源所发出的颜色与"黑体"在某一温度下辐射的颜色相同时，"黑体"的 温度就称为该光源的色温，单位是开尔文(K)，不同色温的光源所散发出的光线颜色不同， 对视觉感受不同，光的能量与波长成反比，当光的能量增加时，光谱成分中短波光线所占的 比例增加，长波光线所占比例减少，所以光的颜色就逐渐偏蓝，光源色温大于5300K称为冷 色光;色温小于3300K称之为暖色光。若光源色温选择适当，可使人的中枢神经和自主神经 系统功能得到平衡，使紧张的神经得以松弛;反之，则可能导致中枢神经系统功能失调，甚 至扰乱身体的自然平衡。而不同色温的光线由于光谱分布功率不同使其在空气中的穿透能 力不同，都会影响驾驶员视认。如下表所示，不同色温光色环境给驾驶员心理和生理上的影 响不同。在不同光源色温的照明环境下，驾驶员对于目标物视认做出的反应和效果不同，因 此夜间道路和隧道中间段的光环境中的色温值对于安全驾驶具有重要的作用，通过对同一 亮度下不同实测色温的显色指数对应的视认时间的数据关系曲线进行分析，可得出色温与 代表了安全驾驶性能的视认时间关系，从中得出提高目标物视觉功效光环境参数指导标 准，保证驾驶员的行车安全。
[0021 ]表1色温与照度对应人的舒适感
在夜间环境下，夜间隧道外环境黑暗，自然光源极其微弱，亮度几乎为零。驾驶员在夜 间驶入隧道时，瞳孔会迅速收缩，且隧道内外亮度、光色差异越大，瞳孔面积的缩小速度越 快。这种情况下隧道内光环境明显优于隧道外，驾驶员在很短的时间内由漆黑的自然环境 进入到隧道人工照明营造的明亮的光环境中，再进入黑暗的自然环境，会经历入洞时一个 明适应过程，出洞时又要经历洞外黑暗环境的暗适应过程。隧道中间段光环境色温选择过 高，光色偏白，洞内外光色差异过大，驾驶员会有刺眼的感觉，形成不良的眩光现象，光源色 温选择过低，光色偏黄，驾驶员行驶在长隧道中间段时会产生视觉疲劳，有昏昏欲睡的感 觉，如果隧道内光色环境选择的不合理，驾驶员就会产生心理上的不适，应选择舒适且有觉 醒效果的隧道中间段光色环境。
[0022]为了提高所述光环境参数指导标准的可靠性，所述目标物的颜色选择非彩色，非 彩色是指白、灰、黑等不带颜色的色彩，白色、灰色和黑色等非彩色物体对白光光谱各波长 的光吸收程度均等，反射比在80-90%以上该物体为白色，4%之下为黑色，基于之间的为不同 程度的灰色，灰色介于黑色和白色之间。
[0023] 通过对自然光光谱成份调研发现，接近自然光的色温分布在5000K-6000K的范围， 因此为了提高测量数据的有效度普遍性，在本实施例的测试中，对于色温的选择可以在上 述数值范围进行外延，如可以将色温的取值范围设在3000K-6500K之间，从视认安全舒适 性及减小运营成本的角度考虑，可以将显色指数的取值范围设置在50-100之间，照明环境 亮度水平是评价隧道照明质量的重要参数之一。
[0024] 国外一些国际学术团体和国家对中间段照明采用亮度指标值的规定不同，下表是 我国现行《公路隧道通风照明设计细则KJTG/T D70/2-01-2014)隧道中间段的基本照明 亮度表： 表2中间段基本照明亮度表Lin(cd/m2)
为了提高测量数据的有效度和普遍性，本实施例的亮度的取值范围设置在1.0 cd/m 2一5 cd/m2之间。
[0025] 为了使本发明的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法更加可靠，且符合 国际标准，本发明中的基于安全视认的隧道中间段100的照明标准的测算方法的本实施例 中，采用的目标物103为体积为20cm X 20cm X 20cm左右、反射率为20%的的灰色立方体;为了 消除实验中驾驶员的记忆目标物位置对实验结果产生的影响，在测试中所述视认目标物在 所述隧道中间段100中的位置设置是任意的，并在所述视认目标物的设置过程中，对于被测 驾驶员进与视认目标物之间设置遮挡，如采用黑色幕布进行遮挡。
[0026] 在本实施例中，光环境的设置采用可调控照明装置，并采用非彩色目标物、分光辐 射测量装置、亮度测量装置、动态眼动测量装置、距离测量装置进行测试，从而很方便地实 施本实施例，为了使测算结果更符合客观现实，本发明的不同光环境下对非彩色目标物的 视觉功效的测算方法的本实施例中，还选取了多名驾驶员，为随机选取的分布在不同年龄 段、正常视力水平和不同驾龄段的人员。
[0027]通过本实施例的方法，建立起驾驶员视认时间与光环境的色温、显色指数、亮度参 数之间的关系分析，通过实验和对于实验数据的分析和处理，为实际的夜间道路照明和隧 道中间段的照明提供了有效、合理地符合驾驶员客观视觉功效的光环境参数指导标准。 [0028] 实施例二 由于在实际已经使用通行的隧道中间段进行测试，由于受通行车辆的影响，难于完成 实际的测算实验，因此，在本实施例中，采用模拟隧道中间段进行本发明的测算更为现实。
[0029] 在本实施例中，发明人在一个库房的长条形走廊内搭建了一个长、宽、高为60X 3.8X3.8m的实验环境，为了使实验环境的光源可控，不受顶面和侧面材料反射光的影响， 在实验环境的顶面和左右侧面采用黑布覆盖，地面铺设与沥青混凝土路面接近的漫反射系 列材料 改性沥青防水卷材。
[0030] 为了使照明光源可调控，方便操作，本实验选择多种光源进行实验，如目前隧道中 应用较普遍的LED光源作为实验光源。通过对自然光光谱成份调研发现，接近自然光的色温 分布在5000K-6000K的范围，因此为了提高测量数据的有效度普遍性，本次实验光源的色温 参数选取了3000K，4000K，5000K，5700K，6500K等5类色温水平作为代表光源。。从视认安全 舒适性及减小运营成本的角度考虑，本次实验显色指数选取了 60,70,80,90等4种显色指 数。将5种色温水平和4种显色指数进行实验方案设计，共设计了 14组不同光源。如下表3所 示 表3 LED光源色温显色指数表
照明环境亮度水平是评价隧道照明质量的重要参数之一，本次实验选取的设计速度为 80km/h，安全视认距离为110m，根据隧道照明设计要求(见表1所示），隧道中间段亮度取值 多为1.5cd/m2-3.5cd/m 2,因此为了提高测量数据的有效度普遍性本实施例中选取了 1.5cd/m2,2.0 cd/m2,2.5 cd/m2,3.0 cd/m2,3.5 cd/m2,4.0 cd/m2,4.5 cd/m2,5cd/m2等 8种亮度水平进行测算。
[0031] 本实施例涉及人的认知，为了避免不同性别、年龄和性格等驾驶员对实验结果的 差异性影响，本实验选取男性10人，在26-50岁平均分布;女性2人，在26-50岁平均分布。具 体如下面表3所示。根据实验目的，本实验随机选择了 12名身体健康、无心血管病史、心脏病 等重大疾病的被测驾驶员，要求被测驾驶员两眼裸视力达到4.9以上，无色盲色弱等眼部疾 病。实验时要求休息良好、反应正常。实验期内无饮酒/用药等不良情况。
[0032]表4被测驾驶员概况
在实验中，被测驾驶员视认高度即"目高"H，是指驾驶员眼睛距地面的高度。中国的相 应标准中，对目高的规定是以车体较低的小客车为标准，采用的标准目高Ho是1.2m。
[0033]在隧道照明中，目标物的对比度是人眼识别障碍物实质性因素。目标物的亮度和 背景亮度构成目标物对比度，如果目标物亮度接近背景亮度，则无论保持多高的路面亮度， 其可见度低，给行车安全带来风险，是不利的情况。如果目标物对比度较大，则人眼很容易 发现目标物。由于灰色物体与隧道内常采用的沥青混凝土路面对比度较低，按视认最不利 原则，采用灰色立方体作为视认目标物。
[0034]鉴于道路上的障碍物大多由不规则的多面体组成，汽车底盘离地最小高度变化在 0.10~0.20m之间。道路上引起车辆倾覆的最大障碍物高度为18cm，当高度大于18cm时驾驶 员必须采取躲闪措施。在本实施例中选择的视认目标物是按照国际照明协会CIE推荐的尺 寸为体积20cm X 20cm X 20cm，表面反射系数为0.2的灰色立方体作为评价驾驶人安全视认 评估测量的参照物，尽管实际的交通障碍物也许颜色或形体大小不一，但研究表明，以此为 标准的目标物将适用于各种不同的照明环境测量评估。因此，在本实施例中，最终采用的是 上述20cm X 20cm X 20cm的灰色立方体，即视认目标物的标准边长Co为20cm，作为评价隧道 照明可见度因素的标准视认目标物。
[0035]本实施例选取的隧道设计最高限速是80km/h，其安全停车视距Do为110m，鉴于实 验场地实际有效距离D为45m，不能提供足够的观测距离，根据视网膜成像原理，目标物尺寸 与被试驾驶员视认目高进行等比例缩减计算，得到具体实验中驾驶员的实际目高与目标物 的尺寸，如表5所示。
[0036]表5实验目标物尺寸与视认目高换算
如表5所示，当在模拟隧道中间段的视认距离D为45m时，驾驶员的视认高度为0.49m，视 认目标物的大小为8.2cm X 8.2cm X 8.2cm在测试过程中，采用驾驶员半坐躺在地面的方式 进行测试。
[0037] 在如图2所示的模拟隧道中间段中，通过上述的对于模拟隧道中间段的光环境和 测试环境的设置，使得模拟隧道中间段的光环境与实际的隧道中间段的光环境十分相似。
[0038] 为了对于模拟隧道中间段满足在不同光环境参数下进行测试，在所述模拟隧道中 间段安装有可使用多种光源特性的照明装置，如可以根据实验需要选择安装十几种不同的 照明光源中的一种，通过色温、显色指数、亮度的测试装置测量所设置的光环境的色温、显 色指数、平均亮度的参数值，如采用分光辐射照度计、色彩亮度计对于照明的显色指数、照 度、色度、相关色温等参数进行测量，通过对于照明装置调试，使之产生均匀的光色环境，达 到实验所要求的光环境参数值。确定驾驶员及目标物所在位置，调整驾驶员目高为〇.49m， 并用照度计测量目标物放置处的色温、显色性指数(根据实际实验条件而定），用亮度计测 试目标物放置处的亮度，为被测驾驶员佩戴ETG眼动仪，并进行ETG眼动仪校准（五点校准 法）眼动仪校准后，开始录制视频，工作人员用黑色幕布遮挡被试驾驶员前方场景，摆放视 认目标物，工作人员放下黑色幕布，同时被测驾驶员开始进行视认目标物，结束视认后停止 视频录制，让被试驾驶员回答以下问题：（1)是否存在目标物；（2)目标物的形状;（3)目标物 的颜色，获得视认结果，根据所述视认结果与所述目标物的形状、颜色比对，如果视认结果 与所述目标物的形状、颜色不匹配，则判定所述视认结果为无效的视认结果。然后重复上述 实验过程，直至全部驾驶员视认完毕，然后，安装下一组光源，重新设置光环境参数值，重复 上述实验过程，直至所设计的14组光源全部测试完毕。
[0039] 为扩大样本量以提高测量数据精确度、有效度，实验过程中对不同驾驶员在同一 实验环境下重复进行，以剔除驾驶员个体差异。实验样本量总计1308个。
[0040] 在本实施例中，选用的动态眼动仪的数据采集频率为30Hz，即每隔20ms采集一次 眼动数据;眼动捕捉范围为水平方向±35°，垂直方向±27.5°;眼动追踪解析度0.1°;视线 焦点精确度〇. 5°-1.0° (在所有距离上）。可动态记录驾驶员视认过程中注视点等信息。通过 眼动仪采集到的驾驶员视认目标物的信息，可以分析确定驾驶员捕捉目标物注视点的帧数 从而换算得出视认时间。
[0041] 实验还采用数码照相机、数码摄像机等设备，拍摄实验过程中的必要场景，为后期 数据分析提供必要的信息支持。
[0042] 通过对眼动仪采集的视频信息进行分析，确定驾驶员捕捉目标视认物注视点的帧 数(视认时间），用视认目标物帧数测量驾驶员在不同光环境特性条件下下观测视认目标物 的视认时间。通过对实验数据统计、整理，用MATLAB软件进行处理，得到同一亮度下不同实 测色温的显色指数--视认时间的数据关系曲线，如图4至图7所示的，分别是在亮度为 1.5cd/m 2,2.0 cd/m2,2.5 cd/m2,3.0 cd/m2,3.5 cd/m2,4.0 cd/m2,4.5 cd/m2,5cd/m2数 值下，视认时间、显色指数和平均亮度之间的关系曲线。
[0043] 从图4至图11所示的关系曲线可见，对于本实施例数据关系曲线变化趋势可知，光 源的色温分别是30001(、40001(、50001(、57001(、65001(时，随着色温的增大，即光色由黄光向白 光的变化过程中，驾驶员视认目标物的时间随之增加。驾驶员在低色温3000K、4000K两组光 源下对目标物的视认时间相对较短，视觉功效较好。因此，在一定的亮度水平情况下，低色 温3000Κ、4000Κ黄色光源较高色温的白色光源增加了视认目标物与背景环境的光色对比 度，增加了驾驶员视认目标物的视觉敏锐度，提高了驾驶视认的视觉功效，有利于驾驶员对 目标物的视认。夜间隧道中间段光色选择低色温光源会使驾驶员感觉舒适，提高视认效率。 根据不同光源特性条件下对目标物视认视觉功效研究结论，照明光源的辐射光谱中蓝色光 谱会刺激人眼的瞳孔收缩，具有较好的视觉功效，夜间隧道中间段光源光谱中添加少许蓝 光增加驾驶员觉醒水平，提高视敏度，所以色温取值范围为3500~3700Κ，满足驾驶员视觉舒 适性且有觉醒效果。
[0044] 实施例三 本发明还提供了一种白天隧道中间段色温标准测算方法，参照图12,包括步骤如下： (a))配置目标环境的光环境参数，所述光环境的参数包括色温，显色指数，亮度光环 境参数，选择设定一组色温、显色指数、亮度的光环境参数值，上述配置过程可人工调节光 源的参数来模拟目标光环境，为了使所述测算方法更加可靠，可随机设定光环境参数，当然 也可直接将测量仪器放置在随机的目标环境中。
[0045] (b)运用色温测量仪器，如分光辐射照度计，测量目标环境不同时刻的色温值，形 成色温时间关系，测量时可采用连续测量不同时刻的色温值，实验时，随机设定目标环境的 光环境参数，具有代表性的随机目标环境可为随机一天的白天自然光环境，这时可为阴天 也可为晴天，测量时连续测量或者不同日期测量，记录下对应的时刻，最终形成统计表格， 表征白天自然光的色温与时刻的关系。如表6和表7所示，为本实施例测量到的白天晴天和 阴天的自然光色温值。
[0046]表6白天晴天自然光色温值


(C)根据上述色温和时间的关系建立分布图，求出分布稳定的色温段，如图13所示为白 天晴天色温的分布图，从图中可得出，晴天8:00之前天空色温较高，且随时间由高变低，8: 00-17:00色温基本不变，维持在4500-5000K之间，分布稳定，如图14所示为白天阴天色温的 分布图，从图中可得出，阴天全天色温稳定在6000-7000K之间。
[0047] (d)根据上述光源与人体生理节律的褪黑激素抑制的关系，确定白天环境下色温 为影响驾驶安全的主要因素，并根据人眼对光色温的适应分析得出将所述分布稳定的色温 段作为白天隧道中间段的色温标准;其中，所述目标环境为白天自然光环境。
[0048]研究发现，哺乳动物视网膜上存在有视网膜神经节感光细胞（ipRGCs)，其将光信 号传递到下丘脑通路(RHT)，再进入到视神经交叉上核（SCN)和下丘脑室旁核(PVN)等下丘 脑胞核中，视神经交叉上核将光和非光信息传递到神经系统的各个控制中心，从而调节包 括皮质醇、褪黑激素、胰岛素、生长激素等几乎所有激素的产生。白天抑制分泌褪黑激素使 人保持清醒，分泌过多的褪黑激素容易造成人入睡，从而影响驾驶安全，而不同的感光细胞 (ipRGCs)对不同波长的光的敏感度不同，就会促使分泌不同数量的褪黑激素，而采用光环 境的色温值可以体现出白天环境中有不同波长的光的成分，所以确定白天环境的色温为影 响驾驶安全的主要因素。
[0049] 人眼对色温的适应分析如下：隧道中间段光环境相比隧道出入口段是一个较稳定 的光环境，隧道中间段光环境色温选择过高，光色偏白，洞内外光色差异过大，驾驶员会有 刺眼的感觉，形成不良的眩光现象，光源色温选择过低，光色偏黄，驾驶员行驶在长隧道中 间段时会产生视觉疲劳，有昏昏欲睡的感觉。人眼在自然光源下比在人工光源下有更高的 视觉灵敏度，视觉是长期在自然光照射下演变进化的，人类经过长年的进化也适应了自然 光源的光色，所以人眼对于自然光的光色更敏感，越能抑制褪黑激素的分泌。隧道中间段选 择与外界自然光光源接近的光色环境，可以缓解驾驶员驶入、驶出隧道时因光源光色差异 对视觉产生的影响，从而达到相同亮度情况下提高驾驶员视认效率，增加驾驶安全舒适性； 相同视认效率情况下降低安全环境亮度，节约资源消耗，上述将所述分布稳定的色温段作 为所述白天隧道中间段的色温标准的步骤的包含但不限于直接将稳定的色温段作为标准， 还应考虑实际因素，如考虑节约能耗的因素。
[0050] 白天隧道中间段光源光色选择接近自然光光色会使驾驶员感觉舒适，能够达到提 高视认效率、增加驾驶安全舒适性、节约资源消耗的目的，由于高色温的光源能耗较高，且 易造成眩光，因此，由上述测算方法确定隧道中间段光环境色温选取4500~5000K相对较好。 [0051 ]实施例四 本发明还提供了一种实现不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法和白天隧道 中间段色温标准测算方法的系统，所述系统包括:模拟隧道中间段子系统，所述模拟隧道中 间段子系统包括安装在隧道中间段中的可调控照明装置，所述模拟隧道的顶面和左右侧面 设置有吸光材料，在所述模拟隧道的中设置有遮挡视觉的遮挡物，所述模拟隧道的地面设 置与实际路面接近的漫反射材料，用于营造隧道中间段光环境和测试环境;测试子系统，所 述测试子系统包括非彩色目标物、分光辐射测量装置、亮度测量装置、动态眼动测量装置、 距离测量装置，用于进行测试、采集测试数据和结果;数据处理子系统，所述数据计算子系 统包括计算机系统，用于对测试数据进行拟合与处理。
[0052] 所述模拟隧道中间段子系统的所述可调控照明装置为功率可调照明光源，设置在 所述模拟隧道的顶部，所述模拟隧道的顶面和左右侧面设置吸光材料为黑色装饰材料，所 述遮挡物为黑色幕布，所述地面设置与实际路面接近的漫反射材料为改性沥青防水卷材； 所述测试子系统中，所述非彩色目标物为反射率为20%的灰色立方体，分光辐射测量装置为 分光辐射照度计，所述亮度测量装置为色彩亮度计，动态眼动测量装置为动态眼动仪。所述 动态眼动仪数据采集频率为30Hz，即每隔20ms采集一次眼动数据;眼动捕捉范围为水平方 向±35°，垂直方向±27.5° ;眼动追踪解析度0.1° ;视线焦点精确度0.5°-1.0°，可动态记录 驾驶员视认目标物的信息，用于分析确定驾驶员捕捉目标物注视点的时间，所述立方体目 标物的边长小于或等于20cm〇
[0053] 本实施例中的所述系统中的照明装置为色温、显色指数、亮度可控的照明装置，在 光环境设置上灵活方便。在对于光环境参数值的测量中，为了测量方便，所述色温测量装置 和显色指数测量装置都为同一个，为分光辐射照度计。系统中的亮度测量装置可为彩色亮 度计，也可为照度仪，可通过照度与亮度的关系求出亮度值，如先测量路面平均亮度值和平 均照度值，再计算出路面平均照度换算系数，此系数就可用于照度与亮度的换算关系中，通 过测量照度就可求出亮度。
[0054]通过本发明的一种不同光环境下对目标物的视觉功效测算方法和白天隧道中间 段色温标准测算方法，对于夜间道路和隧道中间段的照明的光环境设置对于驾驶员的视觉 影响给出了对于其照明装置的色温、显色指数、亮度的合理、高效设置提供了很好的指导标 准。
【主权项】
1. 一种不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，包括以下步骤， (a) 配置目标环境的光环境参数，所述光环境的参数包括色温、显色指数、亮度，设定 一组包括色温、显色指数、亮度的光环境参数； (b) 测量所述目标环境的不同时段内的色温值，形成色温时间关系，根据不同时段内的 色温值求取出平均色温值作为实测色温； (c) 根据所述色温时间关系中的时刻值，判定在夜晚区间段内时，根据人体生理节律确 定所述目标环境选择隧道中间段，并在所述隧道中间段实施视认测试步骤，所述视认测试 步骤包括:cl)在隧道中间段的目标物位置随机放置目标物，所述目标物表面反射系数为R、 边长为C; c2)指定被测驾驶员于中间段内距所述目标物位置为D的驾驶员位置，设定所述 被测驾驶员的视认高度为H，为被测驾驶员佩戴眼动装置并标定，用遮挡物遮挡被测驾驶员 的视认方向；c3)运用所述标定后的眼动装置录制眼动视频，去除所述遮挡物，指令所述被 测驾驶员进行目标搜索并视认所述目标物;c4)操作所述眼动装置停止眼动视频录制，记录 所述被测驾驶员的视认结果和所述眼动视频;c5)更换被测驾驶员，重复步骤cl至步骤c4获 取多名被测驾驶员的视认结果和眼动视频； (d) 重新设定隧道中间段的一组不同的色温、显色指数、亮度光环境参数，并重复步骤 (b)、（c)，从而获取多组不同光环境参数下多名被测驾驶员的视认结果和眼动视频； (e) 对所述眼动装置采集的所述多名被测驾驶员的视认结果和眼动视频进行分析，确 定所述多名被测驾驶员视认目标物的注视点帧数和视认结果的有效性，根据所述注视点帧 数求出所述多名被测驾驶员在不同光环境下视认目标物的视认时间，对视认信息数据进行 相关性处理，建立视认时间与光环境的实测色温、显色指数、平均亮度之间的关系，得出同 一亮度下不同实测色温的显色指数对应的视认时间的数据关系曲线； (f) 通过对人体生理节律、视认时间与光环境的实测色温、显色指数、亮度之间的关系 分析进行视觉功效分析，得出色温、显色指数、亮度组合下提高目标物视觉功效的光环境参 数标准。2. 根据权利要求1所述的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，其特征在于： 步骤(a)中所述隧道为模拟隧道； 步骤(c)中所述人体生理节律包括，夜晚时人体抑制褪黑激素分泌的机能变弱，采用视 认测试步骤能够直观体现出驾驶安全性； 步骤(c)中所述视认目标物为灰色立方体，在隧道最高限速下的安全停车视距为Do情况 下，取视认目标物的边长为标准边长Co,取被测驾驶员的视认高度为小轿车驾驶员标准坐 视高为Ho,则所述视认目标物与所述被测驾驶员的距离D、所述视认目标物的边长C、被测驾 驶员的视认高度Η与安全停车视距Do、目标物标准边长Co、标准视高Ho应满足D:C:H = D〇:C0: Ho的换算比例关系。3. 根据权利要求1或2所述的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，其特征在 于:所述光环境参数值取值范围为:色温的取值范围为3000K-6500K，显色指数的取值范围 为50-100,亮度的取值范围为1.0 cd/m2-10 cd/m2;所述视认目标物与所述被测驾驶员 之间的距离D为安全视认距离，所述目标物的边长C=20cm，所述视认高度Η为1.2m，所述目标 物的表面反射系数为0.2。4. 根据权利要求1或2所述的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，其特征在 于:所述色温的值为30001(、40001(、50001(、57001(、65001(，所述显色指数的值为60、70、80、90， 所述亮度的值为 1.5cd/m2、2.0 cd/m2、2.5 cd/m2、3.0 cd/m2、3.5 cd/m2、4.0 cd/m2、4.5 cd/m 2、5cd/m 2〇5. 根据权利要求1或2所述的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，其特征在 于，所述视认目标物在所述隧道中间段中的位置为任意的，用黑色幕布遮挡被测驾驶员前 方场景，摆放视认目标物后放下黑色幕布，同时指令被测驾驶员开始进行视认目标物，结束 视认后停止眼动视频录制，让被测驾驶员对于（1)是否存在目标物；（2)目标物的形状；（3) 目标物的颜色，给出视认结果，并根据所述视认结果与所述目标物的形状、颜色比对，如果 视认结果与所述目标物的形状、颜色不匹配，则判定所述视认结果为无效的视认结果。6. 根据权利要求1或2所述的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，其特征在 于:所述多名被测驾驶员为随机选取的分布在不同年龄段、不同正常视力段和不同驾龄段 的多名人员，在测试过程中对不同驾驶员在同一实验环境下重复进行，以剔除驾驶员个体 差异。7. 根据权利要求6所述的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，其特征在于； 根据所述同一亮度下不同实测色温的显色指数对应的视认时间的数据关系曲线得出在光 环境的亮度水平不变，显色指数不变，降低色温，能够提高目标物的视觉功效的结论。8. 根据权利要求6所述的不同光环境下对目标物的视觉功效的测算方法，其特征在于， 根据所述同一亮度下不同实测色温的显色指数对应的视认时间的数据关系曲线得出夜间 隧道中间段色温设定范围为3500~3700K时，能够提高目标物的视觉功效的结论。9. 一种白天隧道中间段色温标准测算方法，包括， (a) 配置目标环境的光环境参数，所述光环境的参数包括色温参数，显色指数，亮度光 环境参数，选择设定一组包括色温、显色指数、亮度的光环境参数； (b) 测量目标环境不同时段内的色温值，形成色温时间关系； (c) 根据所述色温时间关系求取出分布稳定的色温段； (d) 根据光源与人体生理节律的褪黑激素抑制的关系，确定白天环境下色温为影响驾 驶安全的主要因素，并根据人眼对光色温的适应分析得出将所述分布稳定的色温段作为白 天隧道中间段的色温标准;其中，所述目标环境为白天自然光环境。10. 根据权利要求9所述的一种白天隧道中间段色温标准测算方法，其特征在于，所述 色温标准为4500~5000K。
【文档编号】G06F19/00GK105868570SQ201610249223
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】胡江碧, 李晓宇, 高小娟, 张晓芹, 管桂平, 王建民, 刘峰, 高林熹, 张元峰, 刘佳美, 徐鹏飞, 陈建龙, 陈杰超, 王荣华
【申请人】北京工业大学