基于隧道照明的中間視覺可見度研究

徐 華 美

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雖然空運(yùn)和鐵路兩種運(yùn)輸方式越來越受人們的歡迎，但公路運(yùn)輸仍然是中國現(xiàn)階段最主要的運(yùn)輸方式，在客、貨運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用。由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，車輛進(jìn)入隧道后內(nèi)外光線的亮度存在很大的差異，如果只依靠自然光的照射，不能滿足車輛進(jìn)入隧道后行駛的照明需求。因此，為了保證車輛安全順暢通過隧道，合理設(shè)置隧道內(nèi)部的照明設(shè)備對保證安全行駛有著非常重要的意義[1]。

國外專家對中間視覺做了大量的研究，Palmer提出了中間視覺的光度學(xué)模型[2]，Kokoschka研究了4變量的中間視覺模型[3]，研究結(jié)果表明，人眼處于中間視覺環(huán)境下，人眼中的錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞將會同時發(fā)揮作用，此時雙眼的視覺靈敏度最高，視覺會根據(jù)亮度的改變而改變?？梢姡搜厶幱谥虚g視覺的視覺效果是最佳的。因此，本文從人眼的中間視覺出發(fā)，研究隧道照明的可見度，給車輛行駛提供安全照明，有效減少隧道中交通事故的發(fā)生，以確保道路交通的安全。

1 隧道照明的視覺特征

人眼由亮進(jìn)入暗的場景時，一瞬間完全看不見或者很難看見前方的障礙物，只有經(jīng)過短暫的時間適應(yīng)以后，眼睛的感知度才會逐漸升高，然后慢慢地適應(yīng)暗環(huán)境，這時視覺效果才會恢復(fù)正常，這種適應(yīng)的過程稱為暗適應(yīng)過程。人眼從非常亮的場景到非常暗的場景轉(zhuǎn)換過程中，適應(yīng)的時間是比較長的。如果前一段場景不是很亮，或者后一段場景的背景亮度不是很暗，暗適應(yīng)的時間會縮短很多。一般背景亮度處于0.010～0.005 cd/m2及其以下時都被認(rèn)為是暗視覺[4]。反過來，人眼從暗的場景到亮的場景時，眼睛也會出現(xiàn)同樣的情況，在一瞬間內(nèi)幾乎看不見任何東西，經(jīng)過3 min左右人眼才能逐漸清晰，看清周圍的障礙物?？傊搜鄣囊曈X適應(yīng)時間一般從亮場景到暗場景大約18 min左右，而從暗場景到亮場景大約2 min左右，人眼從亮到暗的適應(yīng)時間較長，具體的適應(yīng)過程如圖1所示[5]。

圖1人眼的適應(yīng)過程

駕駛員在穿過隧道的時候，人眼的視覺要經(jīng)歷隧道的明適應(yīng)和暗適應(yīng)之間的交替過程，特別是在白天行駛時，人眼視覺會產(chǎn)生特殊的視覺現(xiàn)象。當(dāng)駕駛員行駛到接近隧道時，隧道呈現(xiàn)在駕駛員眼中仿佛是一個黑洞，稱之為“黑洞現(xiàn)象”。駕駛員從亮度高的隧道外行駛進(jìn)入亮度相對較暗的隧道內(nèi)時，人眼視覺要適應(yīng)從明到暗的過程，這就是暗適應(yīng)過程。人眼的暗適應(yīng)時間比明適應(yīng)的時間長，同時隧道所處的地區(qū)通常是山區(qū)，光線氣候條件都比較復(fù)雜，駕駛員在駛?cè)胨淼罆r眼睛很難迅速適應(yīng)隧道內(nèi)較暗的環(huán)境，導(dǎo)致視線變得模糊不清，看不到前方路況，容易造成交通事故。車輛駛?cè)腴L度較短的隧道時，人眼能直接看見隧道的出口，隧道就像是個黑框，稱為“黑框現(xiàn)象”[6]。在隧道的出口位置，由于太陽光的照射作用，洞外的亮度明顯高于隧道內(nèi)部的亮度，駕駛員經(jīng)過洞內(nèi)低亮度光的環(huán)境，接著視覺亮度發(fā)生大改變，此時眼前會感覺洞口看起來更亮，人眼會有強(qiáng)烈的眩光，大概只看到障礙物的剪影，而具體的隧道的線型與結(jié)構(gòu)、路面狀況都看不清楚，匯入車輛的車距也很難做出準(zhǔn)確的判斷，這是“亮洞現(xiàn)象”[7]。

2 構(gòu)建隧道照明中間視覺可見度模型

2.1 中間視覺

相關(guān)學(xué)者的研究表明，當(dāng)場景亮度大于3 cd/m2時，人眼中的錐體細(xì)胞開始活躍興奮，稱為明視覺；當(dāng)場景亮度小于0.03 cd/m2時，人眼中的桿狀細(xì)胞立刻起作用，稱為暗視覺；當(dāng)場景亮度處于0.03～3 cd/m2時，人眼中的錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞都發(fā)揮作用，稱為中間視覺。人眼處于中間視覺時，視覺效果最好。造成明視覺和暗視覺的差異實質(zhì)上是不同光譜波長對眼睛產(chǎn)生的視覺效率。為了便于使用，采用歸一化的處理方法，如式(1)所示

(1)

式(1)中，φλm和φm都表示輻射通量，經(jīng)過歸一化處理后，明視覺和暗視覺的光視效能曲線如圖2所示。[8]

圖2 光視效能曲線

在明視覺效能曲線中，發(fā)光能效隨著波長的遞增而遞增，且當(dāng)波長為555.683 nm時達(dá)到峰值，說明人眼處于該波長時，錐體細(xì)胞處于最敏感的狀態(tài);在暗視覺效能曲線中，波長在507.170 nm時達(dá)到峰值，此時人眼的桿狀細(xì)胞處于最敏感的狀態(tài)；而在507.170～555.683 nm時，人眼處于中間視覺的范圍，這時人眼的椎體和桿狀同時起作用，視覺的可見度最好。

2.2 中間視覺可見度模型

大量研究者對中間視覺的可見度進(jìn)行了深入的研究分析，重點是考慮小目標(biāo)可見度模型如何建立。研究結(jié)果表明，常用的小目標(biāo)可見度模型主要有3種，分別是VL模型、Hurden模型和RVP模型[9-10]。其中應(yīng)用最廣泛的是VL模型，但VL模型里設(shè)定參數(shù)的可見度不足以保證路面小目標(biāo)物的探測。因此，本文根據(jù)人眼的中間視覺特性，在VL模型的基礎(chǔ)上根據(jù)中間視覺人眼的反應(yīng)時間和亮度對比度作為實驗參數(shù)，驗證隧道照明人眼中間視覺的可見度，改進(jìn)的模型為

(2)

(2)式中，Lt表示目標(biāo)亮度，Lb表示背景亮度，k是系數(shù)，Φ表示光通量，α表示人眼的視角，L表示亮度。

當(dāng)Lb處于人眼的中間視覺時，即0.03 cd/m2≤Lb≤3 cd/m2時，

(3)

(4)

對于隧道照明，人眼處于中間視覺時，基于反應(yīng)時間為參數(shù)所得光視光效的模型為

(5)

(5)式中,V(λ)表示明視覺的光視效能函數(shù)，V′(λ)表示暗視覺的光視效能函數(shù)，V(λ,Lb)表示中間視覺的光視效能函數(shù)，λ為波長。

(6)

(6)式中，Em表示中間視覺的照度，Eeλ表示光照強(qiáng)度，Km表示中間視覺的最大光視效能，其值為

(7)

對隧道照明所獲目標(biāo)物的圖像進(jìn)行處理，取高頻加權(quán)平均，然后通過小波變換的方法分解圖像的清晰度，所得圖像清晰度計算公式為

(8)

(8)式中，E1、E2、E3表示小波分解后的能量，E為總的能量，h1、h2、h3表示加權(quán)系數(shù)，如果Q值越大，說明所見目標(biāo)物的清晰度越高，物體的可見度越好。

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗參數(shù)的選取

表1 隧道照明實驗參數(shù)

根據(jù)隧道照明中間視覺的模型，進(jìn)行實驗分析，按照國際照明委員會的相關(guān)要求設(shè)計隧道照明的參數(shù)，計算出人眼分別在中間視覺和明視覺模式下的照度值，進(jìn)行比較分析，實驗參數(shù)選取見表1。

3.2 實驗結(jié)果分析

由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，隧道照明的清晰度直接影響駕駛員視覺的可見度、前方交通的狀況的準(zhǔn)確判斷及交通事故能否避免發(fā)生。因此本文從路面的照度、可見度及清晰度3個方面進(jìn)行研究，分析比較人眼在中間視覺模型和明視覺情況下的隧道照明數(shù)值，比較結(jié)果見表2。

由表2可以看出，在相同的照明環(huán)境下，中間視覺模型計算的結(jié)果明顯高于明視覺，即隧道照明采用中間視覺的效果好，可見度和清晰度高，人眼能夠較快適應(yīng)。因此，保證了車輛的安全通行，減少了交通事故的發(fā)生，對隧道道路交通安全通行起著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 論

文章從中間視覺的定義及隧道照明可見度的要求，研究了基于隧道照明中間視覺可見度的問題，分析了在隧道照明環(huán)境下人眼中間視覺特征,得到中間視覺下人眼最敏感的波長范圍是500～560 nm。通過構(gòu)建隧道照明中間視覺的可見度光視光效模型，選取合適的照明參數(shù)，驗證隧道照明環(huán)境下，人眼在中間視覺下可見度和清晰度最好，能夠保證隧道交通的安全，對道路交通的安全通行提供了重要的參數(shù)，有著廣泛的適用性和有效性。