LED色溫對(duì)隧道暗適應(yīng)過程視覺功效的影響

康誠 李文輝 王朝暉 李石堅(jiān) 黃志義 吳珂?

(1.浙江大學(xué) 浙江省海洋巖土工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué) 海洋感知技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,浙江 舟山 316021；3.杭州大江東城市設(shè)施管養(yǎng)有限公司,浙江 杭州 311200；4.溫州市公路與運(yùn)輸管理中心,浙江 溫州 325000；5.浙江大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

隧道入口處光環(huán)境變化劇烈,易使人眼出現(xiàn)視覺滯后和震蕩現(xiàn)象,影響駕駛員視認(rèn)能力,增加生理負(fù)荷[1],從而誘發(fā)不良駕駛行為,甚至導(dǎo)致交通事故。統(tǒng)計(jì)資料表明,63.7%的隧道交通事故發(fā)生在入口處[2]。隧道入口處照明條件對(duì)人眼視覺特性及行車安全的影響已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

合理的光環(huán)境過渡是解決隧道入口處駕駛員視覺問題的有效手段[3]。杜志剛等[4]利用眼動(dòng)儀系統(tǒng)研究了駕駛員在隧道進(jìn)出口視覺適應(yīng)過程中的瞳孔變化特征,發(fā)現(xiàn)瞳孔面積與隧道進(jìn)出口照度成冪函數(shù)關(guān)系,基于駕駛員瞳孔面積變化臨界速率及持續(xù)時(shí)間建立行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)[5- 6]。胡江碧等[7- 8]進(jìn)一步基于人眼動(dòng)態(tài)視覺特性,通過實(shí)車試驗(yàn)分析了瞳孔面積變化率[7]和視認(rèn)距離[8]隨亮度折減系數(shù)的變化規(guī)律,并利用邏輯回歸模型獲得不同行駛速度下滿足駕駛安全舒適性和視認(rèn)需求的亮度折減系數(shù)閾值。鄭晅等[9]采用暗室模擬隧道環(huán)境,通過動(dòng)靜識(shí)別試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)環(huán)境亮度與人眼反應(yīng)時(shí)間呈冪指數(shù)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上結(jié)合駕駛員信息感知識(shí)別時(shí)間要求提出公路隧道環(huán)境亮度安全臨界閾值。

光環(huán)境的亮度、色溫、顯色性對(duì)駕駛員的視覺功效起綜合影響作用[8],由于光生物效應(yīng),光源色溫會(huì)直接影響駕駛員的反應(yīng)時(shí)間和瞳孔變化,是評(píng)價(jià)隧道照明質(zhì)量的重要指標(biāo)。張青文等[10]通過自制反應(yīng)時(shí)間測試設(shè)備,對(duì)比了高、低色溫CFL光源下駕駛員視覺功效的差異。He等[11]以4種色溫LED光源為對(duì)象,重點(diǎn)分析了隧道各照明段銜接處反應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律。Zhao等[12]采用小目標(biāo)識(shí)別試驗(yàn),研究了背景光源色溫與視標(biāo)顏色的差異對(duì)駕駛?cè)藛T反應(yīng)時(shí)間的影響。但上述研究多為定亮度環(huán)境下的靜態(tài)試驗(yàn),且往往以單一指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),而隧道入口處屬于變亮度環(huán)境,對(duì)于視覺暗適應(yīng)過程中色溫影響人眼視覺特性的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究尚未見述及。

本文模擬隧道入口處變亮度環(huán)境下行車的視覺暗適應(yīng)過程,開展不同LED光源色溫條件下的目標(biāo)識(shí)別試驗(yàn),獲得瞳孔大小、瞳孔面積變化率和反應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律,結(jié)合駕駛員心生理指標(biāo)分析色溫對(duì)人眼視覺功效的影響,為隧道入口處照明光源色溫研究提供參考建議。

1 試驗(yàn)方法

行車過程中80%以上的交通信息通過駕駛員視覺獲得[13],當(dāng)車輛駛?cè)牒屯ㄟ^隧道時(shí),受隧道內(nèi)部有限空間限制,駕駛員的視野驟然變窄、注視點(diǎn)前移,視覺注視區(qū)間主要集中于隧道內(nèi)正前方路面,對(duì)兩側(cè)的信息感知能力下降,形成隧道視覺[14]。根據(jù)隧道行車的視覺特性,可利用暗室來模擬實(shí)際隧道入口處照明環(huán)境。

試驗(yàn)所用暗室的長、寬、高分別為10、5、3 m,為了消除外界光的干擾,四周采用不透光的絨布進(jìn)行遮擋,絨布反射率在0.10～0.15之間,與瀝青路面一致。暗室頂部配置LED燈板作為光源,可模擬隧道實(shí)際照明環(huán)境,其色溫可在2 500～7 500 K范圍內(nèi)調(diào)節(jié),亮度調(diào)節(jié)范圍為0～2 500 cd/m2。暗室內(nèi)設(shè)有近似均勻漫反射(反射率約0.8)的目標(biāo)屏。采用高寬比3∶1的長方形光斑作為視認(rèn)目標(biāo),根據(jù)CIE的推薦,視標(biāo)面積約為3 cm2、對(duì)比度為0.2[15]。

進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別試驗(yàn)時(shí),被測人員佩戴ASL Model H6型眼動(dòng)儀坐于目標(biāo)屏正前方2.1 m處,采用顎架固定被測人員的雙眼位置,使其與目標(biāo)屏中心保持水平。首先,由主測人員按動(dòng)控制器在目標(biāo)屏上10°目標(biāo)張角(α)范圍內(nèi)隨機(jī)打出光斑視標(biāo),包括中央視覺和周邊視覺；被測人員識(shí)別到光斑視標(biāo)后,迅速按下手中的控制器使其消失；最后由計(jì)時(shí)器自動(dòng)記錄下視標(biāo)從出現(xiàn)到消失的時(shí)間,作為被測人員的反應(yīng)時(shí)間,并由眼動(dòng)儀全程記錄被測者的瞳孔變化數(shù)據(jù)。其中,計(jì)時(shí)器精度達(dá)0.1 ms,眼動(dòng)儀采集頻率為60 Hz。測試原理如圖1所示。

圖1 反應(yīng)時(shí)間測試原理

試驗(yàn)共選取具有機(jī)動(dòng)車駕駛經(jīng)歷的被測人員40名,駕齡在1～30年之間,其中男性28名,女性12名。被測人員均擁有正常的色覺,且矯正視力在4.8以上。為消除按鍵聲音和疲勞等因素對(duì)測試結(jié)果的影響,試驗(yàn)時(shí)按一定的分貝數(shù)播放實(shí)際隧道行車錄音,且每個(gè)工況結(jié)束后被測人員休息30 min。

根據(jù)我國現(xiàn)行行規(guī)所規(guī)定的隧道照明光源色溫范圍,試驗(yàn)選取3 000、4 000、5 000、6 000 K 4種色溫工況。為模擬駕駛員進(jìn)入隧道所經(jīng)歷的洞外自然日光到洞內(nèi)LED光源的轉(zhuǎn)變過程,試驗(yàn)前使被測人員在高亮度、白光LED光源下適應(yīng)10 min,光源亮度為200 cd/m2[7],光源色溫為5 000 K左右,其光譜分布與自然光相似,可較好地模擬自然日光環(huán)境；此后根據(jù)CIE提出的亮度適應(yīng)曲線L=Lth1(1.9+t)-1.4,控制環(huán)境亮度由高到低變化,按照隧道常見設(shè)計(jì)車速60 km/h計(jì)算亮度變化時(shí)間。每組試驗(yàn)過程中隨機(jī)打出10次光斑視標(biāo),測試被測人員反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)心理物理學(xué)的統(tǒng)計(jì)[15],人類正常的極限反應(yīng)時(shí)間在100 ms左右,故將反應(yīng)時(shí)間>100 ms作為有效操作數(shù)據(jù)。

2 視覺效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前,基于人體視覺效果與感受的光環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要分為3類。

第1類是基于主觀心理滿意度的評(píng)價(jià)方法[16],通常以問卷的形式,要求駕駛員依據(jù)心理主觀感受對(duì)光環(huán)境的效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。該類方法易受個(gè)體差異和問卷設(shè)計(jì)的影響,多作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。

第2類是圍繞人眼變化的系列指標(biāo),以眨眼頻率、瞳孔大小和變化率、眼睛閉合時(shí)間比等作為依據(jù),對(duì)人體的生心理反應(yīng)特征進(jìn)行評(píng)估。其中,瞳孔變化能靈敏反映人類的生理、心理活動(dòng),已被眾多學(xué)者用于評(píng)價(jià)隧道光環(huán)境[4- 6]。在相同的亮度水平下,較大的視覺負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致瞳孔面積增大[17]；而根據(jù)瞳孔面積變化率,可界定駕駛?cè)藛T的緊張程度與心理壓力,瞳孔面積變化率的增大往往意味著認(rèn)知活動(dòng)中更大的加工負(fù)荷或心理努力。

第3類是以駕駛員辨識(shí)目標(biāo)物所用的反應(yīng)時(shí)間為指標(biāo),評(píng)價(jià)特征光環(huán)境下的視覺功效。人的視覺反應(yīng)過程包括縱覽、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、鑒別和決定5個(gè)階段,反應(yīng)時(shí)間為從刺激開始到觀察者做出反應(yīng)的時(shí)間[18]。研究表明[19],肇事次數(shù)與駕駛?cè)藛T反應(yīng)時(shí)間的長短成正比關(guān)系,反應(yīng)時(shí)間越短,意味著視覺效率約高、交通事故越少。

考慮到第2類生心理指標(biāo)易受非照明條件的干擾,本試驗(yàn)綜合采用瞳孔大小、瞳孔面積變化率和反應(yīng)時(shí)間3項(xiàng)指標(biāo)[8],分析暗適應(yīng)過程中LED光源色溫對(duì)被測人員視覺功效的影響。

3 視覺效果分析與討論

3.1 瞳孔大小

圖2為不同色溫的LED光源下被測人員瞳孔直徑(PD)與環(huán)境亮度(L)的時(shí)變關(guān)系曲線圖?？梢钥闯?隨著環(huán)境亮度的降低,人眼進(jìn)入暗適應(yīng)階段,瞳孔直徑不斷增大。在亮度產(chǎn)生變化后1.5～2 s內(nèi),由于環(huán)境亮度迅速降低,瞳孔難以準(zhǔn)確聚焦,為增加進(jìn)入人眼的光能量以滿足視覺成像需求,瞳孔迅速擴(kuò)大,產(chǎn)生一定程度的視覺震蕩現(xiàn)象[1],該過程可定義為人眼暗適應(yīng)初期。在此期間,被測人員產(chǎn)生瞬時(shí)盲期并有一定程度的不適感,同時(shí)在心理上處于緊張狀態(tài),出現(xiàn)了頻繁眨眼現(xiàn)象,眨眼頻率達(dá)到1.7次/s,明顯高于人眼日常眨眼頻率0.2～0.5次/s[20]。此后,人眼進(jìn)入暗適應(yīng)中后期,瞳孔直徑隨著環(huán)境亮度的逐漸降低緩慢增大,且在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng),眨眼頻率也逐漸降低至0.22次/s左右。最后,在試驗(yàn)開始22 s之后,環(huán)境亮度基本維持在5 cd/m2以下,瞳孔直徑不再具有增大趨勢,且波動(dòng)幅度有所降低,可視為人眼適應(yīng)了低亮度環(huán)境,基本完成了暗適應(yīng)過程。

圖2 暗適應(yīng)過程中的瞳孔直徑變化

光環(huán)境下瞳孔大小的變化反映了人眼的視覺負(fù)荷,根據(jù)Stevens定律[21]——光環(huán)境刺激與生心理反應(yīng)符合冪函數(shù)關(guān)系。對(duì)暗適應(yīng)過程中被測人員瞳孔面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分別將環(huán)境亮度L、瞳孔面積與環(huán)境亮度的乘積LS取對(duì)數(shù),獲得不同光源色溫下瞳孔面積與環(huán)境亮度的變化關(guān)系,如圖3所示。

圖3 暗適應(yīng)過程中瞳孔面積與環(huán)境亮度的關(guān)系曲線

由圖3可以看出,4種光源色溫下,lg(LS)與lg(L)呈線性正相關(guān)關(guān)系,即瞳孔面積S與環(huán)境亮度L滿足冪函數(shù)關(guān)系:

S=10aLb-1

(1)

式中:S為瞳孔面積,mm2；L為環(huán)境亮度,cd/m2；a、b均為常數(shù),分別為lg(LS)-lg(L)線性關(guān)系中的截距和斜率，受光源環(huán)境、被測人員視覺特性影響。進(jìn)一步對(duì)比暗適應(yīng)過程中不同LED光源色溫下瞳孔面積隨環(huán)境亮度的變化,結(jié)果見表1。

表1 不同色溫下瞳孔面積與環(huán)境亮度的關(guān)系

從表1可以看出,在暗適應(yīng)初期,光源色溫越高,截距a越小,斜率b越大,6 000 K色溫下的a和b分別為1.415和0.746。表明在暗適應(yīng)初期,高色溫光源下人眼瞳孔雖然擴(kuò)大速度較快,但平均瞳孔面積較小,被測人員進(jìn)行視標(biāo)視認(rèn)時(shí)所承受的視覺負(fù)荷相對(duì)更低,心理上也更為放松。而在暗適應(yīng)中后期,中間色溫光源下的截距a較小,5 000 K色溫下僅為1.329,瞳孔面積最小。這一方面與被測人員承受較低的視覺負(fù)荷與心理壓力有關(guān)；另一方面,是由于中間色溫光源的光譜分布中富含峰值波長集中在460 nm附近的短波成分,與光生物效應(yīng)的峰值敏感區(qū)域十分接近[22],在低亮度環(huán)境下,表現(xiàn)出較強(qiáng)的光生物效應(yīng),使得瞳孔產(chǎn)生一定程度的收縮。

3.2 瞳孔面積變化率

圖4為暗適應(yīng)過程瞳孔面積變化率曲線。可以看出,在暗適應(yīng)初期,隨著環(huán)境亮度的突然降低,人眼瞳孔迅速放大,且頻繁出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。已有研究成果[4]中將瞳孔面積變化率U≥40%界定為被測人員很緊張的狀態(tài),本試驗(yàn)中暗適應(yīng)初期的瞳孔面積變化率峰值達(dá)到了70%以上,表明被測人員承受的視覺作業(yè)壓力較大,心理狀態(tài)極為緊張。在暗適應(yīng)中后期,瞳孔面積變化率在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng),波動(dòng)幅度在±4%以內(nèi),且未出現(xiàn)40%以上的劇烈變化。表明在該暗適應(yīng)階段,被測人員瞳孔縮放較為頻繁,心理處于較為緊張的狀態(tài)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至22 s后,人眼基本完成暗適應(yīng)過程,瞳孔面積變化率的波動(dòng)幅度明顯降低,僅為±1%以下。

圖4 暗適應(yīng)過程中的瞳孔面積變化率

對(duì)比不同色溫下平均瞳孔面積變化率,如表2所示。可以看出,在暗適應(yīng)初期,中低色溫(3 000、4 000 K)下的瞳孔變化率較高,瞳孔縮放更為劇烈,被測人員在進(jìn)行暗適應(yīng)時(shí)承擔(dān)更大的心理壓力。而在暗適應(yīng)中后期,中間色溫(4 000、5 000 K)光源下瞳孔變化率較低,表明被測人員心理狀態(tài)較為放松,進(jìn)行目標(biāo)視認(rèn)時(shí)更為舒適。

3.3 反應(yīng)時(shí)間

圖5為暗適應(yīng)過程中不同光源色溫下的反應(yīng)時(shí)間變化。可以看出,隨著暗適應(yīng)時(shí)間的增長,各色

1)該數(shù)值表示色溫，K。溫下被測人員的反應(yīng)時(shí)間均不斷減小,人眼逐漸完成暗適應(yīng)過程,反應(yīng)逐漸變快。

圖5 暗適應(yīng)過程中的反應(yīng)時(shí)間

在暗適應(yīng)初期,6 000 K色溫下的平均反應(yīng)時(shí)間最短,僅為280 ms,被測人員表現(xiàn)出較強(qiáng)的生理反應(yīng)能力,視覺功效較高。隨著色溫的降低,反應(yīng)時(shí)間則逐漸變長。而在暗適應(yīng)中后期,中間色溫光源下的平均反應(yīng)時(shí)間較短,4 000、5 000 K色溫下分別為282和275 ms；而3 000、6 000 K色溫下的平均反應(yīng)時(shí)間則達(dá)到300 ms左右。反應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果與暗適應(yīng)過程瞳孔變化特征較為一致,這表明人眼進(jìn)入暗適應(yīng)中后期時(shí),光生物效應(yīng)在低亮度環(huán)境下開始發(fā)揮作用,中間色溫LED光源可提升被測人員的視覺功效。

4 結(jié)語

(1)在CIE亮度適應(yīng)曲線下,人眼的暗適應(yīng)過程持續(xù)約22 s,分為初期和中后期兩個(gè)階段。暗適應(yīng)初期階段時(shí)長約2 s,該階段瞳孔迅速增大,瞳孔面積變化率頻繁超過70%,眨眼頻率高達(dá)約1.7次/s；暗適應(yīng)中后期階段時(shí)長約20 s,該階段瞳孔增大速度漸緩,瞳孔面積變化率在±4%范圍內(nèi)波動(dòng),眨眼頻率恢復(fù)到0.22次/s左右的正常水平。

(2)暗適應(yīng)過程中,視覺功效和心生理指標(biāo)逐漸提高。在暗適應(yīng)初期,LED光源色溫越高,人眼瞳孔面積越小,視覺負(fù)荷相對(duì)更低,反應(yīng)更快；在暗適應(yīng)中后期,低亮度環(huán)境下光生物效應(yīng)開始顯現(xiàn),中間色溫LED光源下的反應(yīng)更快,眼動(dòng)特征指標(biāo)更優(yōu),表現(xiàn)出較高的視覺功效與較低的心生理負(fù)荷。

(3)暗適應(yīng)過程不僅存在于隧道入口段,且包含隧道過渡段和部分中間段。色溫為6 000 K的LED光源適用于隧道入口段照明,色溫為4 000～5 000 K的LED光源較為適合隧道過渡段照明。

(4)室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際隧道現(xiàn)場駕駛存在一定差別,后續(xù)工作中可逐步完善室內(nèi)試驗(yàn)條件。以更符合隧道現(xiàn)場實(shí)車駕駛環(huán)境。