LED交通標(biāo)志的視認(rèn)性研究

夏如艇，王　昕，毛云峰，趙凱樂(lè)，胡　飛

(臺(tái)州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州　318000)

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LED交通標(biāo)志的視認(rèn)性研究

夏如艇，王昕，毛云峰，趙凱樂(lè)，胡飛

(臺(tái)州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州318000)

摘要：設(shè)計(jì)了一種LED交通標(biāo)志的視認(rèn)性實(shí)驗(yàn)裝置，采用三種表面照度和對(duì)比度研究交通標(biāo)志的視認(rèn)性和易讀性。分析了表面照度和對(duì)比度對(duì)行人視認(rèn)性的影響，探討了視認(rèn)標(biāo)志的視膨脹現(xiàn)象。結(jié)果表明：1)表面照度和對(duì)比度越高，視認(rèn)率越高；2)年長(zhǎng)者的標(biāo)志視認(rèn)率與其視覺(jué)功能有關(guān)，當(dāng)對(duì)比度較大且視認(rèn)距離在30m以上時(shí)，增加表面照度，其視認(rèn)率下降明顯；3)視認(rèn)過(guò)程中存在視膨脹現(xiàn)象，標(biāo)志表面照度在500lx以上時(shí)年長(zhǎng)被試者比年輕被試者表現(xiàn)的更明顯。

關(guān)鍵詞：LED光源；內(nèi)部照明；交通標(biāo)志；視認(rèn)性

引言

交通標(biāo)志是以形狀﹑顏色和字符等向道路使用者傳遞視覺(jué)信息，并結(jié)合交通道路及環(huán)境狀況進(jìn)行合理設(shè)置，通過(guò)標(biāo)志提供準(zhǔn)確信息和引導(dǎo)，使道路使用者順利抵達(dá)目的地，保障交通順通和行車(chē)安全[1]。標(biāo)志可分為三種：反射型標(biāo)志﹑照明型標(biāo)志(包括內(nèi)部照明和外部照明)和主動(dòng)發(fā)光型標(biāo)志。由于反射型標(biāo)志大多依靠逆反射材料制作，其視認(rèn)效果存在不足，如在光照射條件下易產(chǎn)生定向回歸反光，且僅能被燈光條件良好的車(chē)輛正面行駛識(shí)別，因此難于滿足交通環(huán)境中各類(lèi)狀況下車(chē)輛和行人的識(shí)別需要。此外，反射型標(biāo)志要求車(chē)輛在遠(yuǎn)近光照明的條件下才能清晰識(shí)別，但遠(yuǎn)燈光的開(kāi)啟極易導(dǎo)致交通安全隱患，在雨霧等惡劣天氣條件下幾乎無(wú)法被識(shí)別[2-3]。為確保駕駛員能快速準(zhǔn)確的辨識(shí)標(biāo)志信息,標(biāo)志應(yīng)具有良好的視認(rèn)性和易讀性。由于照明型標(biāo)志比反射型標(biāo)志具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其LED光源具有較強(qiáng)的光線穿透性能，在夜間或雨霧等天氣條件下能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離視認(rèn)，且LED光源內(nèi)部照明比熒光內(nèi)部照明具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用[4]。由于交通環(huán)境的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性﹑照明標(biāo)志文字圖形的多樣性和駕駛員視覺(jué)功能的個(gè)體差異性，如何使LED內(nèi)部照明標(biāo)志的視認(rèn)性和易讀性最優(yōu)化，并合理正確地評(píng)價(jià)LED交通標(biāo)志的視認(rèn)性和易讀性，逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)[5-7]。盡管?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5768—2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線，第2部分：道路交通標(biāo)志》對(duì)各種照明標(biāo)志中的文字和圖形的顏色﹑形狀﹑大小及交通標(biāo)志的安裝設(shè)置方法作出了明確規(guī)定，但對(duì)LED內(nèi)部照明標(biāo)志的表面照度和對(duì)比度未作具體要求。本文分析了各種標(biāo)志在白晝和夜間環(huán)境下的視認(rèn)性,設(shè)計(jì)制作了一種LED光源內(nèi)部照明型標(biāo)志視認(rèn)性實(shí)驗(yàn)裝置,選擇年輕和年長(zhǎng)兩組人員作為被試者，在三種照度和三種對(duì)比度的狀況下，對(duì)視認(rèn)性和易讀性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1標(biāo)志的視認(rèn)性

通過(guò)調(diào)查分析,并實(shí)地觀察交通標(biāo)志在晝間和夜間的視認(rèn)和判讀效果,選取圖1和圖2所示的LED內(nèi)部照明標(biāo)志作為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的依據(jù)。圖1(a)和圖1(b)分別表示多個(gè)導(dǎo)向標(biāo)志布置和單個(gè)導(dǎo)向標(biāo)志布置狀況下晝間與夜間的視認(rèn)效果比較。圖2(a)和圖2(b)分別表示指示標(biāo)志和限速標(biāo)志在晝間黃昏夜間的視認(rèn)效果比較。從圖中可以看出,晝間和夜間的視認(rèn)效果有較大的差異性,主要原因是由于標(biāo)志表面與背景的對(duì)比度較大。

1.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置：如圖3所示，實(shí)驗(yàn)裝置類(lèi)似于長(zhǎng)方形箱體，內(nèi)部光源采用LED照明，正面材料為ABS透明塑料。正面由字符和背景兩部分組成，標(biāo)志的表面顏色，即，字符部分的顏色為白色，背景為藍(lán)色。裝置面積為153mm×160mm, 模擬標(biāo)志的實(shí)際面積為460mm×480mm。實(shí)驗(yàn)用文字為蘭道環(huán)，外徑83.3mm。文字(C環(huán))的表面照度和對(duì)比度設(shè)計(jì)為三檔可調(diào)，即文字的表面照度為250 lx、500 lx 和1000 lx 三種；對(duì)比度(背景表面照度與文字表面照度之比)為1∶4、1∶10和1∶25三種。

實(shí)驗(yàn)條件：在室內(nèi)模擬夜間環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)照度設(shè)置為15～20 lx。如圖4所示,被試者從遠(yuǎn)離標(biāo)志的50m的位置步行向標(biāo)志靠近,當(dāng)被試者觀察到蘭道環(huán)開(kāi)口方向位置時(shí),舉手示意,此時(shí)測(cè)量視認(rèn)距離。表面照度和對(duì)比度各有三種,形成9種組合，因此進(jìn)行9個(gè)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行8次(蘭道環(huán)開(kāi)口的方向上下左右各兩次)，每個(gè)被試者共進(jìn)行27次測(cè)量。

圖1　導(dǎo)向標(biāo)志晝間與夜間的視認(rèn)效果對(duì)比Fig.1　Compare of guiding signs in daytime and nighttime

圖2　指示標(biāo)志和限速標(biāo)志在晝間黃昏夜間的視認(rèn)效果對(duì)比Fig.2　Compare of indicative signs and speed limit signsin daytime and nighttime

圖3　LED內(nèi)部照明標(biāo)志實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3　Experimental apparatus

圖4　標(biāo)志視認(rèn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.4　Experimental process

被試者：年輕被試者為大四學(xué)生，7人，22-24歲；年長(zhǎng)被試者為教師,7人,55-65歲。被試者均有正常視力或正常校正視力。

1.2結(jié)果與討論

1.2.1對(duì)比度對(duì)視認(rèn)性的影響

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)視認(rèn)性，以視認(rèn)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。交通標(biāo)志視認(rèn)率是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)道路利用者對(duì)同一視認(rèn)目標(biāo)物的正確判斷次數(shù)與總判斷次數(shù)的比率，視認(rèn)率受表面照度、表面對(duì)比度和人的生理心理等因素的直接影響。

圖5表明了標(biāo)志的文字表面照度為1000lx時(shí)，表面對(duì)比度對(duì)視認(rèn)率的影響。從圖中可以看出,表面對(duì)比度越高，視認(rèn)率也越高。并且,當(dāng)文字表面照度為250lx和500lx時(shí)也有同樣的傾向。

圖5　對(duì)比度對(duì)視認(rèn)率的影響(照度=1000 lx)Fig.5　Effect of contrast on sign recognition rate(Illuminance 1000 lx)

1.2.2表面照度對(duì)視認(rèn)性的影響

圖6表明了標(biāo)志表面對(duì)比度為1∶10時(shí),表面照度對(duì)視認(rèn)率的影響。從圖中可以看出,照度越高，視認(rèn)率也越高。并且,當(dāng)表面對(duì)比度為1∶4和1∶25時(shí)也有同樣的傾向。

1.2.3年輕和年長(zhǎng)者視認(rèn)性的比較

分別在三種對(duì)比度狀況下，改變表面照度，對(duì)年輕和年長(zhǎng)被試者的視認(rèn)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，三種對(duì)比度狀況下的視認(rèn)率大體一致，沒(méi)有明顯差異。但每種對(duì)比度條件下，照度改變后，存在一定的差異(見(jiàn)圖7a和7b，對(duì)比度=1∶10)，尤其是年長(zhǎng)與年輕組相比較，表現(xiàn)出明顯的差異。

圖7a和圖7b分別表明了年輕組和年長(zhǎng)組在對(duì)比度為1∶10狀況下的視認(rèn)率。當(dāng)標(biāo)志距離變遠(yuǎn)時(shí),視認(rèn)性變差,尤其是表面照度為1000lx時(shí),當(dāng)距離為30m以上,年長(zhǎng)組的視認(rèn)率極低(圖7b的右下區(qū)域)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于年長(zhǎng)組被試的年齡增大，視覺(jué)功能特性下降。

一般情況下，相對(duì)于年輕人，高齡者在暗處的視覺(jué)感會(huì)變?nèi)?，由于進(jìn)入眼球的光數(shù)量變少，因此提高標(biāo)志照度，增加進(jìn)入眼球的入射光數(shù)量有利于對(duì)標(biāo)志的視認(rèn)和判讀。然而，上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明，進(jìn)入眼睛的光數(shù)量即使增加也不會(huì)提高視認(rèn)率。根據(jù)視覺(jué)成像和眼生理學(xué)理論，其原因之一可能是眼睛的水晶體本身有不透明，隨著年齡的增加，水晶體的不透明度也隨之增加，眼球水晶體的不透明度高對(duì)射入眼睛的光有散射的影響。另一原因可能是對(duì)視認(rèn)標(biāo)志的視覺(jué)膨脹現(xiàn)象所導(dǎo)致。

圖6　表面照度對(duì)視認(rèn)率的影響(對(duì)比度=1∶10)Fig.6　Effect of illuminance on sign recognition rate(Contrast 1∶10)

2標(biāo)志的易讀性

視覺(jué)膨脹是指人的視覺(jué)系統(tǒng)在一定的視認(rèn)距離對(duì)視認(rèn)目標(biāo)物產(chǎn)生離散擴(kuò)張的視覺(jué)感知，視覺(jué)膨脹受視認(rèn)環(huán)境照度、視認(rèn)距離和人的生理心理等因素的直接影響。為闡明標(biāo)志的視覺(jué)膨脹現(xiàn)象，即，表明照度與視覺(jué)膨脹現(xiàn)象的關(guān)系及年齡增加與視膨脹現(xiàn)象的相互關(guān)聯(lián)性，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

圖7　年輕和年長(zhǎng)被試者視認(rèn)率比較(對(duì)比度=1∶10)Fig.7　Compare of sign recognition rate betweenyounger and older (Contrast 1∶10)

2.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置：如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)箱體的正面位置設(shè)置兩塊可活動(dòng)的長(zhǎng)方形藍(lán)色標(biāo)志板(水平方向可調(diào)和垂直方向可調(diào)),標(biāo)志板尺寸為10mm×5mm。標(biāo)志板的背面設(shè)置了LED光源，且LED的亮度設(shè)置為四檔可調(diào)，分別為60cd/m2﹑130cd/m2﹑195cd/m2和280cd/m2，使得標(biāo)志表面照度分別成為250lx﹑500lx﹑750lx和1000lx。

實(shí)驗(yàn)條件：在室內(nèi)模擬夜間環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。被試者站在離標(biāo)志5m的位置進(jìn)行觀測(cè)，開(kāi)始時(shí)，兩個(gè)標(biāo)志緊靠一起，然后逐漸拉開(kāi)標(biāo)志，直到被試者觀測(cè)到兩塊標(biāo)志明顯分開(kāi)后，作出回答。此時(shí)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)志間隔，此間隔值也是標(biāo)志的視覺(jué)膨脹值。每個(gè)被試進(jìn)行八次，即，水平方向調(diào)節(jié)照度四次，垂直方向調(diào)節(jié)照度四次。如250lx照度時(shí)測(cè)量間隔，然后將照度變?yōu)?00lx，再測(cè)量間隔值，依次完成照度為750lx和1000lx的實(shí)驗(yàn)，并獲得間隔值。最后將所有實(shí)驗(yàn)所得間隔值，求取平均值。

被試者：被試者是參加前次實(shí)驗(yàn)的人員。

2.2結(jié)果與討論

表1 列出了兩組被試者的視覺(jué)膨脹值，圖10表明了當(dāng)標(biāo)志照度變化時(shí)，視覺(jué)膨脹值的變化趨勢(shì)。從圖10可看出，表面照度值增大時(shí)，標(biāo)志的視覺(jué)膨脹變大，這種變化的傾向，年長(zhǎng)者比年輕者表現(xiàn)的更明顯。并且說(shuō)明了標(biāo)志的易讀性受到視覺(jué)膨脹現(xiàn)象的影響。

圖8　視覺(jué)膨脹現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)標(biāo)志板設(shè)置Fig.8　Apparent expansion experimental apparatus

圖9　標(biāo)志板垂直設(shè)置時(shí)的視覺(jué)膨脹現(xiàn)象Fig.9　Experimental processes on visual apparent expansion phenomenon(sign templates with vertical direction)

表面照度/lx2505007501000視覺(jué)膨脹值(間隔)/mm年輕組0.270.280.320.35年長(zhǎng)組0.280.290.370.45

圖10　表面照度與視覺(jué)膨脹的關(guān)系Fig.10　Relation between illuminance and apparent expansion

3總結(jié)

本文在調(diào)查L(zhǎng)ED光源內(nèi)部照明型標(biāo)志視認(rèn)效果的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變表面照度和對(duì)比度，對(duì)內(nèi)部照明型標(biāo)志的視認(rèn)性和易讀性進(jìn)行了研究，并探討了視覺(jué)膨脹現(xiàn)象對(duì)易讀性的影響。對(duì)年輕和年長(zhǎng)被試者的視認(rèn)率和視覺(jué)膨脹現(xiàn)象進(jìn)行了比較，總結(jié)如下：

1)對(duì)比度越高，標(biāo)志的視認(rèn)率越高；

2)提高標(biāo)志表面照度可以提高視認(rèn)率，但照度過(guò)高和視認(rèn)距離較大時(shí),年長(zhǎng)者視認(rèn)率反而會(huì)下降；

3)標(biāo)志視認(rèn)過(guò)程中存在視覺(jué)膨脹現(xiàn)象，當(dāng)表面照度高于500lx時(shí)，視覺(jué)膨脹現(xiàn)象逐漸明顯，尤其是年長(zhǎng)者視覺(jué)膨脹現(xiàn)象比年輕者更明顯。

本文提出了一種LED光源內(nèi)部照明標(biāo)志的視認(rèn)性和易讀性的試驗(yàn)方法，但只是以步行狀況觀測(cè) (或靜態(tài)狀況下觀測(cè))。行駛過(guò)程是以一定速度運(yùn)行的動(dòng)態(tài)駕駛操作過(guò)程，標(biāo)志的視認(rèn)性和易讀性與車(chē)輛速度有一定關(guān)系，這些內(nèi)容將在后續(xù)研究中展開(kāi)。

參考文獻(xiàn)

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Study on Identification of Traffic Signs with LED

Xia Ruting，Wang Xin, Mao Yunfeng, Zhao Kaile, Hu Fei

(SchoolofMechanicalEngineering,TaizhouUniversity,Taizhou318000，China)

Abstract：An experimental apparatus of traffic signs with LED was designed. Identification and legibility of traffic signs were studied in three illuminance and contrast conditions. The effect of illuminance and contrast of signs on pedestrians’ visibility was analyzed and the apparent expansion phenomenon of signs was discussed. The experimental results showed that: 1) the identification of subjects increases as the illuminance and contrast increases; 2) sign recognition rate of older subjects was influenced by the visual function, the identification of subject decreases as the illuminance increases when the contrast was bigger and recognition distance was more than 30m; 3) there was an apparent expansion phenomenon of traffic signs during focus sign, and there was remarkable tendency for older subjects comparing with younger subjects when the sign illuminance was more than 500lx.

Key words:LED illuminant; internal lighting; traffic sign; visibility

基金項(xiàng)目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新暨新苗人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015R430020)，浙江省錢(qián)江人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011R100093)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM923.07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.024