緩解道路閃光燈導致的視覺失能現象的實驗研究

李瑋晟，楊松柏，陳神飛，張 兵，李田茵，杜媛媛，趙海天，余劍青

(1.深圳大學建筑與城市規劃學院，廣東 深圳 518060；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司廣東公司，廣東 深圳 518000)

引言

隨著我國車輛保有量的快速增長，為規范駕駛員的駕駛行為和公安執法的準確和高效，對道路視頻監控質量要求越來越高，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境下適當補光。現階段，在城市路口高亮度的道路視頻監控補光燈隨處可見[1]。雖然高亮度補光燈可以滿足拍攝清晰照片的條件，但其過高的亮度會對其照射范圍內經過的駕駛員造成嚴重的視覺干擾。導致駕駛員無法提前發現潛在的行車危險和行人而進行預先避讓，造成嚴重的行車安全隱患。據有關部門統計，近年來因高亮度道路監控補光燈的閃爍干擾，影響駕駛員視線而引發的交通事故案例以每年12%的速度增長[2]。所以減弱高亮度道路視頻監控補光燈對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比，引起不舒適的感覺，降低了觀察目標和細節能力的一種視覺現象。根據評價方式的不同，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入眼內，導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膜的成像產生了重疊，導致對比度下降，從而降低了視覺效能和視覺清晰度[3]。顯然道路補光燈對駕駛員視覺造成的屬于失能眩光。

人眼看清物體是因為被觀測的物體發出或者反射的光線進入人眼最終在視網膜上成像，而進入人眼光線的多少則是由瞳孔面積的大小來控制。當進入瞳孔的光量過大或過小導致人眼無法看清物體或周圍環境時瞳孔會自行調節大小來增加或減小瞳孔進光量以滿足清晰觀測物體或環境的視覺需求[4]。人眼受到強烈眩光干擾后出現視覺失能和恍惚不清，是因為當大量的光進入瞳孔后人眼有一部分在通過晶狀體時會形成散射這部分散射光疊落在被聚焦的物體上也會產生一種視感，它可以比擬為在視場上蒙上了一層明亮的帷幕導致人眼無法看清物體或環境[5]。

人眼在受到眩光干擾時為看清物體和環境，瞳孔會縮小以減少進光量，但不同強度與持續時間的眩光進入瞳孔的光通量是不同的，對人眼的刺激是不同的，人眼的感受也是不同的。根據韋伯費希納定律S=KlgR，其中S是感覺強度，R是刺激強度，K是常數，隨著刺激強度R的增大感受強度S也隨之增大，兩者之間屬于對數關系，也就是說感受強度S最后趨近于不變[6]。所以一定程度內，眩光強度增加時人眼對眩光的感受強度也隨之增強，當眩光強度無限增大時，人眼的感受強度最終會趨于不變。由于人眼在受到不同強度和持續時間的眩光干擾時瞳孔的反應時間是不同的，因此眩光的強度和持續時間是決定瞳孔反應時間和人眼感受強度的重要因素。

2 實驗方法

2.1 實驗條件

該實驗的實驗場地為面積為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景，眩光源位于實驗場地一端距地面3.3 m；背景光源與眩光源相同高度，距離眩光源12 m；實驗者在背景光源正下方測試，如圖1所示。

2.2 實驗裝置

1)亮度成像儀：RADIANT VISION SYSTEMS I-PLUS亮度成像儀，可測量路面各項參數。

圖1 實驗場地剖面圖Fig.1 Section of the experimental site

2)Dikeablis Pro 眼鏡式眼動儀：眼部攝像頭采集瞳孔大小、眨眼次數、瞳孔和視野范圍的實時錄像燈功能。數據采集為60次/s，能夠清楚地反映出瞳孔數據的變化，可以精確計算出閃光前后瞳孔面積的變化和面積變化之間的時間長度。

3)眩光源：自制可調功率眩光源，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器，把220 V電壓轉換為24 V安全電壓；b.DC24 V時間繼電器，控制眩光源的照射時間，儀器精度0.1 s；c.直流可調降壓電源模塊，把24 V電壓進一步調制到LED燈具額定電壓范圍內。

相關實驗設備如圖2所示。

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

2.3 實驗步驟

1)用亮度成像儀測出路面的亮度和均勻度，通過調整光源功率使路面亮度達到國家現行的亮度標準，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，實測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)通過時間繼電器控制眩光源的持續時間，實驗中眩光源的持續時間調制為0.1 s、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s，共五組。

4)實驗者佩戴眼動儀在距眩光源12 m的位置測試，瞳孔高度統一控制在80 cm的高度，視覺焦點要注視前方路面，然后調節眼動儀參數使實驗者的瞳孔面積捕捉正常，同時校對實驗者的視覺焦點使儀器屏幕內出現的焦點與實際實驗者的視覺焦點一致。

5)將眩光源功率調至5 W,進行照射時間為0.1 s、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s五組實驗，每組實驗之間實驗者需在無眩光環境下根據被照射時間的長短休息1～5 min，恢復強光照射后的視覺失能和恍惚不清。

3 實驗數據分析與結論

該實驗要驗證不同眩光源亮度和不同的照射時間對瞳孔反應時間和人眼的感受程度的影響，所以實驗數據處理分為瞳孔反應時間和人眼感受程度兩部分。因為該實驗是模擬道路閃光燈超強眩光實驗，所以實驗路面背景亮度不變，眩光源功率范圍選擇5～20 W，分為5個等級；眩光持續時間范圍在0.1～2.0 s之間，分為6個等級。然后分別整理出不同強度眩光源在不同眩光持續時間時的瞳孔反應數據。

3.1 反應時間

本文提出瞳孔的反應時間是由瞳孔的延時時間和瞳孔的縮小時間組成。根據眼動儀的測量數據分別提取出閃光時間，瞳孔開始反應時間和瞳孔面積最小時間。瞳孔延時時間=瞳孔開始反應時間-閃光時間；瞳孔縮小時間=瞳孔面積最小時間-瞳孔開始反應時間。實驗數據記錄時間為在閃光燈閃爍前5 s開始記錄，閃光結束后再記錄30 s的數據。根據實驗數據分別整理出瞳孔延時時間和瞳孔縮小時間在不同眩光源強度和不同眩光持續時間條件下的數值，如表1所示。

通過表1中的數據可以得出，瞳孔延時時間變化不大，基本都在0.2 s左右，眩光源強度和眩光持續時間對瞳孔延時時間的影響很小。

表1 瞳孔延時時間

表2 瞳孔縮小時間

通過表2可以看出，瞳孔縮小時間則受到眩光強度和眩光持續時間的影響較大，可以得出:

1)當眩光持續時間相同時，眩光光源功率在5～15 W之間，瞳孔縮小時長增加，但當功率達到20 W時由于眩光強度較大瞳孔縮小時長減小。

2)當眩光源強度相同時，隨著眩光持續作用時長的增加瞳孔的縮小時長也在增加。

3)當眩光持續作用時長在0.1～0.5 s之間時，無論眩光強度如何變化，瞳孔的縮小時長變化不大。

3.2 人眼感受程度

由于人眼在接受到不同強度眩光照射時最直接的表現是瞳孔面積的變化，因此本文通過照射前后的瞳孔面積差值來表示感受強度，瞳孔面積差值越大，人眼對于眩光的感受強度則越強。通過測得的實驗數據，統計出人眼在被不同強度眩光照射后和不同照射時間后有效瞳孔面積的最小值，瞳孔面積最大值是無眩光時一段時間內的瞳孔面積平均值。瞳孔數據如表3所示。

表3 瞳孔面積差值

圖4 不同功率感受強度趨勢線 Fig.4 Different power perception intensity trend lines

通過表3、圖4可以看出，眩光強度和眩光持續時間對人眼的感受強度皆有影響，可以得出:

1)當眩光強度相同時，人眼的感受強度隨著眩光持續時間的增加而增加，但最終趨于不變。

2)當眩光持續時間相同時，人眼的感受強度隨著眩光源強度的增加而增加，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，隨著眩光強度的增加人眼的感受強度的變化逐漸減小。

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

4 實驗應用與意義

該實驗通過模擬道路補光燈的強烈眩光對駕駛員視覺的影響，得出人眼在受到不同強度和持續時間的眩光刺激時人眼的反應時間和感受強度。通過實驗得出人眼在被照射0.1～0.5 s時間內瞳孔的收縮時間受到眩光強度和持續時間的影響很小；人眼在照度90～130 lx時對眩光眩光強弱的變化較為敏感，而人眼接受的照度在130 lx以上的眩光時感受強度變化很小。

根據本實驗的結論道路閃光燈的持續時間在滿足道路攝像機拍照時間的前提下應當盡量減小，盡可能控制在0.5 s以內，因為閃光燈的持續時間在0.1～0.5 s的范圍內人眼瞳孔縮小時間最短，由于瞳孔延時時間基本不變，所以人眼的反應時間最短，可以有效地縮短駕駛員視覺失能和恍惚不清的時間，增加駕駛的安全性。對于感受強度來說，因為無法調節閃光燈的亮度故無法避免人眼經歷被強烈眩光照射的階段，但在后期改善和緩解閃光燈眩光的照明設計中，在駕駛員在接受閃光燈照射之前預先將駕駛員的瞳孔面積控制在人眼垂直照度為130 lx時對應的瞳孔大小，減小駕駛員被閃時視覺感受強度，同時縮短了人眼的反應時間，減少駕駛過程中的視覺失能和恍惚時間，提高駕駛舒適性和安全性。