道路常亮型LED補(bǔ)光燈對駕駛?cè)藛T的視覺影響

夏義紅，妮尕爾阿依·塔伊爾，毛思晴，郭海林

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著道路視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展與普及，道路上的常亮型LED補(bǔ)光燈越來越多，以滿足光線不足情況下視頻拍攝的光照要求。但是，道路常亮型LED補(bǔ)光燈因其亮度高的特性，會引起駕駛?cè)藛T在短時間內(nèi)視力下降，甚至看不清路況的情況，從而導(dǎo)致駕駛安全風(fēng)險上升。

國內(nèi)外專家就駕駛安全進(jìn)行相關(guān)研究，主要分為輔助駕駛系統(tǒng)、駕駛安全隱患、環(huán)境對駕駛?cè)藛T的影響以及基于視知覺特性的駕駛行為研究等。文獻(xiàn)[1-4]研究駕駛?cè)说囊曈X行為規(guī)律，為提高駕駛?cè)诵熊嚢踩浴⒁?guī)范交通設(shè)施提供重要依據(jù)；劉錫成[5]研究分析眩光對駕駛?cè)藛T的視覺造成的影響；文獻(xiàn)[6-7]基于眩光產(chǎn)生原理，分析未來道路監(jiān)控補(bǔ)光燈眩光污染造成的危害以及控制問題；較多文獻(xiàn)中的視覺影響通過瞳孔大小變化來體現(xiàn)，胡英奎等[8]的研究表明駕駛員瞳孔大小主要與亮度變化有關(guān)，同時受駕駛員心理等因素的影響；Pokorny等[9]認(rèn)為影響瞳孔大小的因素主要包括外部刺激和觀察者自身因素2個方面，外部刺激包括照明水平等；為研究光源對瞳孔大小的影響，Crawford[10]記錄了人眼瞳孔直徑在不同光刺激(從高刺激到低刺激)條件下隨時間的變化情況。目前針對道路LED補(bǔ)光燈對駕駛?cè)藛T視覺影響的相關(guān)文獻(xiàn)多側(cè)重于理論分析或運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用眼動儀來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的較少。

本文基于眼動實(shí)驗(yàn)研究道路LED補(bǔ)光燈對駕駛?cè)藛T的影響，以武漢市某一街道上的常亮型LED補(bǔ)光燈為研究對象，以實(shí)測的現(xiàn)場光照數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)并開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，通過眼動數(shù)據(jù)分析常亮型LED補(bǔ)光燈的照度對駕駛?cè)藛T視覺的影響，為道路常亮型LED補(bǔ)光燈照度設(shè)置提供依據(jù)。

1 道路現(xiàn)場實(shí)測與分析

1.1 現(xiàn)場測量方案

根據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB/T 10000—1988)[11]以及《機(jī)動車輛 間接視野裝置 性能和安裝要求》(GB 15084—2013)，測得被測者臀部和后背部靠在同一鉛垂面上這一坐姿狀態(tài)下的人體尺寸。駕駛員的眼點(diǎn)參數(shù)如圖1所示[12]。

圖1 駕駛員的眼點(diǎn)參數(shù)

由圖1可知，通過汽車制造廠確定的駕駛員設(shè)計(jì)乘坐位置中心，作1個平行于汽車縱向基準(zhǔn)面的縱向垂直面，從該平面內(nèi)的駕駛員“座椅基準(zhǔn)點(diǎn)”向上635 mm，作垂直于該平面的1條直線，在此直線段與該平面的交點(diǎn)的兩側(cè)各32.5 mm處(總距離為65 mm)作2個點(diǎn)，即為駕駛員的左、右眼點(diǎn)。

根據(jù)坐姿人體參數(shù)以及駕駛?cè)藛T眼點(diǎn)參數(shù)可以得出大汽車和小轎車人眼到地面的距離參數(shù)。對于小轎車，座椅基準(zhǔn)點(diǎn)距離路面約400～600 mm，對于大汽車，座椅基準(zhǔn)點(diǎn)距離路面約1 000～1 500 mm。因此對于小轎車駕駛員的眼點(diǎn)離地面1 035～1 235 mm，對于大汽車駕駛員的眼點(diǎn)距離路面約1 635～2 135 mm。

由于小轎車和大汽車高度不一，為實(shí)驗(yàn)的方便和準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)過程中取眼點(diǎn)離地面的平均值，因此小轎車眼點(diǎn)離地面的距離為1 135 mm，大汽車眼點(diǎn)離地面的距離為1 885 mm。

為分析駕駛?cè)藛T的眼睛從開始受到燈光影響到結(jié)束的范圍和在此過程中的光照強(qiáng)度和環(huán)境照度變化，選擇武漢市某一街道常亮型LED監(jiān)控補(bǔ)光燈為測量目標(biāo)，利用紅外線測量儀、照度計(jì)、卷尺進(jìn)行實(shí)地測量。

1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量與分析

從事故發(fā)生的時間段來看，一天中20∶00—24∶00是公路交通事故高發(fā)時間段[13]，死亡事故高發(fā)時間段為18∶00—21∶00[14]。在18∶00—21∶00時間段行車，駕駛員身體疲乏，反應(yīng)遲鈍，視線不清，同時夜晚駕駛員注意力難以集中，容易發(fā)生交通事故。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)測現(xiàn)場夜間有路燈的道路，光環(huán)境較為明亮，有常亮型LED監(jiān)控補(bǔ)光燈照射的區(qū)域較刺眼。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，測量現(xiàn)場照度的時間安排在每天的19∶15，19∶45，20∶15，連續(xù)測量3 d。測量參數(shù)為常亮型LED監(jiān)控補(bǔ)光燈的高度，人眼開始受光照影響時的光照強(qiáng)度和結(jié)束時的光照強(qiáng)度及此段距離。利用紅外線測量儀測量常亮型LED監(jiān)控補(bǔ)光燈高度的結(jié)果見表1。

表1 LED監(jiān)控補(bǔ)光燈燈高參數(shù)

在常亮型LED補(bǔ)光燈能照到的范圍內(nèi)用照度計(jì)連續(xù)3 d在每天的19∶15，19∶45，20∶15 3個時間點(diǎn)測量道路中間的光照強(qiáng)度。測量時從距離常亮型LED補(bǔ)光燈22 m處開始測量，地面測量距離與方向示意如圖2所示。每隔1 m測量1個照度值，第23個點(diǎn)位位于常亮型LED補(bǔ)光燈的正下方。測量項(xiàng)目為駕駛?cè)藛T眼睛開始感受到LED補(bǔ)光燈的光照強(qiáng)度，最強(qiáng)光照強(qiáng)度和結(jié)束時的光照強(qiáng)度，以及環(huán)境照度。

圖2 地面測量距離與方向示意

通過現(xiàn)場測量獲得該常亮型LED補(bǔ)光燈位置23個測量點(diǎn)位上每個點(diǎn)位的18組數(shù)據(jù)，并繪制離地面1 135 mm和1 885 mm高度上的光照強(qiáng)度變化趨勢圖，如圖3～4所示。

圖3 離地面1 135 mm高度上的光照強(qiáng)度

圖4 離地面1 885 mm高度上的光照強(qiáng)度

由圖3～4可知，在水平方向上，離地面1 135 mm和1 885 mm高度上的照度變化趨勢都是從第8個測量點(diǎn)處光照強(qiáng)度開始上升，第15個測量點(diǎn)處達(dá)到最大，第20個測量點(diǎn)處開始恢復(fù)正常照度。

在豎直方向上，23個測量點(diǎn)在1 885 mm高度上的照度平均值是1 135 mm高度上的照度平均值的2倍左右。在水平位置第15個測量點(diǎn)處，照度平均值達(dá)到最大，1 135 mm高度上的照度平均值為347.33×10-1lx，而在1 885 mm高度上的照度平均值為778.78×10-1lx。

測量過程中，離地面1 135 mm高度上的最低照度為60×10-1lx，最高照度為371×10-1lx；離地面1 885 mm高度上的最低照度為123×10-1lx，最高照度為805×10-1lx。根據(jù)現(xiàn)場測得的最低照度和最高照度，為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究設(shè)置照度梯度提供參考。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

為研究道路常亮型LED補(bǔ)光燈對駕駛?cè)藛T視覺的影響，基于現(xiàn)場實(shí)測光照數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬駕駛?cè)藛T駕駛過程中受到常亮型LED補(bǔ)光燈照射的過程，通過眼動儀采集被試者的眼動數(shù)據(jù)，分析常亮型LED補(bǔ)光燈對視覺的影響規(guī)律。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

瞳孔大小變化的臨床表現(xiàn)為：正常的瞳孔為圓形，對光的反應(yīng)敏感，正常成人瞳孔的直徑一般為2～4 mm之間，兩眼對稱的情況下通常差異不超0.25 mm。當(dāng)相差不超過0.5 mm，且瞳孔的反應(yīng)和藥物試驗(yàn)均無不正常情況，也可以看作正常的差異。瞳孔的變化范圍可以非常大，當(dāng)極度收縮時，人眼瞳孔的直徑可小于1 mm，而極度擴(kuò)張時，可大于9 mm[15]。

瞳孔大小發(fā)生變化主要與光照強(qiáng)度有關(guān)，在光照強(qiáng)度大時，瞳孔縮小以減小光線對視網(wǎng)膜的刺激；光照強(qiáng)度小時，瞳孔放大以使視網(wǎng)膜得到足夠刺激，幫助分辨物體。人眼的視覺功效是由瞳孔大小決定的，瞳孔收縮能提高視覺功效；反之，瞳孔放大會降低視覺功效，但瞳孔縮小或放大到一定程度時會導(dǎo)致看不清楚目標(biāo)。除此之外，知覺、記憶、思維、語言加工、動機(jī)、情緒等許多高級心理活動也與瞳孔大小的變化有關(guān)系[16]。Lowenstein等[17]以及Kahneman等[18]的研究表明，疲勞會使瞳孔直徑逐漸縮小。瞳孔大小變化能反映駕駛?cè)嗽隈{駛過程中遇到的疲勞或不舒適的心理、生理狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)選取LED燈的光照強(qiáng)度作為研究因素，選擇瞳孔大小和視覺感受作為駕駛?cè)艘曈X受影響的評價指標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括上海心儀科技公司所生產(chǎn)的Tobii Pro Glasses眼動儀、Tobii Pro Lab(x64)數(shù)據(jù)分析軟件、照度可調(diào)節(jié)LED燈、標(biāo)準(zhǔn)E字視力表等。

2.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取6名正常視力者和6名不正常視力者總計(jì)12名被試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，12名被試者的視力情況見表2。被試者的年齡均在21～24歲之間，矯正視力均為5.0。將這12名被試者的瞳孔大小參數(shù)作為有效樣本，編號為1～12。

表2 被試者視力情況

在實(shí)驗(yàn)開始之前，將被試者帶入暗室，通過足夠長的時間(40～50 min)適應(yīng)暗室的環(huán)境，為實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，并告知被試者實(shí)驗(yàn)的具體操作和相關(guān)注意事項(xiàng)。被試者在距離視力表3 m遠(yuǎn)處，戴好眼動儀后進(jìn)行校準(zhǔn)，要求每個被試者平視視力表4.9的位置。要求被試者在實(shí)驗(yàn)過程中，每個照度照2 s后立即說出自身視覺感覺：看清(1)或看不清(0)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后結(jié)合眼動數(shù)據(jù)分析照度對視覺的影響。

依據(jù)現(xiàn)場LED燈光照強(qiáng)度的測量結(jié)果以及可調(diào)節(jié)LED燈照度限制，設(shè)置7個光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為：100×10-1，300×10-1，500×10-1，700×10-1，900×10-1，1 300×10-1，1 700×10-1lx。

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程分為2個階段：預(yù)實(shí)驗(yàn)和正式實(shí)驗(yàn)。

1)預(yù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作就緒后，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每個被試者實(shí)驗(yàn)時眼睛必須平視前方，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，根據(jù)100×10-1，300×10-1，500×10-1，700×10-1，900×10-1，1 300×10-1，1 700×10-1lx依次調(diào)節(jié)LED燈的光照強(qiáng)度，每個照度照射2 s后，被試者立刻說出視覺感受并進(jìn)行記錄，同時測得相應(yīng)照度下的瞳孔大小。每次光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)后，先讓被試者有1～2 min的適應(yīng)時間，降低由于調(diào)節(jié)照度給實(shí)驗(yàn)帶來的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對眼動儀記錄的眼動數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)出兩眼瞳孔大小變化參數(shù)并進(jìn)行分析。由于Tobii Pro Lab(x64)軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)較多，因此在數(shù)據(jù)處理過程中取10組有效數(shù)據(jù)的平均值，同時降低誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2)正式實(shí)驗(yàn)。預(yù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)比較理想，正式實(shí)驗(yàn)按照預(yù)實(shí)驗(yàn)的步驟依次對12名被試者依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 照度對瞳孔大小的影響

瞳孔大小的變化可起到調(diào)節(jié)進(jìn)入眼內(nèi)光量的作用。在光照強(qiáng)度比較高時，瞳孔縮小以減小光照強(qiáng)度對視網(wǎng)膜的刺激。本文實(shí)驗(yàn)選取每個被試者10組有效瞳孔大小數(shù)據(jù)，并取其平均值，12名被試者左、右眼瞳孔大小與照度的關(guān)系分別如圖6～7所示。

圖6 12位被試者左眼在7個照度下的瞳孔大小變化

圖7 12位被試者右眼在7個照度下的瞳孔大小變化

不同被試者的瞳孔大小存在個體差異，所以被試者所受到照度的影響也會有所區(qū)別，但整體分析被試者受影響程度大小大致相同。由圖6～7可知，隨著照度的增大，被試者左、右眼瞳孔呈逐漸縮小的趨勢。當(dāng)照度從100×10-1lx變化到700×10-1lx，被試者瞳孔縮小得相對較快，而從700×10-1lx變化到1 700×10-1lx時，被試者瞳孔縮小得相對較慢。不同被試者在同一照度下也有區(qū)別，12名被試者左眼瞳孔大小平均從5.6 mm縮小到2.7 mm，被試者右眼瞳孔大小平均從5.4 mm縮小到2.6 mm，瞳孔大小變化范圍差值平均為2.7 mm。瞳孔縮小說明光照強(qiáng)度太高，刺激視網(wǎng)膜收縮，以提高視覺效果，但瞳孔縮小到一定程度會看不清楚目標(biāo)，被試者的瞳孔大小下降至大約3.5 mm時開始看不清楚目標(biāo)。

3.2 照度對被試者視覺感受的影響

不同照度下被試者瞳孔隨著照度的增大而縮小，當(dāng)瞳孔嚴(yán)重縮小時會導(dǎo)致視線模糊，看不清目標(biāo)。為研究照度對被試者視覺感受的影響，記錄每個照度照射2 s后被試者的視覺感受，并進(jìn)行分析。記錄結(jié)果見表3。

表3 照度對被試者視覺感受的影響

由表3可知，照度在100×10-1～700×10-1lx時對被試者視覺感受的影響較弱，當(dāng)照度從100×10-1lx變化到700×10-1lx，正常視力的被試者均能看清目標(biāo)，非正常視力的被試者大部分能看清目標(biāo)，其中被試者7由于近視度數(shù)比較高，從300×10-1lx照度開始看不清目標(biāo)；當(dāng)照度從700×10-1lx變化到1 700×10-1lx時，正常視力的被試者均在這一范圍內(nèi)的某一照度下開始看不清目標(biāo)，最早出現(xiàn)在900×10-1lx，最晚出現(xiàn)在1 700×10-1lx，非正常視力的被試者(被試者7除外)在700×10-1lx或900×10-1lx照度下開始看不清目標(biāo)，在700×10-1lx到1 700×10-1lx的照度范圍內(nèi)，被試者受影響程度較深。不同視力的被試者，視覺影響也不同，非正常視力的被試者對光的敏感性比正常視力的被試者高，而且近視度數(shù)越高，視覺影響越早。例如，被試者2和被試者11在700×10-1lx照度下開始看不清目標(biāo)，而被試者7在300×10-1lx照度下開始看不清目標(biāo)。

4 結(jié)論

1)道路常亮型LED補(bǔ)光燈在水平方向上，離地面1 135 mm和1 885 mm高度上的照度變化均隨著測量點(diǎn)位靠近道路常亮型LED補(bǔ)光燈而呈先上升后下降的趨勢。在豎直方向上，離地面1 885 mm高度上的照度平均值是離地面1 135 mm高度上的照度平均值的2倍左右。

2)在照度從100×10-1lx變化到1 700×10-1lx的過程中被試者瞳孔逐漸縮小，左眼變化區(qū)間為5.6～2.7 mm，右眼變化區(qū)間為5.4～2.6 mm。被試者的瞳孔縮小至約3.5 mm時開始看不清楚目標(biāo)。

3)照度的變化對被試者視覺感受有一定影響。照度在100×10-1lx到700×10-1lx的范圍內(nèi)對被試者視覺感受的影響較弱；照度從700×10-1lx變化到1 700×10-1lx，被試者受影響程度較深。

4)不同視力的被試者，視覺影響也不同，非正常視力的被試者對光的敏感性比正常視力的被試者要高，而且近視度數(shù)越高，視覺影響越早。被試者2和被試者11在700×10-1lx照度下開始看不清目標(biāo)，而被試者7在300×10-1lx照度下就開始看不清目標(biāo)。

5)為減小道路常亮型LED補(bǔ)光燈對駕駛?cè)藛T的視覺影響，建議道路常亮型LED補(bǔ)光燈的照度設(shè)置在700×10-1lx以下。