基于駕駛人視錯覺特性的三維立體視錯覺減速標線設計

方劍 周懌

收稿日期：2023-10-20

作者簡介：方劍（1989—），男，本科，工程師，研究方向：道路安全設施。

摘要 車輛行駛時駕駛人主要是通過視覺獲取交通信息，因而視覺條件是駕駛狀態的關鍵影響因素。在視錯覺影響下，駕駛人對速度、色彩、距離的感知會發生改變，因而文章首先闡述視錯覺特性對駕駛人視覺產生的影響，并以高速公路為研究對象，從位置、尺寸、顏色、形狀四個方面對基于視錯覺特性的三維立體減速標線進行設計。而后通過仿真實驗對初選的設計方案進行對比分析，總結出以紅、黃、藍三種顏色搭配的三角形減速標線設計方案在立體感、減速緊迫感、道路協調感及施工難易度方面表現最佳。將之用于高速公路出口匝道及收費站處，能消除視錯覺對駕駛人駕駛狀態的不利影響，提示其提前減速，保障車輛安全行駛。

關鍵詞 視錯覺特性；減速標線；仿真模擬

中圖分類號 U491.31文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0035-03

0 引言

高速公路作為交通運輸的重要結構之一，在社會經濟發展中占據重要地位，然而交通安全事故的發生，會影響交通業的正常發展。因此，優化高速公路基礎設施，成為保障交通安全的關鍵路徑。由于視錯覺特性會導致駕駛人在車輛行駛中出現速度、距離、色彩方面的視錯覺，需要對傳統立體減速標線進行優化，由此誕生了基于視錯覺的減速標線，此種三維立體標線能夠結合駕駛人的視錯覺特性，合理設置減速標線的顏色、尺寸及圖形，可有效提高減速標線作用，降低交通安全事故的發生頻次。

1 視錯覺特性對駕駛人視覺產生的影響

錯覺是人通過視覺所接收的信息與觀察對象實際特征間存在差異的現象，此現象的出現會受到觀察者視網膜經驗的影響，同時還與視覺反應、視覺效果、觀察者的感覺三個方面存在關聯。在視錯覺特性影響下，駕駛人可能會產生三種視錯覺：一是速度視錯覺，高速行駛中，駕駛員依靠景物、聲音、身體感知的速度判斷方式，在長期行駛后會逐步適應速度感覺，進而會影響其對速度感覺判斷的準確性，出現高速行駛車輛車速并不快的錯覺[1]；二是色彩視錯覺，相同距離下，駕駛人會產生紅黃色近、黃綠色遠的視錯覺，且淺色及鮮艷的顏色對駕駛人精神具有刺激作用；三是距離視錯覺，會影響駕駛人對車輛長度、兩車間距離判斷的準確性，相同的距離下，會出現日間近、夜間遠，大車近、小車遠的距離視錯覺，會因跟車距離過近而引發安全事故。

2 基于駕駛人視錯覺特性的三維立體視錯覺減速標線設計方案

由于駕駛人的視錯覺特性會對行車時的速度、色彩、距離產生影響，下面以高速公路為例，結合視錯覺特性，分別設計三維立體化視錯覺減速標線的設置位置、圖形、尺寸以及顏色。

2.1 三維立體視錯覺減速標線設計

2.1.1 三維立體視錯覺減速標線的位置設計

高速公路上不同區域的行駛速度、車流連續性存在差異，因而并非所有位置均需要設置三維立體視錯覺減速標線。例如，高速公路基本路段的設計時速一般介于80～120 km/h之間，高速公路入口匝道為車流匯合緩沖區域，車速會由慢變快，因此這兩處無須設置三維立體視錯覺減速標線[2]。而立交橋、隧道以及大長坡等區域雖限制車輛速度，但車速仍然較快，并且車流相對連續，這些區域也不可設置三維視錯覺減速標線，以免因車速突然降低導致車輛碰撞或交通阻塞。出口匝道是車流分離的主要區域，且此區域與收費站相連，接近收費口時應減速行駛，并且在進入收費站后，車輛需要取卡繳費，車輛行駛速度逐漸變低，且要求車輛能夠隨時停止，因此，這兩處區域均需要設置三維立體視錯覺減速標線。

2.1.2 三維立體視錯覺減速標線的圖形設計

由于人的視覺具有選擇性，道路障礙物視錯覺是基于單個或多個連續的平面圖案，利用人的視覺整體性形成立體視覺效果，進而對道路環境產生影響，以增強人的關注度及緊張感，進而引導駕駛人主動減速[3]。基于此原理，高速公路三維立體視錯覺減速標線可以設計為三類圖形：一是波浪形，圖形邊緣設計成曲線，可形成波浪起伏的圖形，會使駕駛人產生前方有橫向性、持續性塌陷的錯覺，為防止路面顛簸其會降低車速；二是基礎型減速標線，包含三角體、圓柱、圓臺形、正方體、梯臺形以及六棱柱六種圖形，這些圖形可采用平面三維技術繪制，使駕駛人產生前方垂直方向上存在尖銳性、阻擋性障礙物的視錯覺，從而降低車速，以免發生碰撞或車輛底盤受損；三是半側六棱錐形或滑梯形減速標線。此類圖形可使駕駛人產生道路水平面存在跳板類障礙物的視錯覺，為防止車輛駛上跳板后降落到路面時出現失控打滑或導致車體劇震，駕駛人會主動降低車速。

2.1.3 三維立體視錯覺減速標線的圖形顏色設計

圖形顏色方面，根據道路交通標線顏色設置要求，結合各個顏色對人的心理影響特點，設計了五種顏色對比：一是冷暖對比，主要用于圓柱形圖形；二是暖紅對比，用于滑梯形圖形；三是冷暖白對比，用于三角形圖形；四是暖白紅對比，用于半側六棱錐圖形；五是冷暖紅白對比，主要用于六棱立柱圖形。為增強減速標線的立體效果，三維立體視錯覺減速標線設計時，需在圖案下方增加一個白色底面，從而與黑灰色瀝青道路形成鮮明對比，增強對駕駛人的視覺刺激效果。白底橫向寬度與車道寬度相同，而縱向長度則設置為減速標線單元圖總長度的2/3。并且，為突出相交平面角度差異視覺感知效果，還為所有圖形均加上了輪廓線。

2.1.4 三維立體視錯覺減速標線的尺寸設計

（1）單元圖形視錯覺高度計算。為使駕駛員出現前方存在障礙物的錯覺，需要合理設置單元圖形的視錯覺高度（H），由于人眼分辨物體的大小與其視覺敏銳度成反比關系，因而可將視銳度這一辨別兩點間距離的參數作為視覺空間閾限，結合駕駛人視力情況，判斷出視力最小閾限（最小閾限的求解方法是1除以視銳度，雙眼視力及矯正視力高于4.9時，視銳度取值為0.8）。再根據“人眼觀測視角在最小區分閾限五倍時，具備最大的目標物體分辨能力”這一原理[4]，計算出單元圖形的最佳視錯覺高度（H *），公式如下：

（1）

式中，H *——單元圖形的最佳視錯覺高度；L——人眼與減速標線間的距離；V——視銳度。

（2）單元圖形拉伸長度計算。由于駕駛中駕駛員及減速標線并非處于相同平面，觀察視角并不垂直，因而在不同平面上會產生圖形長度投影損失，而駕駛人無法在高速行駛過程中自主彌補此部分長度損失。為此，需要基于視錯覺要求尺寸拉伸修正單元圖形的長度。例如，三角體形三維立體減速標線的拉伸長度是高度拉伸及厚度拉伸之和，二者分別用于實現三角體障礙物預期視錯覺的高度及厚度。圖形視錯覺高度及拉伸長度關系見圖1。

關系示意圖

圖1中，將最佳減速標線視錯覺高度（H *）及拉伸高度（h1）分別作為直角邊，可得到一個直角三角形。若以駕駛人眼高度（Hd）、駕駛人觀測點與減速標線間的距離及高度拉伸值之和（L+h1）分別作為直角邊，則可構成另一個直角三角形，這兩個直角三角形底邊處于同一水平線，且具有一個共同的夾角q，根據正切公式可分別得到兩個夾角計算公式：

（2）

（3）

將兩個公式合并，可以得出拉伸高度計算公式為：

（4）

由于小汽車及大型車輛駕駛人的眼高度分別為1.2 m及1.5 m，因此，在觀察間隔、拉伸長度恒定時，駕駛人眼高度及減速標線視錯覺高度呈正比關系。因此大型車比小型車駕駛人觀測到的減速標線視錯覺高度值更大，應以小汽車駕駛人眼高度作為計算標準，即駕駛人眼高度取值為1.2 m。根據黃金比例分割，在厚度拉伸值（）為高度拉伸值（H *）的2/3時，具備最佳的立體觀感，結合圖2可以得出：

（5）

H=h1+h2 （6）

將式（5）與式（6）合并，便可得出單元圖形厚度拉伸值計算公式：

（7）

（3）平曲線道路線形拉伸長度限制計算。在繪制平曲線道路的減速標線時，由于道路具備較大的曲率，因而可能會出現三維立體減速標線圖形拉伸長度偏大的現象，會使外側圖形伸出車道邊界線之外。為此，設置三維立體減速標線路段的曲率半徑及陰影寬度之間存在的幾何關系（見圖2），可以根據曲率半徑計算出陰影寬度，并以此求出最長拉伸距離。

將軸線方向設定為三維立體減速標線前邊界處垂直線方向，畫出半徑為R的圓的切線h，可以得到一個直角梯形，可得出關系式：

（8）

若單元圖形寬度為h3，假設具備n個減速標線圖形，則可得到外側圖形及車道間的距離計算公式：

（9）

在保證d2比d1大的前提下，可防止繪制減速標線時出現外側圖形伸出車道邊界線之外的現象。對公式（8）與公式（9）合并，可以得到：

（10）

經過整理，可得到單元圖形拉伸限制長度計算公式：

（11）

2.2 設計方案初選及仿真場景創建

根據數理統計中平衡不完全區組設計原理，對所有減速標線的配色進行了二次升級，并通過實驗初步篩選出三種三維立體視錯覺減速標線的圖形及配色方案，再利用3ds MAX作為仿真建模軟件，利用VRay作為渲染引擎，構建仿真實驗場景。采用多邊形建模方式分別構建道路模型及試驗車輛模型，之后再基于MAX操作規則，利用AutoCAD完成平面減速標線的創建。在MAX中導入測試得到的圖案后，可以形成減速標線三維線框圖，對二維線框圖進行厚度賦予后，便可將之轉化成為三維圖像。然后利用CAD作為底圖，運用不同顏色在MAX中對標線進行描邊及轉換，使之具備多種顏色，進而構建出三維立體減速標線。在所有場景元素創建完成后，將仿真后的元素進行集成與輸出[5]。

2.3 仿真實驗及設計方案確定

利用3ds MAX對初選得到的三種三維立體減速標線圖形做仿真實驗，生成三個駕駛人模擬駕駛視頻，再結合心理學、統計學等理論，利用語義分析法，對不同減速標線視頻的立體效果感知情況進行實驗分析，從而得出最佳的減速標線圖形。實驗時，先分別評價三個仿真視頻，根據減速標線效果要求確定評價指標并對各指標進行量化處理。減速標線圖形效果評價設置為強、較強、一般、較弱、弱五個等級，并選取30名評價者，在實驗室內，讓評價者以1.2 m的視線高度，在距離減速標線視頻1 m之處觀看減速標線視頻。每個評價者的觀看次數介于3～6次之間，每個視頻播放60 s，每次觀看間隔2 min。實驗后得到了三種初選三維立體減速標線圖形的立體感、減速緊迫感、道路協調感、施工難易度四個評價數據。總體來看，三種方案的立體感并無明顯差異，得分分別為3.66、3.86、3.82，說明三種方案立體效果均較佳；減速緊迫感的分值分別是3.69、3.76、3.72，也較為接近，說明三種方案均可增強駕駛人的減速壓力。三種方案的施工難易度分別是3.19、2.96、3.06，施工難度差異也不大。但道路協調性方面，三角體方案得分為4.2，梯臺形、六棱體方案得分分別是3.1與2.52，說明三角體形減速標線與道路協調感更佳，因而最優的三維立體減速標線應為三角體形。

3 結語

基于駕駛人視錯覺特性，根據視錯覺減速標線的功能特點，設計了三維立體視錯覺減速標線。確定了高速公路上減速標線的最佳設置位置，并分別設計了三維立體視錯覺的尺寸、顏色及形狀，初步選擇了三角體形、梯臺形、六棱體形三組圖形及黃紅藍、黃紅藍白兩個配色方案。根據仿真實驗分析得出，三種方案的立體感、減速緊迫感、施工難易度較為接近，但三角體形減速標線的道路協調感更佳，因而應將此種方案作為三維立體視錯覺減速標線設計的最佳方案。

參考文獻

[1]胡愛秀， 鐘婉婷， 楊艷群. 視錯覺減速標線有效性綜合評估[J]. 哈爾濱商業大學學報（自然科學版）， 2019（4）： 462-467.

[2]潘福全， 梁雪， 王琳， 等. 基于駕駛仿真的海底隧道出入口段視覺減速標線有效性[J]. 科學技術與工程， 2022（21）： 9372-9380.

[3]王琳. 基于駕駛仿真的V形海底隧道視覺減速標線設置研究[D]. 青島：青島理工大學， 2022.

[4]白婧榮. 山區道路視錯覺減速標線有效性研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2020.

[5]簡水珍. 高速公路視錯覺減速標線設置研究綜述[J]. 西部交通科技， 2018（12）： 138-140.