缓解道路闪光灯导致的视觉失能现象的实验研究

李玮晟，杨松柏，陈神飞，张 兵，李田茵，杜媛媛，赵海天，余剑青

(1.深圳大学建筑与城市规划学院，广东 深圳 518060；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司广东公司，广东 深圳 518000)

引言

随着我国车辆保有量的快速增长，为规范驾驶员的驾驶行为和公安执法的准确和高效，对道路视频监控质量要求越来越高，为满足拍出更为清晰的车牌照或人像特征，需要在光线不足或黑夜环境下适当补光。现阶段，在城市路口高亮度的道路视频监控补光灯随处可见[1]。虽然高亮度补光灯可以满足拍摄清晰照片的条件，但其过高的亮度会对其照射范围内经过的驾驶员造成严重的视觉干扰。导致驾驶员无法提前发现潜在的行车危险和行人而进行预先避让，造成严重的行车安全隐患。据有关部门统计，近年来因高亮度道路监控补光灯的闪烁干扰，影响驾驶员视线而引发的交通事故案例以每年12%的速度增长[2]。所以减弱高亮度道路视频监控补光灯对驾驶员视觉干扰的影响，以提升驾驶的安全性成为迫在眉睫的问题。

1 眩光与人眼视觉的关系

眩光是指由于视野中存在过亮的物体或者是存在极高的亮度对比，引起不舒适的感觉，降低了观察目标和细节能力的一种视觉现象。根据评价方式的不同，眩光分为失能眩光和不适眩光两种，不适眩光是由于散射光线进入眼内，导致了视觉的不舒适感，并不影响分辨力和视力。失能眩光是由于散射光线使视网膜的成像产生了重叠，导致对比度下降，从而降低了视觉效能和视觉清晰度[3]。显然道路补光灯对驾驶员视觉造成的属于失能眩光。

人眼看清物体是因为被观测的物体发出或者反射的光线进入人眼最终在视网膜上成像，而进入人眼光线的多少则是由瞳孔面积的大小来控制。当进入瞳孔的光量过大或过小导致人眼无法看清物体或周围环境时瞳孔会自行调节大小来增加或减小瞳孔进光量以满足清晰观测物体或环境的视觉需求[4]。人眼受到强烈眩光干扰后出现视觉失能和恍惚不清，是因为当大量的光进入瞳孔后人眼有一部分在通过晶状体时会形成散射这部分散射光叠落在被聚焦的物体上也会产生一种视感，它可以比拟为在视场上蒙上了一层明亮的帷幕导致人眼无法看清物体或环境[5]。

人眼在受到眩光干扰时为看清物体和环境，瞳孔会缩小以减少进光量，但不同强度与持续时间的眩光进入瞳孔的光通量是不同的，对人眼的刺激是不同的，人眼的感受也是不同的。根据韦伯费希纳定律S=KlgR，其中S是感觉强度，R是刺激强度，K是常数，随着刺激强度R的增大感受强度S也随之增大，两者之间属于对数关系，也就是说感受强度S最后趋近于不变[6]。所以一定程度内，眩光强度增加时人眼对眩光的感受强度也随之增强，当眩光强度无限增大时，人眼的感受强度最终会趋于不变。由于人眼在受到不同强度和持续时间的眩光干扰时瞳孔的反应时间是不同的，因此眩光的强度和持续时间是决定瞳孔反应时间和人眼感受强度的重要因素。

2 实验方法

2.1 实验条件

该实验的实验场地为面积为4.5 m×6.5 m×15 m的空间，空间界面全部为黑色故反射较低。以1∶2比例模拟道路闪光灯场景，眩光源位于实验场地一端距地面3.3 m；背景光源与眩光源相同高度，距离眩光源12 m；实验者在背景光源正下方测试，如图1所示。

2.2 实验装置

1)亮度成像仪：RADIANT VISION SYSTEMS I-PLUS亮度成像仪，可测量路面各项参数。

图1 实验场地剖面图Fig.1 Section of the experimental site

2)Dikeablis Pro 眼镜式眼动仪：眼部摄像头采集瞳孔大小、眨眼次数、瞳孔和视野范围的实时录像灯功能。数据采集为60次/s，能够清楚地反映出瞳孔数据的变化，可以精确计算出闪光前后瞳孔面积的变化和面积变化之间的时间长度。

3)眩光源：自制可调功率眩光源，光源功率20 W，色温10 000 K为CREE芯片，光源功率范围1～20 W，设置在距地面3.3 m高的位置。

4)背景亮度光源：LED投光灯，电压220 V，功率100 W，色温3 500 K，设置在距地面3.3 m高，距眩光源 水平距离12 m的位置。

5)电路控制模块：a.单组输出封闭型电源供应器，把220 V电压转换为24 V安全电压；b.DC24 V时间继电器，控制眩光源的照射时间，仪器精度0.1 s；c.直流可调降压电源模块，把24 V电压进一步调制到LED灯具额定电压范围内。

相关实验设备如图2所示。

图2 亮度成像仪(左)、眼动仪(右)Fig.2 Brightness imager (left)，eye tracker (right)

2.3 实验步骤

1)用亮度成像仪测出路面的亮度和均匀度，通过调整光源功率使路面亮度达到国家现行的亮度标准，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，亮度均匀度：0.64，纵向亮度均匀性：0.56，实测背景路面亮度伪色图如图3所示。

图3 背景路面亮度伪色图Fig.3 Background pavement brightness pseudo color map

2)眩光源的功率分别为5 W、10 W、15 W、20 W，共四档。测得不同功率下人眼位置的垂直照度为90 lx、130 lx、150 lx、170 lx。

3)通过时间继电器控制眩光源的持续时间，实验中眩光源的持续时间调制为0.1 s、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s，共五组。

4)实验者佩戴眼动仪在距眩光源12 m的位置测试，瞳孔高度统一控制在80 cm的高度，视觉焦点要注视前方路面，然后调节眼动仪参数使实验者的瞳孔面积捕捉正常，同时校对实验者的视觉焦点使仪器屏幕内出现的焦点与实际实验者的视觉焦点一致。

5)将眩光源功率调至5 W,进行照射时间为0.1 s、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s五组实验，每组实验之间实验者需在无眩光环境下根据被照射时间的长短休息1～5 min，恢复强光照射后的视觉失能和恍惚不清。

3 实验数据分析与结论

该实验要验证不同眩光源亮度和不同的照射时间对瞳孔反应时间和人眼的感受程度的影响，所以实验数据处理分为瞳孔反应时间和人眼感受程度两部分。因为该实验是模拟道路闪光灯超强眩光实验，所以实验路面背景亮度不变，眩光源功率范围选择5～20 W，分为5个等级；眩光持续时间范围在0.1～2.0 s之间，分为6个等级。然后分别整理出不同强度眩光源在不同眩光持续时间时的瞳孔反应数据。

3.1 反应时间

本文提出瞳孔的反应时间是由瞳孔的延时时间和瞳孔的缩小时间组成。根据眼动仪的测量数据分别提取出闪光时间，瞳孔开始反应时间和瞳孔面积最小时间。瞳孔延时时间=瞳孔开始反应时间-闪光时间；瞳孔缩小时间=瞳孔面积最小时间-瞳孔开始反应时间。实验数据记录时间为在闪光灯闪烁前5 s开始记录，闪光结束后再记录30 s的数据。根据实验数据分别整理出瞳孔延时时间和瞳孔缩小时间在不同眩光源强度和不同眩光持续时间条件下的数值，如表1所示。

通过表1中的数据可以得出，瞳孔延时时间变化不大，基本都在0.2 s左右，眩光源强度和眩光持续时间对瞳孔延时时间的影响很小。

表1 瞳孔延时时间

表2 瞳孔缩小时间

通过表2可以看出，瞳孔缩小时间则受到眩光强度和眩光持续时间的影响较大，可以得出:

1)当眩光持续时间相同时，眩光光源功率在5～15 W之间，瞳孔缩小时长增加，但当功率达到20 W时由于眩光强度较大瞳孔缩小时长减小。

2)当眩光源强度相同时，随着眩光持续作用时长的增加瞳孔的缩小时长也在增加。

3)当眩光持续作用时长在0.1～0.5 s之间时，无论眩光强度如何变化，瞳孔的缩小时长变化不大。

3.2 人眼感受程度

由于人眼在接受到不同强度眩光照射时最直接的表现是瞳孔面积的变化，因此本文通过照射前后的瞳孔面积差值来表示感受强度，瞳孔面积差值越大，人眼对于眩光的感受强度则越强。通过测得的实验数据，统计出人眼在被不同强度眩光照射后和不同照射时间后有效瞳孔面积的最小值，瞳孔面积最大值是无眩光时一段时间内的瞳孔面积平均值。瞳孔数据如表3所示。

表3 瞳孔面积差值

图4 不同功率感受强度趋势线 Fig.4 Different power perception intensity trend lines

通过表3、图4可以看出，眩光强度和眩光持续时间对人眼的感受强度皆有影响，可以得出:

1)当眩光强度相同时，人眼的感受强度随着眩光持续时间的增加而增加，但最终趋于不变。

2)当眩光持续时间相同时，人眼的感受强度随着眩光源强度的增加而增加，但最终趋于不变。

3)在眩光源功率超过10 W后，既人眼照度在130 lx之后，随着眩光强度的增加人眼的感受强度的变化逐渐减小。

4)在眩光源功率在5～10 W之间，既人眼位置照度在90～130 lx之间时人眼瞳孔面积变化幅度最大，在此范围内人眼对光的变化比较敏感。

4 实验应用与意义

该实验通过模拟道路补光灯的强烈眩光对驾驶员视觉的影响，得出人眼在受到不同强度和持续时间的眩光刺激时人眼的反应时间和感受强度。通过实验得出人眼在被照射0.1～0.5 s时间内瞳孔的收缩时间受到眩光强度和持续时间的影响很小；人眼在照度90～130 lx时对眩光眩光强弱的变化较为敏感，而人眼接受的照度在130 lx以上的眩光时感受强度变化很小。

根据本实验的结论道路闪光灯的持续时间在满足道路摄像机拍照时间的前提下应当尽量减小，尽可能控制在0.5 s以内，因为闪光灯的持续时间在0.1～0.5 s的范围内人眼瞳孔缩小时间最短，由于瞳孔延时时间基本不变，所以人眼的反应时间最短，可以有效地缩短驾驶员视觉失能和恍惚不清的时间，增加驾驶的安全性。对于感受强度来说，因为无法调节闪光灯的亮度故无法避免人眼经历被强烈眩光照射的阶段，但在后期改善和缓解闪光灯眩光的照明设计中，在驾驶员在接受闪光灯照射之前预先将驾驶员的瞳孔面积控制在人眼垂直照度为130 lx时对应的瞳孔大小，减小驾驶员被闪时视觉感受强度，同时缩短了人眼的反应时间，减少驾驶过程中的视觉失能和恍惚时间，提高驾驶舒适性和安全性。