LED交通标志的视认性研究

夏如艇，王　昕，毛云峰，赵凯乐，胡　飞

(台州学院机械工程学院，浙江 台州　318000)



LED交通标志的视认性研究

夏如艇，王昕，毛云峰，赵凯乐，胡飞

(台州学院机械工程学院，浙江 台州318000)

摘要：设计了一种LED交通标志的视认性实验装置，采用三种表面照度和对比度研究交通标志的视认性和易读性。分析了表面照度和对比度对行人视认性的影响，探讨了视认标志的视膨胀现象。结果表明：1)表面照度和对比度越高，视认率越高；2)年长者的标志视认率与其视觉功能有关，当对比度较大且视认距离在30m以上时，增加表面照度，其视认率下降明显；3)视认过程中存在视膨胀现象，标志表面照度在500lx以上时年长被试者比年轻被试者表现的更明显。

关键词：LED光源；内部照明；交通标志；视认性

引言

交通标志是以形状﹑颜色和字符等向道路使用者传递视觉信息，并结合交通道路及环境状况进行合理设置，通过标志提供准确信息和引导，使道路使用者顺利抵达目的地，保障交通顺通和行车安全[1]。标志可分为三种：反射型标志﹑照明型标志(包括内部照明和外部照明)和主动发光型标志。由于反射型标志大多依靠逆反射材料制作，其视认效果存在不足，如在光照射条件下易产生定向回归反光，且仅能被灯光条件良好的车辆正面行驶识别，因此难于满足交通环境中各类状况下车辆和行人的识别需要。此外，反射型标志要求车辆在远近光照明的条件下才能清晰识别，但远灯光的开启极易导致交通安全隐患，在雨雾等恶劣天气条件下几乎无法被识别[2-3]。为确保驾驶员能快速准确的辨识标志信息,标志应具有良好的视认性和易读性。由于照明型标志比反射型标志具有明显优势，尤其LED光源具有较强的光线穿透性能，在夜间或雨雾等天气条件下能实现远距离视认，且LED光源内部照明比荧光内部照明具有明显的节能优势而得到广泛应用[4]。由于交通环境的动态复杂性﹑照明标志文字图形的多样性和驾驶员视觉功能的个体差异性，如何使LED内部照明标志的视认性和易读性最优化，并合理正确地评价LED交通标志的视认性和易读性，逐渐成为人们研究的热点[5-7]。尽管国家标准GB 5768—2009《道路交通标志和标线，第2部分：道路交通标志》对各种照明标志中的文字和图形的颜色﹑形状﹑大小及交通标志的安装设置方法作出了明确规定，但对LED内部照明标志的表面照度和对比度未作具体要求。本文分析了各种标志在白昼和夜间环境下的视认性,设计制作了一种LED光源内部照明型标志视认性实验装置,选择年轻和年长两组人员作为被试者，在三种照度和三种对比度的状况下，对视认性和易读性进行了实验研究。

1标志的视认性

通过调查分析,并实地观察交通标志在昼间和夜间的视认和判读效果,选取图1和图2所示的LED内部照明标志作为设计实验装置的依据。图1(a)和图1(b)分别表示多个导向标志布置和单个导向标志布置状况下昼间与夜间的视认效果比较。图2(a)和图2(b)分别表示指示标志和限速标志在昼间黄昏夜间的视认效果比较。从图中可以看出,昼间和夜间的视认效果有较大的差异性,主要原因是由于标志表面与背景的对比度较大。

1.1实验方法

实验装置：如图3所示，实验装置类似于长方形箱体，内部光源采用LED照明，正面材料为ABS透明塑料。正面由字符和背景两部分组成，标志的表面颜色，即，字符部分的颜色为白色，背景为蓝色。装置面积为153mm×160mm, 模拟标志的实际面积为460mm×480mm。实验用文字为兰道环，外径83.3mm。文字(C环)的表面照度和对比度设计为三档可调，即文字的表面照度为250 lx、500 lx 和1000 lx 三种；对比度(背景表面照度与文字表面照度之比)为1∶4、1∶10和1∶25三种。

实验条件：在室内模拟夜间环境状况进行实验，室内照度设置为15～20 lx。如图4所示,被试者从远离标志的50m的位置步行向标志靠近,当被试者观察到兰道环开口方向位置时,举手示意,此时测量视认距离。表面照度和对比度各有三种,形成9种组合，因此进行9个实验。每个实验进行8次(兰道环开口的方向上下左右各两次)，每个被试者共进行27次测量。

图1　导向标志昼间与夜间的视认效果对比Fig.1　Compare of guiding signs in daytime and nighttime

图2　指示标志和限速标志在昼间黄昏夜间的视认效果对比Fig.2　Compare of indicative signs and speed limit signsin daytime and nighttime

图3　LED内部照明标志实验装置Fig.3　Experimental apparatus

图4　标志视认的实验过程Fig.4　Experimental process

被试者：年轻被试者为大四学生，7人，22-24岁；年长被试者为教师,7人,55-65岁。被试者均有正常视力或正常校正视力。

1.2结果与讨论

1.2.1对比度对视认性的影响

为准确评价视认性，以视认率作为评价指标。交通标志视认率是指在规定的时间内道路利用者对同一视认目标物的正确判断次数与总判断次数的比率，视认率受表面照度、表面对比度和人的生理心理等因素的直接影响。

图5表明了标志的文字表面照度为1000lx时，表面对比度对视认率的影响。从图中可以看出,表面对比度越高，视认率也越高。并且,当文字表面照度为250lx和500lx时也有同样的倾向。

图5　对比度对视认率的影响(照度=1000 lx)Fig.5　Effect of contrast on sign recognition rate(Illuminance 1000 lx)

1.2.2表面照度对视认性的影响

图6表明了标志表面对比度为1∶10时,表面照度对视认率的影响。从图中可以看出,照度越高，视认率也越高。并且,当表面对比度为1∶4和1∶25时也有同样的倾向。

1.2.3年轻和年长者视认性的比较

分别在三种对比度状况下，改变表面照度，对年轻和年长被试者的视认性进行实验，结果表明，三种对比度状况下的视认率大体一致，没有明显差异。但每种对比度条件下，照度改变后，存在一定的差异(见图7a和7b，对比度=1∶10)，尤其是年长与年轻组相比较，表现出明显的差异。

图7a和图7b分别表明了年轻组和年长组在对比度为1∶10状况下的视认率。当标志距离变远时,视认性变差,尤其是表面照度为1000lx时,当距离为30m以上,年长组的视认率极低(图7b的右下区域)。产生这种现象的原因可能是由于年长组被试的年龄增大，视觉功能特性下降。

一般情况下，相对于年轻人，高龄者在暗处的视觉感会变弱，由于进入眼球的光数量变少，因此提高标志照度，增加进入眼球的入射光数量有利于对标志的视认和判读。然而，上述的实验结果却表明，进入眼睛的光数量即使增加也不会提高视认率。根据视觉成像和眼生理学理论，其原因之一可能是眼睛的水晶体本身有不透明，随着年龄的增加，水晶体的不透明度也随之增加，眼球水晶体的不透明度高对射入眼睛的光有散射的影响。另一原因可能是对视认标志的视觉膨胀现象所导致。

图6　表面照度对视认率的影响(对比度=1∶10)Fig.6　Effect of illuminance on sign recognition rate(Contrast 1∶10)

2标志的易读性

视觉膨胀是指人的视觉系统在一定的视认距离对视认目标物产生离散扩张的视觉感知，视觉膨胀受视认环境照度、视认距离和人的生理心理等因素的直接影响。为阐明标志的视觉膨胀现象，即，表明照度与视觉膨胀现象的关系及年龄增加与视膨胀现象的相互关联性，进行如下实验。

图7　年轻和年长被试者视认率比较(对比度=1∶10)Fig.7　Compare of sign recognition rate betweenyounger and older (Contrast 1∶10)

2.1实验方法

实验装置：如图8所示。在实验箱体的正面位置设置两块可活动的长方形蓝色标志板(水平方向可调和垂直方向可调),标志板尺寸为10mm×5mm。标志板的背面设置了LED光源，且LED的亮度设置为四档可调，分别为60cd/m2﹑130cd/m2﹑195cd/m2和280cd/m2，使得标志表面照度分别成为250lx﹑500lx﹑750lx和1000lx。

实验条件：在室内模拟夜间环境状况进行实验，如图9所示。被试者站在离标志5m的位置进行观测，开始时，两个标志紧靠一起，然后逐渐拉开标志，直到被试者观测到两块标志明显分开后，作出回答。此时，测量两个标志间隔，此间隔值也是标志的视觉膨胀值。每个被试进行八次，即，水平方向调节照度四次，垂直方向调节照度四次。如250lx照度时测量间隔，然后将照度变为500lx，再测量间隔值，依次完成照度为750lx和1000lx的实验，并获得间隔值。最后将所有实验所得间隔值，求取平均值。

被试者：被试者是参加前次实验的人员。

2.2结果与讨论

表1 列出了两组被试者的视觉膨胀值，图10表明了当标志照度变化时，视觉膨胀值的变化趋势。从图10可看出，表面照度值增大时，标志的视觉膨胀变大，这种变化的倾向，年长者比年轻者表现的更明显。并且说明了标志的易读性受到视觉膨胀现象的影响。

图8　视觉膨胀现象实验标志板设置Fig.8　Apparent expansion experimental apparatus

图9　标志板垂直设置时的视觉膨胀现象Fig.9　Experimental processes on visual apparent expansion phenomenon(sign templates with vertical direction)

表面照度/lx2505007501000视觉膨胀值(间隔)/mm年轻组0.270.280.320.35年长组0.280.290.370.45

图10　表面照度与视觉膨胀的关系Fig.10　Relation between illuminance and apparent expansion

3总结

本文在调查LED光源内部照明型标志视认效果的基础上，通过改变表面照度和对比度，对内部照明型标志的视认性和易读性进行了研究，并探讨了视觉膨胀现象对易读性的影响。对年轻和年长被试者的视认率和视觉膨胀现象进行了比较，总结如下：

1)对比度越高，标志的视认率越高；

2)提高标志表面照度可以提高视认率，但照度过高和视认距离较大时,年长者视认率反而会下降；

3)标志视认过程中存在视觉膨胀现象，当表面照度高于500lx时，视觉膨胀现象逐渐明显，尤其是年长者视觉膨胀现象比年轻者更明显。

本文提出了一种LED光源內部照明标志的视认性和易读性的试验方法，但只是以步行状况观测 (或静态状况下观测)。行驶过程是以一定速度运行的动态驾驶操作过程，标志的视认性和易读性与车辆速度有一定关系，这些内容将在后续研究中展开。

参考文献

[1] 道路交通标志和标线 第2部分:道路交通标志:GB 5768—2009[S].北京:中国标准出版社,2009.

[2] 日本視覚学会.視覚ハンドブック[M].朝倉書店,2010:534.

[3] インテリア産業協会.高齢者のための照明·色彩設計[M].産能大学,2009:26.

[4] 郭菲,俞丽华.发光二极管及其标志照明中的应用[J].光源与照明,2002,2:19-21.

[5] 张宁,何铁军,高朝晖,等.道路场景中交通标志的检测方法[J].交通运输工程学报,2008,8(6):104-109.

[6] 陈国庆,仇韶峰,陈文宇.浅谈LED灯光标志在公路上的应用[J].江苏交通科技,2000,1:31-33.

[7] 盛莉莉,郭敏.自发光式交通标志亮度与对比度的研究[J].浙江交通职业技术学院学报,2008,9(3):21-24.

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

基金项目：浙江省大学生科技创新暨新苗人才计划资助项目(2015R430020)，浙江省钱江人才计划资助项目(2011R100093)

中图分类号：TM923.07

文献标识码：A

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