基于隧道照明的中间视觉可见度研究

徐 华 美

(安徽粮食工程职业学院，安徽 合肥 230051)

0 引 言

随着科学技术的发展，虽然空运和铁路两种运输方式越来越受人们的欢迎，但公路运输仍然是中国现阶段最主要的运输方式，在客、货运输中发挥着重要的作用。由于隧道结构的特殊性，车辆进入隧道后内外光线的亮度存在很大的差异，如果只依靠自然光的照射，不能满足车辆进入隧道后行驶的照明需求。因此，为了保证车辆安全顺畅通过隧道，合理设置隧道内部的照明设备对保证安全行驶有着非常重要的意义[1]。

国外专家对中间视觉做了大量的研究，Palmer提出了中间视觉的光度学模型[2]，Kokoschka研究了4变量的中间视觉模型[3]，研究结果表明，人眼处于中间视觉环境下，人眼中的锥体细胞和杆状细胞将会同时发挥作用，此时双眼的视觉灵敏度最高，视觉会根据亮度的改变而改变。可见，人眼处于中间视觉的视觉效果是最佳的。因此，本文从人眼的中间视觉出发，研究隧道照明的可见度，给车辆行驶提供安全照明，有效减少隧道中交通事故的发生，以确保道路交通的安全。

1 隧道照明的视觉特征

人眼由亮进入暗的场景时，一瞬间完全看不见或者很难看见前方的障碍物，只有经过短暂的时间适应以后，眼睛的感知度才会逐渐升高，然后慢慢地适应暗环境，这时视觉效果才会恢复正常，这种适应的过程称为暗适应过程。人眼从非常亮的场景到非常暗的场景转换过程中，适应的时间是比较长的。如果前一段场景不是很亮，或者后一段场景的背景亮度不是很暗，暗适应的时间会缩短很多。一般背景亮度处于0.010～0.005 cd/m2及其以下时都被认为是暗视觉[4]。反过来，人眼从暗的场景到亮的场景时，眼睛也会出现同样的情况，在一瞬间内几乎看不见任何东西，经过3 min左右人眼才能逐渐清晰，看清周围的障碍物。总之，人眼的视觉适应时间一般从亮场景到暗场景大约18 min左右，而从暗场景到亮场景大约2 min左右，人眼从亮到暗的适应时间较长，具体的适应过程如图1所示[5]。

图1人眼的适应过程

驾驶员在穿过隧道的时候，人眼的视觉要经历隧道的明适应和暗适应之间的交替过程，特别是在白天行驶时，人眼视觉会产生特殊的视觉现象。当驾驶员行驶到接近隧道时，隧道呈现在驾驶员眼中仿佛是一个黑洞，称之为“黑洞现象”。驾驶员从亮度高的隧道外行驶进入亮度相对较暗的隧道内时，人眼视觉要适应从明到暗的过程，这就是暗适应过程。人眼的暗适应时间比明适应的时间长，同时隧道所处的地区通常是山区，光线气候条件都比较复杂，驾驶员在驶入隧道时眼睛很难迅速适应隧道内较暗的环境，导致视线变得模糊不清，看不到前方路况，容易造成交通事故。车辆驶入长度较短的隧道时，人眼能直接看见隧道的出口，隧道就像是个黑框，称为“黑框现象”[6]。在隧道的出口位置，由于太阳光的照射作用，洞外的亮度明显高于隧道内部的亮度，驾驶员经过洞内低亮度光的环境，接着视觉亮度发生大改变，此时眼前会感觉洞口看起来更亮，人眼会有强烈的眩光，大概只看到障碍物的剪影，而具体的隧道的线型与结构、路面状况都看不清楚，汇入车辆的车距也很难做出准确的判断，这是“亮洞现象”[7]。

2 构建隧道照明中间视觉可见度模型

2.1 中间视觉

相关学者的研究表明，当场景亮度大于3 cd/m2时，人眼中的锥体细胞开始活跃兴奋，称为明视觉；当场景亮度小于0.03 cd/m2时，人眼中的杆状细胞立刻起作用，称为暗视觉；当场景亮度处于0.03～3 cd/m2时，人眼中的锥体细胞和杆状细胞都发挥作用，称为中间视觉。人眼处于中间视觉时，视觉效果最好。造成明视觉和暗视觉的差异实质上是不同光谱波长对眼睛产生的视觉效率。为了便于使用，采用归一化的处理方法，如式(1)所示

(1)

式(1)中，φλm和φm都表示辐射通量，经过归一化处理后，明视觉和暗视觉的光视效能曲线如图2所示。[8]

图2 光视效能曲线

在明视觉效能曲线中，发光能效随着波长的递增而递增，且当波长为555.683 nm时达到峰值，说明人眼处于该波长时，锥体细胞处于最敏感的状态;在暗视觉效能曲线中，波长在507.170 nm时达到峰值，此时人眼的杆状细胞处于最敏感的状态；而在507.170～555.683 nm时，人眼处于中间视觉的范围，这时人眼的椎体和杆状同时起作用，视觉的可见度最好。

2.2 中间视觉可见度模型

大量研究者对中间视觉的可见度进行了深入的研究分析，重点是考虑小目标可见度模型如何建立。研究结果表明，常用的小目标可见度模型主要有3种，分别是VL模型、Hurden模型和RVP模型[9-10]。其中应用最广泛的是VL模型，但VL模型里设定参数的可见度不足以保证路面小目标物的探测。因此，本文根据人眼的中间视觉特性，在VL模型的基础上根据中间视觉人眼的反应时间和亮度对比度作为实验参数，验证隧道照明人眼中间视觉的可见度，改进的模型为

(2)

(2)式中，Lt表示目标亮度，Lb表示背景亮度，k是系数，Φ表示光通量，α表示人眼的视角，L表示亮度。

当Lb处于人眼的中间视觉时，即0.03 cd/m2≤Lb≤3 cd/m2时，

(3)

(4)

对于隧道照明，人眼处于中间视觉时，基于反应时间为参数所得光视光效的模型为

(5)

(5)式中,V(λ)表示明视觉的光视效能函数，V′(λ)表示暗视觉的光视效能函数，V(λ,Lb)表示中间视觉的光视效能函数，λ为波长。

(6)

(6)式中，Em表示中间视觉的照度，Eeλ表示光照强度，Km表示中间视觉的最大光视效能，其值为

(7)

对隧道照明所获目标物的图像进行处理，取高频加权平均，然后通过小波变换的方法分解图像的清晰度，所得图像清晰度计算公式为

(8)

(8)式中，E1、E2、E3表示小波分解后的能量，E为总的能量，h1、h2、h3表示加权系数，如果Q值越大，说明所见目标物的清晰度越高，物体的可见度越好。

3 实验结果

3.1 实验参数的选取

表1 隧道照明实验参数

根据隧道照明中间视觉的模型，进行实验分析，按照国际照明委员会的相关要求设计隧道照明的参数，计算出人眼分别在中间视觉和明视觉模式下的照度值，进行比较分析，实验参数选取见表1。

3.2 实验结果分析

由于隧道结构的特殊性，隧道照明的清晰度直接影响驾驶员视觉的可见度、前方交通的状况的准确判断及交通事故能否避免发生。因此本文从路面的照度、可见度及清晰度3个方面进行研究，分析比较人眼在中间视觉模型和明视觉情况下的隧道照明数值，比较结果见表2。

由表2可以看出，在相同的照明环境下，中间视觉模型计算的结果明显高于明视觉，即隧道照明采用中间视觉的效果好，可见度和清晰度高，人眼能够较快适应。因此，保证了车辆的安全通行，减少了交通事故的发生，对隧道道路交通安全通行起着至关重要的作用。

4 结 论

文章从中间视觉的定义及隧道照明可见度的要求，研究了基于隧道照明中间视觉可见度的问题，分析了在隧道照明环境下人眼中间视觉特征,得到中间视觉下人眼最敏感的波长范围是500～560 nm。通过构建隧道照明中间视觉的可见度光视光效模型，选取合适的照明参数，验证隧道照明环境下，人眼在中间视觉下可见度和清晰度最好，能够保证隧道交通的安全，对道路交通的安全通行提供了重要的参数，有着广泛的适用性和有效性。