徐 華 美

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雖然空運(yùn)和鐵路兩種運(yùn)輸方式越來(lái)越受人們的歡迎，但公路運(yùn)輸仍然是中國(guó)現(xiàn)階段最主要的運(yùn)輸方式，在客、貨運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用。由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，車(chē)輛進(jìn)入隧道后內(nèi)外光線的亮度存在很大的差異，如果只依靠自然光的照射，不能滿足車(chē)輛進(jìn)入隧道后行駛的照明需求。因此，為了保證車(chē)輛安全順暢通過(guò)隧道，合理設(shè)置隧道內(nèi)部的照明設(shè)備對(duì)保證安全行駛有著非常重要的意義[1]。

國(guó)外專家對(duì)中間視覺(jué)做了大量的研究，Palmer提出了中間視覺(jué)的光度學(xué)模型[2]，Kokoschka研究了4變量的中間視覺(jué)模型[3]，研究結(jié)果表明，人眼處于中間視覺(jué)環(huán)境下，人眼中的錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞將會(huì)同時(shí)發(fā)揮作用，此時(shí)雙眼的視覺(jué)靈敏度最高，視覺(jué)會(huì)根據(jù)亮度的改變而改變?？梢?jiàn)，人眼處于中間視覺(jué)的視覺(jué)效果是最佳的。因此，本文從人眼的中間視覺(jué)出發(fā)，研究隧道照明的可見(jiàn)度，給車(chē)輛行駛提供安全照明，有效減少隧道中交通事故的發(fā)生，以確保道路交通的安全。

1 隧道照明的視覺(jué)特征

人眼由亮進(jìn)入暗的場(chǎng)景時(shí)，一瞬間完全看不見(jiàn)或者很難看見(jiàn)前方的障礙物，只有經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間適應(yīng)以后，眼睛的感知度才會(huì)逐漸升高，然后慢慢地適應(yīng)暗環(huán)境，這時(shí)視覺(jué)效果才會(huì)恢復(fù)正常，這種適應(yīng)的過(guò)程稱為暗適應(yīng)過(guò)程。人眼從非常亮的場(chǎng)景到非常暗的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換過(guò)程中，適應(yīng)的時(shí)間是比較長(zhǎng)的。如果前一段場(chǎng)景不是很亮，或者后一段場(chǎng)景的背景亮度不是很暗，暗適應(yīng)的時(shí)間會(huì)縮短很多。一般背景亮度處于0.010～0.005 cd/m2及其以下時(shí)都被認(rèn)為是暗視覺(jué)[4]。反過(guò)來(lái)，人眼從暗的場(chǎng)景到亮的場(chǎng)景時(shí)，眼睛也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況，在一瞬間內(nèi)幾乎看不見(jiàn)任何東西，經(jīng)過(guò)3 min左右人眼才能逐漸清晰，看清周?chē)恼系K物。總之，人眼的視覺(jué)適應(yīng)時(shí)間一般從亮場(chǎng)景到暗場(chǎng)景大約18 min左右，而從暗場(chǎng)景到亮場(chǎng)景大約2 min左右，人眼從亮到暗的適應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，具體的適應(yīng)過(guò)程如圖1所示[5]。

圖1人眼的適應(yīng)過(guò)程

駕駛員在穿過(guò)隧道的時(shí)候，人眼的視覺(jué)要經(jīng)歷隧道的明適應(yīng)和暗適應(yīng)之間的交替過(guò)程，特別是在白天行駛時(shí)，人眼視覺(jué)會(huì)產(chǎn)生特殊的視覺(jué)現(xiàn)象。當(dāng)駕駛員行駛到接近隧道時(shí)，隧道呈現(xiàn)在駕駛員眼中仿佛是一個(gè)黑洞，稱之為“黑洞現(xiàn)象”。駕駛員從亮度高的隧道外行駛進(jìn)入亮度相對(duì)較暗的隧道內(nèi)時(shí)，人眼視覺(jué)要適應(yīng)從明到暗的過(guò)程，這就是暗適應(yīng)過(guò)程。人眼的暗適應(yīng)時(shí)間比明適應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)隧道所處的地區(qū)通常是山區(qū)，光線氣候條件都比較復(fù)雜，駕駛員在駛?cè)胨淼罆r(shí)眼睛很難迅速適應(yīng)隧道內(nèi)較暗的環(huán)境，導(dǎo)致視線變得模糊不清，看不到前方路況，容易造成交通事故。車(chē)輛駛?cè)腴L(zhǎng)度較短的隧道時(shí)，人眼能直接看見(jiàn)隧道的出口，隧道就像是個(gè)黑框，稱為“黑框現(xiàn)象”[6]。在隧道的出口位置，由于太陽(yáng)光的照射作用，洞外的亮度明顯高于隧道內(nèi)部的亮度，駕駛員經(jīng)過(guò)洞內(nèi)低亮度光的環(huán)境，接著視覺(jué)亮度發(fā)生大改變，此時(shí)眼前會(huì)感覺(jué)洞口看起來(lái)更亮，人眼會(huì)有強(qiáng)烈的眩光，大概只看到障礙物的剪影，而具體的隧道的線型與結(jié)構(gòu)、路面狀況都看不清楚，匯入車(chē)輛的車(chē)距也很難做出準(zhǔn)確的判斷，這是“亮洞現(xiàn)象”[7]。

2 構(gòu)建隧道照明中間視覺(jué)可見(jiàn)度模型

2.1 中間視覺(jué)

相關(guān)學(xué)者的研究表明，當(dāng)場(chǎng)景亮度大于3 cd/m2時(shí)，人眼中的錐體細(xì)胞開(kāi)始活躍興奮，稱為明視覺(jué)；當(dāng)場(chǎng)景亮度小于0.03 cd/m2時(shí)，人眼中的桿狀細(xì)胞立刻起作用，稱為暗視覺(jué)；當(dāng)場(chǎng)景亮度處于0.03～3 cd/m2時(shí)，人眼中的錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞都發(fā)揮作用，稱為中間視覺(jué)。人眼處于中間視覺(jué)時(shí)，視覺(jué)效果最好。造成明視覺(jué)和暗視覺(jué)的差異實(shí)質(zhì)上是不同光譜波長(zhǎng)對(duì)眼睛產(chǎn)生的視覺(jué)效率。為了便于使用，采用歸一化的處理方法，如式(1)所示

(1)

式(1)中，φλm和φm都表示輻射通量，經(jīng)過(guò)歸一化處理后，明視覺(jué)和暗視覺(jué)的光視效能曲線如圖2所示。[8]

圖2 光視效能曲線

在明視覺(jué)效能曲線中，發(fā)光能效隨著波長(zhǎng)的遞增而遞增，且當(dāng)波長(zhǎng)為555.683 nm時(shí)達(dá)到峰值，說(shuō)明人眼處于該波長(zhǎng)時(shí)，錐體細(xì)胞處于最敏感的狀態(tài);在暗視覺(jué)效能曲線中，波長(zhǎng)在507.170 nm時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)人眼的桿狀細(xì)胞處于最敏感的狀態(tài)；而在507.170～555.683 nm時(shí)，人眼處于中間視覺(jué)的范圍，這時(shí)人眼的椎體和桿狀同時(shí)起作用，視覺(jué)的可見(jiàn)度最好。

2.2 中間視覺(jué)可見(jiàn)度模型

大量研究者對(duì)中間視覺(jué)的可見(jiàn)度進(jìn)行了深入的研究分析，重點(diǎn)是考慮小目標(biāo)可見(jiàn)度模型如何建立。研究結(jié)果表明，常用的小目標(biāo)可見(jiàn)度模型主要有3種，分別是VL模型、Hurden模型和RVP模型[9-10]。其中應(yīng)用最廣泛的是VL模型，但VL模型里設(shè)定參數(shù)的可見(jiàn)度不足以保證路面小目標(biāo)物的探測(cè)。因此，本文根據(jù)人眼的中間視覺(jué)特性，在VL模型的基礎(chǔ)上根據(jù)中間視覺(jué)人眼的反應(yīng)時(shí)間和亮度對(duì)比度作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，驗(yàn)證隧道照明人眼中間視覺(jué)的可見(jiàn)度，改進(jìn)的模型為

(2)

(2)式中，Lt表示目標(biāo)亮度，Lb表示背景亮度，k是系數(shù)，Φ表示光通量，α表示人眼的視角，L表示亮度。

當(dāng)Lb處于人眼的中間視覺(jué)時(shí)，即0.03 cd/m2≤Lb≤3 cd/m2時(shí)，

(3)

(4)

對(duì)于隧道照明，人眼處于中間視覺(jué)時(shí)，基于反應(yīng)時(shí)間為參數(shù)所得光視光效的模型為

(5)

(5)式中,V(λ)表示明視覺(jué)的光視效能函數(shù)，V′(λ)表示暗視覺(jué)的光視效能函數(shù)，V(λ,Lb)表示中間視覺(jué)的光視效能函數(shù)，λ為波長(zhǎng)。

(6)

(6)式中，Em表示中間視覺(jué)的照度，Eeλ表示光照強(qiáng)度，Km表示中間視覺(jué)的最大光視效能，其值為

(7)

對(duì)隧道照明所獲目標(biāo)物的圖像進(jìn)行處理，取高頻加權(quán)平均，然后通過(guò)小波變換的方法分解圖像的清晰度，所得圖像清晰度計(jì)算公式為

(8)

(8)式中，E1、E2、E3表示小波分解后的能量，E為總的能量，h1、h2、h3表示加權(quán)系數(shù)，如果Q值越大，說(shuō)明所見(jiàn)目標(biāo)物的清晰度越高，物體的可見(jiàn)度越好。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取

表1 隧道照明實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)隧道照明中間視覺(jué)的模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，按照國(guó)際照明委員會(huì)的相關(guān)要求設(shè)計(jì)隧道照明的參數(shù)，計(jì)算出人眼分別在中間視覺(jué)和明視覺(jué)模式下的照度值，進(jìn)行比較分析，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取見(jiàn)表1。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，隧道照明的清晰度直接影響駕駛員視覺(jué)的可見(jiàn)度、前方交通的狀況的準(zhǔn)確判斷及交通事故能否避免發(fā)生。因此本文從路面的照度、可見(jiàn)度及清晰度3個(gè)方面進(jìn)行研究，分析比較人眼在中間視覺(jué)模型和明視覺(jué)情況下的隧道照明數(shù)值，比較結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，在相同的照明環(huán)境下，中間視覺(jué)模型計(jì)算的結(jié)果明顯高于明視覺(jué)，即隧道照明采用中間視覺(jué)的效果好，可見(jiàn)度和清晰度高，人眼能夠較快適應(yīng)。因此，保證了車(chē)輛的安全通行，減少了交通事故的發(fā)生，對(duì)隧道道路交通安全通行起著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 論

文章從中間視覺(jué)的定義及隧道照明可見(jiàn)度的要求，研究了基于隧道照明中間視覺(jué)可見(jiàn)度的問(wèn)題，分析了在隧道照明環(huán)境下人眼中間視覺(jué)特征,得到中間視覺(jué)下人眼最敏感的波長(zhǎng)范圍是500～560 nm。通過(guò)構(gòu)建隧道照明中間視覺(jué)的可見(jiàn)度光視光效模型，選取合適的照明參數(shù)，驗(yàn)證隧道照明環(huán)境下，人眼在中間視覺(jué)下可見(jiàn)度和清晰度最好，能夠保證隧道交通的安全，對(duì)道路交通的安全通行提供了重要的參數(shù)，有著廣泛的適用性和有效性。