（载运工具运用工程专业论文）颜色对动态环境下驾驶员空间距离辨识影响的研究.pdf

摘要 道路交通系统是一个由人、车、路构成的动态系统，驾驶员的动态视觉特性 与交通事故密切相关。对驾驶员动态空间距离辨识规律进行研究，有助于对交通 标志以及对交通安全设施进行科学设置，进而能对交通事故的预防与控制产生积 极作用。 本文基于对驾驶员动态视觉特征以及颜色视觉特性分析的基础上，设计驾驶 员空间距离判识实验，实验探索在白天、夜晚环境下，障碍物颜色不同时行车速 度与空间距离判识的规律；同时研究在黄昏时段障碍物颜色不同时视场照度变化 对驾驶员空间距离判识的影响规律；整个实验过程中，通过变换障碍物颜色重点 研究在不同环境下颜色因子对驾驶员空间距离辨识的影响关系。通过分析，建立 了在白天和夜晚环境下障碍物颜色不同时车速与空间距离判识关系的数学模型 以及在黄昏时段障碍物颜色不同时光照度与空间距离判识的数学模型，通过在不 同障碍物颜色下驾驶员判识距离的对比，总结了在不同环境下颜色因子对驾驶员 空间距离判识的影响规律。 关键词：动态环境、视觉特性、颜色、判识距离、数学模型 a b s t r a c t r o a dt r a f f i cs y s t e mi sad y n a m i cs y s t e mb e i n gc o m p o s e do f p e r s o n ，a u t o m o b i l ea n d r o a d ，t h ed r i v e r sd y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e ri saf a c t o rw h i c hi sm o s t l yr e l a t i v et o t r a f f i ca c c i d e n t s t os t u d yf o rd r i v e r sd y n a m i cs p a c ed i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o nr u l ew i l l h e l pu st os e tt r a f f i cs i g na n ds a f e t ye s t a b l i s h m e n ts c i e n t i f i c a l l y , u l t e r i o r l y ，i ti s i m p o r t a n tf o ru st op r e v e n ta n dc o n t r o lt r a f f i ca c c i d e n t t h i sp a p e rd e s i g n sae x p e r i m e n tc o n c e r n i n gt os p a c ed i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o nf o r d r i v e r , b a s e do na n a l y s i so fd r i v e r sd y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e ra n dc o l o rv i s u a l c h a r a c t e r t h i se x p e r i m e n te x p l o r e st h er u l eb e t w e e na u t o m o b i l es p e e da n ds p a c e d i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o ni nd i f f e r e n tb a r r i e rc o l o u ro nd a ya n d n i g h t b e s i d e si t ，w es t u d y t h er u l eo fs p a c ed i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o ni nd i f f e r e n tb a r r i e rc o l o u r a c c o r d i n gt o d i f f e r e n ti l l u m i n a t i o n i nt h ew h o l ee x p e r i m e n t ，w ee m p h a s i z et h a th o wc o l o re f f e c t s d r i v e r 。ss p a c ed i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o nu n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n tt h r o u g hc h a n g et h e b a r r i e rc o l o r b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t a , t w om a t h e m a t i cm o d e l sa r e f o u n d e d ，o n ei st h a tt h em o d l eb e t w e e ns p e e da n ds p a c ed i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o ni n d i f f e r e n tb a r r i e rc o l o u ro nd a ya n dn i g h t ，a n dt h eo t h e ro n ei st h a tt h em o d l eb e t w e e n i l l u m i n a t i o na n ds p a c ed i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o ni nd i f f e r e n tb a r r i e rc o l o u ri nd u s k ， b a s e do nt h ec o n t r a s to fd r i v e r si d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c ei nd i f f e r e n tb a r r i e rc o l o u r , w e s u m m a r i z et h er u l eo fs p a c ed i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o na c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s to fc o l o u r i nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：d y n a m i ce n v i r o n m e n t ；v i s u a lc h a r a c t e r ；c o l o u r ；d i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o n ； 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：躺p 7 年j 月讼日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文宜接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：而匙锭乃、习年月沙日 导师签名： 鹕名卅年广月刀日 长安大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车保有量的增加，交通事故已成为当今世界一个严重社会问题。在许多国家， 由交通事故引起的人员伤亡比火灾、水灾、以及爆炸等造成伤亡的总和还要大得多。自 1 8 8 6 年世界上第一辆内燃机汽车问世以来，全世界已经有3 2 0 0 多万人死于交通事故。 现在，全世界每年死于交通事故的人数约为7 0 万，这相当于每年有一个中等城市被摧 毁。因车祸受伤的人数就更多，每年平均约有1 5 0 0 万人【2 l 。因此人们称交通事故为“无 休止的交通战争 、“文明世界的第一大社会公害”等。因此，研究和掌握道路交通事故 的发生、发展、分布规律与特征，正确认识道路交通系统中各个因素在交通事故中的影 响对减少交通事故，保障交通安全极为重要。 道路交通系统是一个由人、车、路构成的动态系统。如图1 1 所示f 4 l 。人、车、路 ( 含整个环境) 被称为道路交通系统的三要素，驾驶员从道路交通环境中获取信息，经 判断形成动作指令，指令通过驾驶操作行为，使汽车在道路上产生相应的运动，运动后 汽车的运行状态和道路环境的变化又作为新的信息反馈给驾驶员，如此往复，完成整个 行驶过程。 图1 1 人一车一路组成的道路交通系统 三要素必须协调地运动，以达到整个系统安全、快速、经济、舒适的要求。安全是 基础，只有保证了安全才能实现快速、经济和舒适。然而作为一个动态系统，绝对的安 全是没有的，不可避免地出现三要素协调质量恶化状况，进而酿成事故。如果将交通事 故看作是系统的“故障，就应对“人、车、路 系统做好日常“维护，尽可能减少“故 障 和降低“故障的危害性。 道路交通事故总是由于人、车、路等各种因素相互失调而发生的，其原因复杂多样。 对于道路交通系统三要素在事故中的作用，美国的t r e a t 和英国的s a b e y 经过对大量事 第一章绪论 故的深入研究得到表1 1 的结论1 4 1 。 表1 1 各因素对事故的影响程度 s a b e y 的结论 t r e a t 的结论 s a b e y 的结论 t r e a t 的结论 原因原因 ( )( )( )( ) 单纯路 23 人和车 46 单纯人6 55 7路和车1l 单纯车 22 人、车、路共同 l3 路和人 2 43 7 从表1 1 中可以看出与道路有关的原因大约是2 8 - 3 4 ，与人有关的原因是 9 3 - - - 9 4 ，与车有关的是8 - - - 1 2 ，这表明人是事故发生的关键因素。在三要素中，驾 驶员是环境的理解者和指令的发出和操作者，因此它是系统的核心。路和车的因素必须 通过人才能起作用，人、车、路组成的系统时刻在变化，因此是不稳定的，三者靠人的 干预达到平衡，无疑人是道路事故的关键因素。为了有效预防交通事故的发生，就要对 人的因素，尤其是对驾驶员的行为进行分析研究就显得格外重要。 而在人的因素方面，驾驶员对车速的不合理控制往往是引发交通事故的重要原因。 汽车在公路上行驶，车速过高或过低对安全行车都是不利的。超速行驶降低了驾驶员对 公路和交通环境的判断能力，增长了刹车距离。而车速过低，则会造成超车频繁。根据 调查，死亡事故中约3 0 与超速行车有关，在所有与事故相关的因素中，车速的重要性 排在第二位，足见其对安全的重要程度。澳大利亚学者通过研究表明，当车速大于6 0 k m h 时，车速每增大5k m h ，事故率约为原来的两倍，事故的严重程度也将呈指数形 式增长【3 1 1 。正是由于高速行驶时驾驶员动态视力明显下降，有效视野变窄，反应迟钝， 对必要的信息可能发现过迟或根本发现不了，导致行使中观察、判断失误的可能性增大， 对突发性危险惊慌失措，处理措施不当造成失误。因为这些失误造成的事故，究其原因， 很大程度上由于驾驶员对行车速度、光照度、障碍物颜色等因素对安全行车的影响关系 掌握不够。 因此，在不同场景中，分析研究车辆速度、光照度，尤其是障碍物颜色等因素对驾 驶员判断前方障碍物距离的影响关系，研究其中内在规律，对保证驾驶员安全行车，减 少交通事故的发生有着积极作用。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 问题的提出 1 2 1 驾驶员的动态视觉特性 驾驶员在驾驶车辆时，主要依靠视觉来获取交通信息。世界各国都要求驾驶员要有 良好的视觉特性，并进行了各种项目的视觉检查。但是，这种检查基本上都是在静止状 态下进行的，即检查的是驾驶员的静态视觉特性。而事实上在驾驶过程中，9 5 的视觉 信息是动态的，而且大量的研究表明，与交通事故最为密切相关的是驾驶员的动态视觉 特征。特别是在我国高等级公路逐渐增多，车辆行驶速度不断提高的情况下，研究驾驶 员的动态视觉特征，揭示其与交通事故的关系，使驾驶员掌握动态视觉特征及其变化规 律，对于预防交通事故有着现实意义。 驾驶人员在行车中不断注视前方、转动眼球、收集情报，人的眼睛所能见到的范围 局限在1 8 0 度以内的视野空间。视力根据视角的大小而变化，因此，驾驶人员在行驶中， 在可视范围内必须不断变换注视点以便有效地收集情报。行驶中，驾驶人员的视觉判断 能力与车辆速度有关，速度变化时，对于车外环境的判别能力也发生变化。视觉的判断 能力在行驶中与静止时完全不同，车辆高速行驶时，驾驶人员因注视远方，因而视野变 窄。实验表明，速度为4 0 k m h 时，视野低于1 0 0 度；7 0 k m h 时，视野低于6 5 度；l o o k m h 时，视野低于4 0 度。 行驶中驾驶人员的视觉与车辆速度有关的另一方面是：驾驶人员在驾驶中观察事物 时，注视点随着速度的增加而距离愈远，实验表明，速度为2 0 k m h 时，注视点距离为 6 7 m ；4 0 k m h 时，为2 0 0 m ；6 0 k m h 时，为3 3 5 m ，掌握这些特点，进而研究驾驶 员的动态视觉特征及其对交通安全的影响是非常必要的。 1 2 2 夜视力与交通安全 夜视力是指在黑暗环境条件下，人眼辨别物体细节的能力。又叫暗适应，它是人眼 光觉的一种形式。人们通常以暗适应时间作为评价夜视力的指标。 1 ) 驾驶员的夜间视觉特征 由于夜间外界事物的清晰度下降，驾驶员难以辨别观察的e l 标，对目标背景的判断 也很模糊。如行人的衣服与周围背景模糊不清，因此驾驶员不容易看清路边的行人及道 路的边缘。夜间在无照明条件的道路上，驾驶员依靠汽车前灯来辨认道路上不同颜色的 目标，其可见距离随目标颜色的不同而不同：白色5 5 m ，黄色4 8 m ，红色2 4 m ，咖啡 3 第一章绪论 色、蓝色、黑色2 0 m ，可见驾驶员在夜间最容易看清的是白色物体。 夜间行车，驾驶员的眼睛受到对向车大灯的照射产生眩目，眩目使驾驶员感到晃眼， 视力下降，视力下降的程度与人眼所感受到照射光的强度成正比，即照射光的强度越大， 夜间视力越弱。驾驶员在夜间行车中眼睛一遇到明亮的光线刺激就会感到眩目，致使视 力下降，恢复视力需要一定的时间，要完全恢复需要2 3 m i n ，在最初的7 - l o s 内，视 力非常低，几乎是什么也看不见，这段时间是非常危险的，如果每小时行驶4 0 k m ，那么 在7 l o s 内相当于行驶7 7 7 1 l o m ，在这段距离内最容易发生交通事故。 2 ) 夜间交通事故原因分析 有研究表明，夜间发生的交通事故率以及夜间交通事故的危害性都远高于白天。美 国在一昼夜昏暗时间里交通事故占总量的5 4 ，其中5 5 8 致死。前苏联交通事故统计 表明，白天与夜间所发生的交通事故比率为l ：1 8 7 。机动车驾驶员夜间行车事故的发生 率高于白天，其主要原因是夜间视觉获得的交通信息降至白天的5 0 左右。由此可见， 从驾驶员夜视力、夜间车辆速度控制等方面来研究夜间交通事故发生的原因对降低交通 事故发生率能够起到积极作用。 视觉错觉夜间驾驶员较难判定汽车的行驶速度，且同样的距离在白天看来要短 些，但在夜晚看来要长些，这是由于运动视差( 物体运动与观察者距离之差率) ，导致夜间 驾驶员易偏高估计车人( 物) 距离。 色觉丧失在夜间，由于视锥细胞功能显著下降，驾驶员对所有目标失去了色彩 感，颜色的深浅差别也丧失；白天可通过行人的衣着来观察行人距离的能力下降，难以 避免碰撞。 视力的短暂丧失夜间行驶，由于汽车经常交会，或者路面照度分布不均，路面交 替出现水渍等原因，不仅能导致驾驶员的眩目感觉，而且随后出现较长时间的暗适应。 会车后的暗适应时间约为l o s ，这种情况下时速为4 0 k m 的汽车在这段时间里已驶出 l o o m 以上，这段近乎盲视的时间里极易发生交通事故。 反应时间延长 驾驶员在夜间分辨目标物而获得信息所需要的时间要比白天长，一般平均反应时间 延长约0 6 - 一0 7 s 。如果汽车要向前移动7 8 m ，即驾驶员在发现目标物( 行人或车辆) 时， 往往已逼近目标物，使车祸发生概率明显增加。 本论文正是基于以上白天与夜晚不同场景下发生交通事故的可能原因，从驾驶员动 4 长安大学硕士学位论文 态视觉特性、光照度、障碍物颜色等方面分析驾驶员空间距离辨识的规律。 1 2 3 需要研究的问题 不同场景下判断距离的能力，能使驾驶员正确估计道路宽度、超车距离、选择恰当 的行车速度等。根据以上分析，为了能够有效地减少交通事故的发生，一方面要研究驾 驶员的动态视觉特性对交通安全的影响，另一方面，还要研究不同场景下障碍物颜色不 同时车速、光照度对驾驶员空间判断距离的影响，为此，本论文主要研究以下问题： 1 ) 白天场景中，障碍物为红色时不同速度对驾驶员判断前方障碍物距离的影响； 2 ) 白天场景中，障碍物为绿色时不同速度对驾驶员判断前方障碍物距离的影响； 3 ) 夜晚场景中，障碍物为红色时不同速度对驾驶员判断前方障碍物距离的影响； 4 ) 夜晚场景中，障碍物为绿色时不同速度对驾驶员判断前方障碍物距离的影响； 5 ) 黄昏场景中，障碍物为红色时不同光照度对驾驶员判断前方障碍物距离的影响； 6 ) 黄昏场景中，障碍物为绿色时不同光照度对驾驶员判断前方障碍物距离的影响。 1 3 国内外的研究情况 由于视觉通道是人类最主要的信息来源，在距离知觉研究中，视觉线索被公认为最 主要的距离线索。但视觉量的研究开始的比较晚。最被是通过对测试者的询问来确定眼 睛注视点( 主观感知法) 。随后，e b d e l a b a r m 和e b h u e y 仿效记纹鼓记录肌肉运动的方 法，采用机械记录发明了记录眼睛注视点的方法；后来，r d o d g e 利用光记纹鼓和角膜 反射原理，摄影记录眼睛注视点的运动。这种方法的可利用性使得它得到了极大的发展。 1 9 3 1 年m a t i i l l 【e r 用光记纹鼓摄取双眼运动的图象并可同时记录横向、纵向运动的图象， 利用角膜反射光点的位置变化可估算眼睛的位置。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着红外技术和微电子技术的飞速发展，才出现了一些更为先 进的方法。计算机立体视觉是被动式测距方法中最重要的距离感知技术，它直接模拟了 人类视觉处理景物的方式，可以在多种条件下灵活地测量景物的立体信息，其作用是其 它计算机视觉方法所不能取代的，对它的研究，无论从视觉生理的角度还是在工程应用 中都具有十分重要的意义。而国外对人在不同环境下的视觉特性研究，虽然在2 0 世纪8 0 年代以来也有不少研究，但大多数空间距离知觉的研究着重考察了视觉线索在静态距离 知觉中的作用，动态距离知觉，相对而言，研究较少。日本大阪大学人间科学部曾等对 三次元空间视觉特性的研究，但研究基本是在单因素情况下所进行，且较多考虑在白天 5 第一章绪论 的环境，在考虑车辆运行速度以及外界照度等多种变化因素的研究报告甚少。 国内对视觉测量的研究起步较晚，专门研究始于7 0 年代末、8 0 年代初，主要有北京航 天医学研究所、中科院上海生理所、浙江大学等单位，但主要研究方式是利用引进国外 设备作实验，自己对这方面的研究开展不多。直：至0 9 0 年代末，西安电子科技大学通过对国 外视觉测量技术的研究，成功地研制出了眼动仪样机，对缩小同发达国家之间的差距， 推动相关学科的发展和国防现代化建设有重要意义。 1 4 本论文的主要研究内容及目的 为了能够有效地减少交通事故，在驾驶员动态视觉特征的分析的基础上，通过变换 障碍物的颜色，从车辆速度、光照度等因素出发，研究颜色因子对驾驶员空间距离辩识 的影响。为此，确定本论文的主要研究内容为： 1 ) 以分析驾驶员视觉特性为基础，研究驾驶员在动态环境下的视觉特征，驾驶员 动态视觉特征与交通事故的关系，并分析影响驾驶员动态视觉特征的主要因素及其对 策； 2 ) 白天场景中障碍物分别为红色和绿色时驾驶员以不同车速驾驶时的空间距离辨 识能力研究； 3 ) 夜晚场景中障碍物分别为红色和绿色时驾驶员以不同车速驾驶时的空间距离辨 识能力研究： 4 ) 黄昏场景中障碍物分别为红色和绿色时驾驶员在照度变化很快车速为零时的空 间距离辨识能力研究。 6 长安大学硕上学位论文 第二章驾驶员视觉行为特征分析 2 1 驾驶员视觉特。陛 驾驶员在驾驶车辆过程中，主要通过视觉获取交通信息。研究表明，驾驶员视觉所 获得的信息占全部获取信息的8 0 以上。在目前我国高等级公路逐渐增多，车辆行驶速 度不断提高的情况下，研究驾驶员的视觉行为特性，特别是其动态视觉特征，对于我们 评价驾驶员的驾驶适宜性，减少与此相关的交通事故是很有现实意义的。 2 1 1 静视力 静视力就是静止时的视力。视力的测定，以能识别的最小两点所形成的视角为标准， 目前采用缺口环( c 字型环) 作为测定视力标准的仪器。这个缺口环，其底色为白色， 环为黑色，环的外径为7 5 m m ，环宽和缺口均为1 5 m m ，如图2 1 所示【2 1 。在距离为5 m 的情况下能辨认出此缺口，则视力为1 0 。这时对于缺口的视角为r 。若视角为2 时能 看清缺口，则视力为o 5 。视角为5 时能看清缺口，则视力为0 2 ，依此类推。我国规定， 对于驾驶人员的视力要求是两眼均为0 7 以上( 包括矫正后) 。日本规定对于领取普通驾 驶执照的要求两眼视力在0 7 以上，大型车辆及3 5 t 以下的小型车辆和4 0 k m h 以上的 机器脚踏车的驾驶人员则要求其两眼视力均在o 8 以上( 包括矫正视力) 。在美国，各州 的视力标准不一样，一般要求最低视力为0 5 ( 不包括矫正视力) 。 lo 上-l l1 3 m ml rl 图2 1 视力的国际测定方法 2 1 2 动视力 驾驶人员在行驶中的视力称为动视力，动视力随车辆行驶速度的变化而变化。速度 提高，动视力降低，如图2 2 所示嘲。一般来说，动视力比静视力低1 0 七o ，特殊情 况下比静视力低3 0 - - 4 0 ，例如，以6 0 k m h 的速度行驶的车辆，驾驶人员可看清离车 7 第二章驾驶员视觉行为特征分析 2 4 0 m 处的交通标志；可是速度提高到8 0 k m h 时，则连1 6 0 m 处的交通标志都看不清。 动视力还与年龄有关，年龄愈大，视力下降的幅度越大，动视力与静视力之差愈大。 业i 附2 0 03 0 04 0 0 m 蠡 图2 2 动视力与速度的关系 2 1 3 夜间视力 视力与亮度有关，亮度加大可以增强视力。在照度为0 1 1 0 0 0 1 x 的范围内，两者呈 线性关系。黄昏对于驾驶人员来说是最坏的时刻，因为黄昏时，光线较暗，而汽车开头 灯时，其视度与周围的亮度相关不大，因此，驾驶员不易看到周围车辆和行人。另外， 夜间的视力与驾驶人员的年龄有关，年龄愈大，夜间视力愈差。2 0 - 3 0 岁之间的驾驶人 员夜间视力最好。夜间视力还与速度有关，速度增加，视力下降。 夜间汽车开头灯运行时，应注意以下几种关系： 1 ) 驾驶人员夜间视力与物体大小的关系在白天，小的物体即使在远处也可以确 认。但在夜间，由于汽车头灯所照的距离愈远，照度愈低，因此，在远处，即使是大的 物体也不易看见。 2 ) 驾驶人员夜间视力与物体高度的关系汽车在会车时要将行驶光束变成会车光 束( 一般会车光束比行驶光束低) ，这时处于低位置的物体比高位置的物体容易被发现， 而且看得较清楚。 3 ) 驾驶人员夜间视力与物体对比度的关系当被视物的亮度与背景的亮度之间存 在差异，即存在一定的明暗对比度时，视觉才能识别。在夜间，亮度、对比度大的物体 比对比度小的物体容易确认。夜间行驶，物体的对比度对保证驾驶员的行车安全显得非 常重要。 4 ) 夜间物体对比度与认知及确认距离的关系如用国际视标缺口环进行实验，夜 间汽车开头灯行驶中，确认有视标时，其距离为认知距离，能确认视标缺口方向的距离 为确认距离。对比度大时，认知距离与确认距离之差较大，也就是说，此时驾驶人员有 8 长安大学硕士学位论文 较充分的时间应付各种事变，这样就比较安全。对比度小时，认知距离与确认距离相差 甚微，从认知有“物”到确认是“何物”的时间太短，这是极不安全的。 5 ) 夜间物体的可见度与物体颜色的关系夜问行车时，驾驶人员对于物体的可见 度，因物体的颜色不同而不同。红色、白色及黄色容易辨认，绿色次之，蓝色最不容易 辨认。 2 1 4 暗适应与亮适应 从一般经验得知，由亮处到暗处，由于视觉的习惯性，视力需要恢复，称为眼睛的 暗适应。同理，由暗处到亮处，视力也需要恢复，这叫亮适应。暗适应比亮适应所需要 的时间要长。入暗室时，大约需经过1 5 r a i n 才开始适应，要完全适应则需要3 0 m i n 以上。 而亮适应的时间却一般只要几秒到l m i n 。眼睛由于瞳孔活动和网膜的灵敏度对亮暗适 应起调节作用，因此，我们的眼睛即使在几万勒克司的白天或是o 1 l x 的夜间也能有效。 不过，当汽车运行在明暗急剧变化的道路上时，由于视觉不能立即适应，则容易发生视 觉危害。为了防止视觉危害，必须减少由亮到暗而引起的落差，通常慢慢减低照明度， 这叫缓和照明。因此，在城区与郊区的交界处往往将路灯的距离慢慢拉长，直到郊区人 烟稀少的地方才不设置路灯，这样不致使由城内开车到郊区的人感到由亮突然变暗，从 而达到交通安全的目的。 2 1 5 视野 驾驶人员在驾驶车辆时，注视前方，两眼能够看到的范围称视野。驾驶人员的头部 和眼球固定时能够看到的范围是静视野，仅将头部固定不动眼球自由转动时能够看到的 所有范围称为动视野。动视野比静视野左右方向约宽1 5 度，上方宽1 0 度，下方宽度相 同。由经验得知：( 1 ) 双眼的视野比单眼的视野宽；( 2 ) 目标物( 对象物) 的速度越快， 则动视野越窄；( 3 ) 驾驶人员在驾驶中视线移动以水平方向的移动最为圆滑，几乎成直 线，而垂直或斜向的视线移动则相当不规则，斜向视野( 视线为斜向所成的视野) ，无 论上下左右各方，都是目标物速度愈快，视野愈窄。 2 1 6 色觉 颜色与交通事故的关系极为密切。红色易见性最高，以下为橙、白、绿。此外，颜 色有“亮度、“色调 、“色度”三种属性。在背景的颜色和视标( 视看的目标) 中，这 三个属性差别愈大，对象可以认识得愈清楚。其中明暗度的差数是个决定性的因素。颜 色还有“对比效应，根据背景颜色的种类，对象物体能够看到的清楚程度是不同的。 9 第二章驾驶员视觉行为特征分析 2 2 动态环境下驾驶员的视觉意识 汽车在高速公路上的行驶速度一般可达每小时l o o k m 以上，这样高的行驶速度对于 驾驶员自身的生理和心理会产生一定影响，汽车驾驶工作是由三个连续和不断重复的过 程构成的，即收集信息一分析判断一操纵车辆，如图2 3 所示m 。 紧张、疲劳等干扰 路况、风力等干扰 图2 3 汽车驾驶工作模式图 由图2 3 可知，驾驶员首先要获取外部信息，并据此产生自己的意志决定，再把自 己的决定通过操纵动作传递给汽车，使汽车产生相应的运动。 在驾驶过程中，主要涉及驾驶员、车辆、道路交通环境三方面因素，其中任一因素 发生改变，都将会影响汽车行驶状态。高速公路与一般公路相比，由于行车条件的改善、 行车干扰减少、汽车行驶速度提高，给驾驶员心理活动带来一系列不良影响，妨碍驾驶 员的正确操纵过程，对安全行驶产生严重威胁。如高速行驶使驾驶员的空间认知能力减 弱，对事物大小、动静等感知不良；高速行驶中，驾驶员的速度感变迟钝，注意力转移 困难，情绪波动较大，容易疲劳，操作反应的及时性、准确性下降等。这些影响主要来 自于驾驶员的视觉、意识特征的变化，因此，研究高速行驶条件下驾驶员视觉、意识特 征，对确保安全行车是十分有益的。 1 ) 视觉下降 驾驶员在行车过程中，主要是依靠眼睛观察外界各种信息来保证行驶安全的。在与 安全行车有关的各种信息中，有8 0 0 0 - - 9 0 是通过视觉获得的，所以眼睛的视力如何对 于安全行车至关重要。 驾驶员在行车过程中处于高速运动状态。实践已经证明，人眼在运动中的视力会有 1 0 长安大学硕士学位论文 所下降，而且运动速度越快，视力下降得越多。例如静态视力为1 2 的人，以6 0 k m h 的速度运动时，视力将下降至o 7 左右，而运动速度增加到9 0 k m h 时，视力将进一步 下降至0 6 以下。图2 4 表示人眼的动态视力与运动速度的关系【1 1 ，可以看出动态视力 随运动速度增加而降低。 1 2 1 o 仉9 - r 霹o 8 取7 n8 鼍皇eq ，i ) 图2 4 人眼的动态视力变化曲线 驾驶员在高速公路上行车时运动速度可高达1 0 0 k m h 以上，由图2 4 可知，这时人 眼的视力将下降一半以上。视力的下降导致观察失误的可能性增大，即对必要的信息可 能发现过迟或根本发现不了，因而影响行车安全。 2 ) 有效视野变狭窄 所谓视野，即人在面对正前方保持头部和眼球不动的情况下所能看到的范围。一般 人在静止或低速运动时双眼视野合计约为2 0 0 度。 人眼具有的宽阔视野有助于驾驶员行车中观察外界信息。驾驶员在注视前方情况的 同时，可利用视野的其余部分，即所谓“眼角余光捕捉道路两侧的有关信息，及时发 现闯入视野之内的障碍物。 当驾驶员驾驶汽车高速行驶时，由于物体映象在人眼视网膜上停留的时间太短，人 眼来不及仔细分辨物体的细节，会感到车外的树木、房屋等固定物体不断向后移动，越 近的物体移动的速度越快。研究表明，引起人感觉的刺激物不仅有一定的强度，而且还 要持续一定的时间，如果刺激的时间非常短，人的眼睛就无法感受到。因此，随着车速 的提高，驾驶员眼睛的有效视野会越来越窄。视野随车速变化情况如表2 1 所示【l 】。 第二章驾驶员视觉行为特征分析 表2 1 不同车速下的视野范围 汽车行驶速度( k m h ) 4 06 0 7 0 7 5 8 0l o o 视野范围( 。) 1 0 07 57 06 56 0 4 0 有效视野的缩小妨碍驾驶员对近处情况的观察，可能漏掉必要的安全信息，对安全 行车是不利的。 3 ) 判断能力下降 由一般道路刚刚驶入高速公路时，行驶环境的显著变化，使驾驶员精神兴奋而紧张， 注意力较集中，速度感比较明显。但行驶一段时间后，对新的行驶环境已经习惯，于是 精神将逐渐松弛，注意力开始涣散，速度感也减弱。比如在高速公路上以l o o k m h 的速 度行驶一段时间后，会感到车速好像并没有最初那样快，往往还想再增加车速，结果形 成超速违章，遇有意外情况还可能造成事故。 高速行驶对判断能力的影响，还表现在人的大脑负担过重方面。驾驶员在行车中接 收的各种信息要依靠大脑来进行处理和判断。根据生理心理学的研究认为，人的大脑对 一个输入的信息作出判断平均大约需要o 7 s 。当车辆行驶速度为1 0 0k m h 时，0 7 s 将行 使2 0 m 左右，如果行驶速度降为6 0k m h ，同样时间内只行驶1 2 m 。也就是说，车辆每 行驶l o o m 距离，在高速时只能判断5 个信息，而低速时则可判断8 3 个信息。行使速 度越快，在一定行使距离内能够判断的信息数量越少。来不及判断的信息只好被漏掉， 或者因判断不充分而出现错误，因而对安全行车产生不利影响。 4 ) 高速催眠现象 高速公路为汽车行驶提供了最有利的道路条件，驾驶员在行车中，无须作出很多操 纵动作，不必担心会车和遇到交叉路口，这使驾驶员的负担大为减轻。但与此同时，又 出现行车环境单调，刺激过少等不利的一面。专家们指出，人的大脑活动需要有适当的 外界刺激才能维持在较高水平上。长时间处于刺激过少的状态，会引起大脑活动的抑制 和怠倦，表现为注意力开始涣散，判断及反应逐渐变得迟钝，最后可导致瞌睡。 除此之外，高速行驶时有效视野的缩小，注视点的远移，动态视力的下降，速度感 的减弱等现象，更进一步促使大脑活动水平下降。这一切形成所谓高速催眠现象。一般 在高速公路上连续行驶2 3 个小时之后，就可能出现这种现象，而且往往是每隔数分钟 或数十分钟发作一次。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 3 影响驾驶员动态视觉特性的因素 2 3 1 相对运动速度 相对运动速度是影响驾驶员动态视觉特征的基本因素。4 0 多年来的所有研究都表 明，随着相对运动角速度的增加，人眼最小可辨视角增大，动态视觉感知能力下降。日 本的本桥在对视力与角速度关系进行深入研究后，提出二者之间具有线性关系，角速度 大则视力低落。也就是说，目标物运动速度慢，易被驾驶员看见；反之，目标物运动速 度快，则驾驶员不易看清楚，动态视觉特征变差。 2 3 2 驾驶员年龄 由于动态视觉特征反映的是所有视觉和眼肌系统的整合功能，因此，年龄因素的影 响很明显。罗德维夫( l u d v i g h ) 等人早在5 0 年代就提出，年龄因素对驾驶员动态视觉特 征的影响表现为负效应。即动态视觉特征衰退得比较早，而且衰退速度比较快。日本有 关专家曾对2 6 9 7 名1 8 - 7 0 岁的职业驾驶员进行动视力检测，结果也得出同样的结论， 他们发现静视力从4 6 - - 5 0 岁开始出现明显的个体差异，有显著下降和正常衰减两种趋 势；而动视力则从3 6 - 4 0 岁开始显著下降。此外，随着年龄的增长，驾驶员患眼疾的 概率加大，一旦患上白内障、青光眼等疾病，将影响驾驶员眼睛的有效移动，不同程度 地产生弱视和失视，从而导致视觉机能下降。 2 3 3 目标物颜色及照度 关于目标物颜色对驾驶员动态视觉的影响，朗( l o n g ) 等人进行了研究，结果表明至 少在某些情况下，目标物的颜色对动态视觉有很强的影响。静止状态下人眼对蓝色最不 敏感，但在运动状态的暗视条件下，蓝色目标物相对其它颜色目标物易被识别；而在明 视条件下，蓝色目标物与其它颜色目标物并无显著差异。这与静止状态下目标物颜色的 影响明显不同。目标物照度对驾驶员动态视觉同样有影响，米勒( m i l l e r ) 的研究表明，静 止视力下5 - - 一l o m 烛光的效果与动态视力下1 2 5 m 烛光的视觉效果等同。通常，照度越 强的物体越易被驾驶员动态视觉所感知。所以，一方面要求驾驶员要有良好的颜色视觉， 另一方面要求在选择交通安全设施颜色时，必须考虑颜色对驾驶员动态视觉的影响。同 时，要加强道路照明，尽量减轻照度对驾驶员动态视觉的影响。 2 3 4 道路及其环境 由于驾驶员在行车时所搜集的信息8 0 以上为路面信息，所以路面状况良好，驾驶 1 3 第二章驾驶员视觉行为特征分析 员的动态视觉就容易捕捉所需信息。反之，路面不良，出现积雪、凹坑或有障碍，就会 分散驾驶员行车时的注意力，影响驾驶员动态视觉。另外不可忽视的是道路侧向景观影 响，尤其是野外公路，侧向景观单调且具有重复性，容易引起“道路催眠 现象，使驾 驶员产生动态视觉疲劳，影响行驶安全。因此，为了保证行车安全，要求在进行道路设 计时不仅要考虑有良好的路面、合理的线形，而且要有美丽的景观、良好的道路环境。 2 3 5 驾驶员的生理状态 驾驶员的生理状态主要是指与驾驶有关的生理状况，如饮酒、疲劳、患病等。众所 周知，酒精是一种原生质毒物，它会降低大脑的抑制功能。饮酒之后，不仅视觉机能受 到损害，而且对驾驶操作的各个方面都会产生不利影响。疲劳是人体的一种保护性抑制 反应，它会使人眼睛困倦、视物不清，动态视觉机能难以正常发挥。疾病会使驾驶员身 体不适，动态视觉难以持续保持良好状态，特别是在服用一些药物之后，会直接影响视 觉机能，对驾驶员的感知和观察产生不良影响。所以，饮酒、疲劳时，应禁止驾驶车辆。 驾驶员身体不适时，也应谨慎驾驶。 2 4 颜色视觉 2 4 1 颜色现象 1 ) 视网膜的颜色区由于视网膜中央窝部位和边缘部位的结构不同，所以视网膜 不同区域的颜色感受性亦有所不同。具有正常颜色视觉的人，其视网膜中央能分辨各种 颜色，由中央向外周部分过渡，椎体细胞减少，杆体细胞增多，对颜色的分辨能力逐渐 减弱，直到对颜色感觉的消失。在中央相邻的外围区先丧失红、绿色的感受性，视觉呈 红绿色盲，而黄、蓝颜色感觉仍保留。这个网膜区域叫做中间区或红绿盲区。在视网膜 的更外围边缘，对黄、蓝色的感觉也丧失，而成为全色盲区。在这个区域只有明暗感觉 而无颜色感觉，各种颜色都被看成不同明暗的灰色。视网膜的这几个感色区域叫做视网 膜的颜色区。 2 ) 颜色的辨认 颜色视觉正常的人在光亮条件下能看可见光谱的各种颜色，它们从长波一端向短波 一端的顺序是：红( 7 0 0 n m ) ，橙( 6 2 0 n t o ) ，黄( 5 8 0 h m ) ，绿( 5 1 0 n t o ) ，蓝( 4 7 0 h m ) ，紫( 4 2 0 n m ) 。 表2 2 是各种颜色的波长和光谱范围 6 1 。此外人眼还能在上述两个相邻颜色范围过渡段 域看到各种中间颜色，这些中间颜色叫绿黄、蓝绿等等。 1 4 长安大学硕士学位论文 表2 2 可见光谱波长 颜色波长( r i m )范围( r i m ) 红 7 0 06 4 0 - - 7 5 0 橙 6 2 0 6 0 ( 0 - - 6 4 0 黄5 8 05 5 0 - - 6 0 0 绿5 l o4 8 0 - 5 5 0 蓝4 7 04 5 0 8 0 0 紫4 2 04 0 0 - - 4 5 0 2 4 2 颜色的交互作用 1 ) 颜色对比看到的某物体表面颜色，不仅取决于这个表面本身的颜色，而且 还取决于同时呈现在它周围的颜色。物体本身颜色和它周围颜色的交互作用能影响被看 表面的色调和明度。当被看物体的颜色向它周围背景颜色的补色方向变化时，叫做颜色 的同时交互作用或颜色对比。 2 ) 明度对比当在一个颜色周围呈现高亮度或低亮度刺激时，这个颜色就向其周 围明度的对立方向转化，这叫做明度对比。 3 ) 对比效应在视觉中有重要作用因为物体被看成是黑还是白，往往不取决于它 反射到眼里光的数量，而取决于它和背景所反射的光的相对数量。同样，物体的颜色也 受它与背景颜色对比的影响。 4 ) 实验证明，对各种不同颜色的光信号，从远处进行视认时，容易视认的顺序如 表2 3 所示6 1 。该实验是在距离4 5 公里处，七种不同气象条件下，改变红、橙、白、 绿四种颜色光的照度，进行视认的。 1 5 第二章驾驶员视觉行为特征分析 表2 3 距离4 5 公里时不同颜色光的视认照度( 1 x ) 气候条件 红橙白绿 夜间、晴天 1 02 o2 52 8 夜间、小雨1 2 2 1 3 o3 2 夜间、阴有雾 3 24 13 15 9 夜间、大雨8 9 3 3 5 1 3 2 03 3 5 夜间、小雪 2 2 2 08 3 5 01 5 5 6 05 6 7 0 白天、阴有雾 2 0 0 0 02 1 1 1 03 2 2 2 04 0 0 0 0 白天、晴4 7 7 8 0 7 5 5 6 01 1 1 1 1 0l o 0 0 0 o 5 ) 颜色的恒常性当光源的光谱成分发生变化时，我们周围物体的颜色在一定程 度上看起来却保持不变，颜色视觉的这种特性称为颜色的恒常性。例如，在室内不管是 由白炽灯的黄光或荧光灯的蓝光照明，书页看起来都是白色的。一天之内，从早到晚， 太阳光的变化是很大的，但人们看草地总是绿色的。实验研究表明，人眼在不同时段日 光下看单一颜色( 黄、蓝绿、紫、黄绿、红) 样品时，对颜色的视觉并没有按日光光谱的 改变而相应的变化。 2 4 3 颜色视觉的联觉 联觉是指一种感觉而引起另一种心理现象的发生。在颜色视觉中很容易产生联觉。 红、橙、黄等色类似太阳和火光的颜色，使入有温暖的感觉，因而被称为暖色调：而蓝、 青、绿等颜色似蓝天、海水和森林的颜色，往往引起寒冷、凉快的感觉，被称为冷色调。 颜色在保证交通安全上具有重要意义，根据颜色视觉的规律，可以提高交通标志的 视认性、引起注意和调节情绪、转变气氛、带来沉静感提高安全感等。 2 5 夜间视觉特性 随着汽车保有量增加，交通运输任务的加重，夜间行车逐渐增多。夜间行车的主要 特点是由于没有阳光照射，大地处于黑暗之中，人的视力急剧下降。为了建立一定的视 觉条件必须依靠道路照明和汽车车头灯照明。 1 ) 日落前后环境照度及视力的变化 根据日本宫坡在国道1 8 号线丹波岛桥对日落前后照度变化的调查可知：日落前日 光照度为1 0 0 0 1 x 以上：日落后3 0 分钟照度下降到1 0 0 1 x ，再过2 0 分钟则降至l l x 。随 1 6 长安大学硕士学位论文 着照度急剧下降，汽车先开启小灯，开始时照度可达8 0 1 x ，以后即使把前车灯全部打开 照度也只有l o l x 左右。根据实验，此时视力较日落前降低5 0 左右。在完全黑暗的夜 晚，视力只能达到白天的3 5 。因此，判断车外景物会发生严重困难。 黄昏以后，驾驶员视力降低的主要原因，一是自然光照度迅速下降，物体反射的光 线也急剧变弱；另外，眼睛的暗适应还没有充分形成；再有就是黄昏时刻，自然光照度 下降到1 0 0l x 后，驾驶员相继打开前灯，也只能产生与自然光相同的照度，使各种物体 和背景不能形成明显的对比，所以驾驶员根本看不清周围的车辆、行人和交通标志。因 此黄昏是一天之中最难驾驶的时刻，也被人们称为“恶魔时间 。 夜间行车，驾驶视觉条件全靠人工照明，即使外界事物出现在视野中，人的感觉也 与白天不同。掌握夜间视觉的规律，才能准确地观察，正确地判断，保证安全行车。 2 ) 夜间颜色的辨认 视网膜的锥体细胞具有非常高的视锐度，负责观察物体的细节，能够分辨颜色。杆 体细胞具有微光下察觉物体存在和运动的功能，而不能分辨颜色和细节。因此，夜间对 颜色的辨认也与白天不同。根据实验，夜间使用