LED交通標志的視認性研究

夏如艇，王　昕，毛云峰，趙凱樂，胡　飛

(臺州學院機械工程學院，浙江 臺州　318000)

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LED交通標志的視認性研究

夏如艇，王昕，毛云峰，趙凱樂，胡飛

(臺州學院機械工程學院，浙江 臺州318000)

摘要：設計了一種LED交通標志的視認性實驗裝置，采用三種表面照度和對比度研究交通標志的視認性和易讀性。分析了表面照度和對比度對行人視認性的影響，探討了視認標志的視膨脹現(xiàn)象。結(jié)果表明：1)表面照度和對比度越高，視認率越高；2)年長者的標志視認率與其視覺功能有關，當對比度較大且視認距離在30m以上時，增加表面照度，其視認率下降明顯；3)視認過程中存在視膨脹現(xiàn)象，標志表面照度在500lx以上時年長被試者比年輕被試者表現(xiàn)的更明顯。

關鍵詞：LED光源；內(nèi)部照明；交通標志；視認性

引言

交通標志是以形狀﹑顏色和字符等向道路使用者傳遞視覺信息，并結(jié)合交通道路及環(huán)境狀況進行合理設置，通過標志提供準確信息和引導，使道路使用者順利抵達目的地，保障交通順通和行車安全[1]。標志可分為三種：反射型標志﹑照明型標志(包括內(nèi)部照明和外部照明)和主動發(fā)光型標志。由于反射型標志大多依靠逆反射材料制作，其視認效果存在不足，如在光照射條件下易產(chǎn)生定向回歸反光，且僅能被燈光條件良好的車輛正面行駛識別，因此難于滿足交通環(huán)境中各類狀況下車輛和行人的識別需要。此外，反射型標志要求車輛在遠近光照明的條件下才能清晰識別，但遠燈光的開啟極易導致交通安全隱患，在雨霧等惡劣天氣條件下幾乎無法被識別[2-3]。為確保駕駛員能快速準確的辨識標志信息,標志應具有良好的視認性和易讀性。由于照明型標志比反射型標志具有明顯優(yōu)勢，尤其LED光源具有較強的光線穿透性能，在夜間或雨霧等天氣條件下能實現(xiàn)遠距離視認，且LED光源內(nèi)部照明比熒光內(nèi)部照明具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢而得到廣泛應用[4]。由于交通環(huán)境的動態(tài)復雜性﹑照明標志文字圖形的多樣性和駕駛員視覺功能的個體差異性，如何使LED內(nèi)部照明標志的視認性和易讀性最優(yōu)化，并合理正確地評價LED交通標志的視認性和易讀性，逐漸成為人們研究的熱點[5-7]。盡管國家標準GB 5768—2009《道路交通標志和標線，第2部分：道路交通標志》對各種照明標志中的文字和圖形的顏色﹑形狀﹑大小及交通標志的安裝設置方法作出了明確規(guī)定，但對LED內(nèi)部照明標志的表面照度和對比度未作具體要求。本文分析了各種標志在白晝和夜間環(huán)境下的視認性,設計制作了一種LED光源內(nèi)部照明型標志視認性實驗裝置,選擇年輕和年長兩組人員作為被試者，在三種照度和三種對比度的狀況下，對視認性和易讀性進行了實驗研究。

1標志的視認性

通過調(diào)查分析,并實地觀察交通標志在晝間和夜間的視認和判讀效果,選取圖1和圖2所示的LED內(nèi)部照明標志作為設計實驗裝置的依據(jù)。圖1(a)和圖1(b)分別表示多個導向標志布置和單個導向標志布置狀況下晝間與夜間的視認效果比較。圖2(a)和圖2(b)分別表示指示標志和限速標志在晝間黃昏夜間的視認效果比較。從圖中可以看出,晝間和夜間的視認效果有較大的差異性,主要原因是由于標志表面與背景的對比度較大。

1.1實驗方法

實驗裝置：如圖3所示，實驗裝置類似于長方形箱體，內(nèi)部光源采用LED照明，正面材料為ABS透明塑料。正面由字符和背景兩部分組成，標志的表面顏色，即，字符部分的顏色為白色，背景為藍色。裝置面積為153mm×160mm, 模擬標志的實際面積為460mm×480mm。實驗用文字為蘭道環(huán)，外徑83.3mm。文字(C環(huán))的表面照度和對比度設計為三檔可調(diào)，即文字的表面照度為250 lx、500 lx 和1000 lx 三種；對比度(背景表面照度與文字表面照度之比)為1∶4、1∶10和1∶25三種。

實驗條件：在室內(nèi)模擬夜間環(huán)境狀況進行實驗，室內(nèi)照度設置為15～20 lx。如圖4所示,被試者從遠離標志的50m的位置步行向標志靠近,當被試者觀察到蘭道環(huán)開口方向位置時,舉手示意,此時測量視認距離。表面照度和對比度各有三種,形成9種組合，因此進行9個實驗。每個實驗進行8次(蘭道環(huán)開口的方向上下左右各兩次)，每個被試者共進行27次測量。

圖1　導向標志晝間與夜間的視認效果對比Fig.1　Compare of guiding signs in daytime and nighttime

圖2　指示標志和限速標志在晝間黃昏夜間的視認效果對比Fig.2　Compare of indicative signs and speed limit signsin daytime and nighttime

圖3　LED內(nèi)部照明標志實驗裝置Fig.3　Experimental apparatus

圖4　標志視認的實驗過程Fig.4　Experimental process

被試者：年輕被試者為大四學生，7人，22-24歲；年長被試者為教師,7人,55-65歲。被試者均有正常視力或正常校正視力。

1.2結(jié)果與討論

1.2.1對比度對視認性的影響

為準確評價視認性，以視認率作為評價指標。交通標志視認率是指在規(guī)定的時間內(nèi)道路利用者對同一視認目標物的正確判斷次數(shù)與總判斷次數(shù)的比率，視認率受表面照度、表面對比度和人的生理心理等因素的直接影響。

圖5表明了標志的文字表面照度為1000lx時，表面對比度對視認率的影響。從圖中可以看出,表面對比度越高，視認率也越高。并且,當文字表面照度為250lx和500lx時也有同樣的傾向。

圖5　對比度對視認率的影響(照度=1000 lx)Fig.5　Effect of contrast on sign recognition rate(Illuminance 1000 lx)

1.2.2表面照度對視認性的影響

圖6表明了標志表面對比度為1∶10時,表面照度對視認率的影響。從圖中可以看出,照度越高，視認率也越高。并且,當表面對比度為1∶4和1∶25時也有同樣的傾向。

1.2.3年輕和年長者視認性的比較

分別在三種對比度狀況下，改變表面照度，對年輕和年長被試者的視認性進行實驗，結(jié)果表明，三種對比度狀況下的視認率大體一致，沒有明顯差異。但每種對比度條件下，照度改變后，存在一定的差異(見圖7a和7b，對比度=1∶10)，尤其是年長與年輕組相比較，表現(xiàn)出明顯的差異。

圖7a和圖7b分別表明了年輕組和年長組在對比度為1∶10狀況下的視認率。當標志距離變遠時,視認性變差,尤其是表面照度為1000lx時,當距離為30m以上,年長組的視認率極低(圖7b的右下區(qū)域)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于年長組被試的年齡增大，視覺功能特性下降。

一般情況下，相對于年輕人，高齡者在暗處的視覺感會變?nèi)?，由于進入眼球的光數(shù)量變少，因此提高標志照度，增加進入眼球的入射光數(shù)量有利于對標志的視認和判讀。然而，上述的實驗結(jié)果卻表明，進入眼睛的光數(shù)量即使增加也不會提高視認率。根據(jù)視覺成像和眼生理學理論，其原因之一可能是眼睛的水晶體本身有不透明，隨著年齡的增加，水晶體的不透明度也隨之增加，眼球水晶體的不透明度高對射入眼睛的光有散射的影響。另一原因可能是對視認標志的視覺膨脹現(xiàn)象所導致。

圖6　表面照度對視認率的影響(對比度=1∶10)Fig.6　Effect of illuminance on sign recognition rate(Contrast 1∶10)

2標志的易讀性

視覺膨脹是指人的視覺系統(tǒng)在一定的視認距離對視認目標物產(chǎn)生離散擴張的視覺感知，視覺膨脹受視認環(huán)境照度、視認距離和人的生理心理等因素的直接影響。為闡明標志的視覺膨脹現(xiàn)象，即，表明照度與視覺膨脹現(xiàn)象的關系及年齡增加與視膨脹現(xiàn)象的相互關聯(lián)性，進行如下實驗。

圖7　年輕和年長被試者視認率比較(對比度=1∶10)Fig.7　Compare of sign recognition rate betweenyounger and older (Contrast 1∶10)

2.1實驗方法

實驗裝置：如圖8所示。在實驗箱體的正面位置設置兩塊可活動的長方形藍色標志板(水平方向可調(diào)和垂直方向可調(diào)),標志板尺寸為10mm×5mm。標志板的背面設置了LED光源，且LED的亮度設置為四檔可調(diào)，分別為60cd/m2﹑130cd/m2﹑195cd/m2和280cd/m2，使得標志表面照度分別成為250lx﹑500lx﹑750lx和1000lx。

實驗條件：在室內(nèi)模擬夜間環(huán)境狀況進行實驗，如圖9所示。被試者站在離標志5m的位置進行觀測，開始時，兩個標志緊靠一起，然后逐漸拉開標志，直到被試者觀測到兩塊標志明顯分開后，作出回答。此時，測量兩個標志間隔，此間隔值也是標志的視覺膨脹值。每個被試進行八次，即，水平方向調(diào)節(jié)照度四次，垂直方向調(diào)節(jié)照度四次。如250lx照度時測量間隔，然后將照度變?yōu)?00lx，再測量間隔值，依次完成照度為750lx和1000lx的實驗，并獲得間隔值。最后將所有實驗所得間隔值，求取平均值。

被試者：被試者是參加前次實驗的人員。

2.2結(jié)果與討論

表1 列出了兩組被試者的視覺膨脹值，圖10表明了當標志照度變化時，視覺膨脹值的變化趨勢。從圖10可看出，表面照度值增大時，標志的視覺膨脹變大，這種變化的傾向，年長者比年輕者表現(xiàn)的更明顯。并且說明了標志的易讀性受到視覺膨脹現(xiàn)象的影響。

圖8　視覺膨脹現(xiàn)象實驗標志板設置Fig.8　Apparent expansion experimental apparatus

圖9　標志板垂直設置時的視覺膨脹現(xiàn)象Fig.9　Experimental processes on visual apparent expansion phenomenon(sign templates with vertical direction)

表面照度/lx2505007501000視覺膨脹值(間隔)/mm年輕組0.270.280.320.35年長組0.280.290.370.45

圖10　表面照度與視覺膨脹的關系Fig.10　Relation between illuminance and apparent expansion

3總結(jié)

本文在調(diào)查LED光源內(nèi)部照明型標志視認效果的基礎上，通過改變表面照度和對比度，對內(nèi)部照明型標志的視認性和易讀性進行了研究，并探討了視覺膨脹現(xiàn)象對易讀性的影響。對年輕和年長被試者的視認率和視覺膨脹現(xiàn)象進行了比較，總結(jié)如下：

1)對比度越高，標志的視認率越高；

2)提高標志表面照度可以提高視認率，但照度過高和視認距離較大時,年長者視認率反而會下降；

3)標志視認過程中存在視覺膨脹現(xiàn)象，當表面照度高于500lx時，視覺膨脹現(xiàn)象逐漸明顯，尤其是年長者視覺膨脹現(xiàn)象比年輕者更明顯。

本文提出了一種LED光源內(nèi)部照明標志的視認性和易讀性的試驗方法，但只是以步行狀況觀測 (或靜態(tài)狀況下觀測)。行駛過程是以一定速度運行的動態(tài)駕駛操作過程，標志的視認性和易讀性與車輛速度有一定關系，這些內(nèi)容將在后續(xù)研究中展開。

參考文獻

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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

基金項目：浙江省大學生科技創(chuàng)新暨新苗人才計劃資助項目(2015R430020)，浙江省錢江人才計劃資助項目(2011R100093)

中圖分類號：TM923.07

文獻標識碼：A

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