CN110378077A - 基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法及装置 - Google Patents

基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，包括：S1：创建模拟不同光环境参数的隧道光环境图像数据库，并对所述图像数据库中的图像按照预设光环境参数进行分组；S2：建立模拟自然光系统、建立三维模拟隧道模型以及建立模拟驾驶系统；S3：驾驶人员在三维模拟隧道模型环境中模拟驾驶进出隧道，并根据车速设置投影参数；S4：采集驾驶人员的体征参数；S5：重复步骤S3和S4，直至预设分组图像均投影完毕；S6：分析所述驾驶人员体征参数，确定驾驶人员舒适性最优的图像组；S7：根据所述图像组获取驾驶人员舒适性最优的的隧道光环境参数数据。实现，车速与驾驶员视野的公路隧道光环境的动态联动。

Description

基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法及装置
技术领域
本发明涉及公路隧道照明实验领域，尤其涉及一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态仿真实验方法。
背景技术
公路隧道照明的目的是为驾驶员提供良好的照明条件，从而保障行车安全性。因公路隧道半封闭空间结构，致使隧道出入口段明暗差距大，当车辆通过公路隧道时易产生“黑洞”“白洞”“适应滞后”“视觉震荡”等现象，从而造成行车安全隐患。众所周知，对在行驶在隧道内的驾驶员来说，影响其行车安全的重要因素是驾驶员的人眼动态视觉响应和视觉适应能力，因此，开展隧道照明对驾驶员动态视觉影响研究，具有重要理论与实际意义。由于现役公路隧道的特殊性，无法在公路隧道内进行照明安全性、舒适性试验，现在大多在室内开展虚拟的仿真实验，现有公路隧道光环境模拟多为静态视觉模拟，但是，对在行驶在隧道内的驾驶员来讲，其视野的隧道光环境多为动态光环境，因此，静态视觉模拟无法高度还原驾驶员视野的实际光环境。
因此，为提高隧道光环境室内模拟的还原度，亟需一种公路隧道光环境动态仿真实验方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态仿真实验方法及装置。
本发明提供一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：包括：
S1：创建模拟不同光环境参数的隧道光环境图像数据库，并对所述图像数据库中的图像按照预设光环境参数进行分组；
S2：建立模拟自然光系统、建立三维模拟隧道模型以及建立模拟驾驶系统；
S3：驾驶人员在三维模拟隧道模型环境中模拟驾驶进出隧道，采集模拟驾驶系统中车辆的车速，根据所述车速确定图像投影参数，将模拟隧道光环境的单组图像按所述投影参数呈现在所述三维模拟隧道模型的显示屏上；所投影参数包括投影图片顺序、投影时间、投影图片切换时间；
S4：采集驾驶人员的体征参数；
S5：重复步骤S3和S4，直至预设分组图像均投影完毕；
S6：分析所述驾驶人员体征参数，确定驾驶人员舒适性最优的图像组；
S7：根据所述图像组获取驾驶人员舒适性最优的的隧道光环境参数数据。
进一步，所述光环境参数包括隧道光亮度、隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比；所述预设光环境参数包括隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比。
进一步，所述单组图像至少包括接近隧道入口段图像、隧道入口段Ⅰ图像、隧道入口段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅰ图像、隧道过渡段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅲ图像、隧道中间段图像和隧道出口段图像。
进一步，所述图像投影参数至少包括单张图像投影时间，所述单张图像投影时间等于各段隧道长度除以车速，且单张投影时间不小于2秒。
进一步，所述各段隧道长度采用如下方法确定，
接近隧道入口段的长度Ds与照明停车视距相等；
入口段Ⅰ的长度Dr1和入口段Ⅱ的长度DrⅡ相等，
其中，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，Ds表示照明停车视距，h表示隧道内净空高度；
过渡段Ⅰ的长度D过Ι采用如下方法确定，其中，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，Vt表示隧道设计车速；
过渡段Ⅱ的长度D过Π采用如下方法确定，Vt表示隧道设计车速；
过渡段Ⅲ从长度D过Ⅲ采用如下方法确定，Vt表示隧道设计车速；
出口段的长度D出为30米；
中间段的长度D中采用如下方法确定，
D中＝S-DrΙ-DrΠ-D过Ι-D过Π-D过Ⅲ-D出 (5)
其中，S表示目标隧道长度，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，D过Ι表示过渡段Ⅰ的长度，D过Π表示过渡段Ⅱ的长度，D过Ⅲ表示过渡段Ⅲ长度，D出表示出口段的长度。
进一步，所述体征参数包括眼动、视觉响应参数和生理参数。
进一步，还包括根据车型模拟不同车型驶员视野的公路隧道光环境。
相应的本发明还提供一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法的装置，其特征在于：包括：
模拟自然光系统，用于模拟隧道外的自然光；
三维模拟隧道模型，用于模拟隧道光环境；
模拟驾驶系统，用于驾驶人员在三维模拟隧道模型环境中模拟驾驶进出隧道；
驾驶人员体征采集系统，用于采集驾驶人员体征参数数据。
进一步，所述三维模拟隧道模型包括包括曲面投影屏、投影仪、图像播放服务器、图像数据库、图像融合处理器，所述投影仪的输入端与所述图像播放服务器的输出端连接，所述图像播放服务器分别与图像数据库和图像融合处理器通信连接，所述曲面投影屏用于显示投影图像。
有鉴于此，本发明提供一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态仿真实验方法，通过隧道三维模拟隧道模型和模拟驾驶系统结合，实现驾驶员视野的公路隧道光环境随车速的变化而变化，即车速与驾驶员视野的公路隧道光环境的动态联动，高度还原基于驾驶员视野的公路隧道光环境；为隧道照明环境的优化提供理论基础和实验数据的公路隧道光环境动态适应仿真实验方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明流程图。
图2为本发明三维模拟隧道模型结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明提供的一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：包括：
S1：创建模拟不同光环境参数的隧道光环境图像数据库，并对所述图像数据库中的图像按照预设光环境参数进行分组；所述光环境参数包括隧道光亮度、隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比；所述图像数据库中的图像包括接近隧道入口段图像、隧道入口段Ⅰ图像、隧道入口段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅰ图像、隧道过渡段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅲ图像、隧道中间段图像和隧道出口段图像的一张或多张，且所述图像数据库中的图像的背景亮度以及图像呈现的隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度由预设的需要模拟的光环境参数匹配，在本实施例中，接近隧道入口段图像的背景亮度、隧道入口段Ⅰ图像的背景亮度、隧道入口段Ⅱ图像的背景亮度、隧道过渡段Ⅰ图像的背景亮度、隧道过渡段Ⅱ图像的背景亮度、隧道过渡段Ⅲ图像的背景亮度、隧道中间段图像的背景亮度和隧道出口段图像的背景亮度分别与接近隧道入口段光亮度为5000cd/m2、入口段Ⅰ光亮度为175cd/m2、入口段Ⅱ光亮度为87.5cd/m2、过渡段Ⅰ光亮度为26.25cd/m2、过渡段Ⅱ光亮度为8.75cd/m2、过渡段Ⅲ的光亮度为4cd/m2、中间段光亮度为4cd/m2和出口段光亮度为20cd/m2相匹配；在本实施例中，所述相对色温包括2400K、5900K和9000K三组；所述隧道边墙颜色包括黄色和灰色；所述边墙路面亮度对比包括1:1、2:1和4:1三种；在本实施例中，所述隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比相互组合形成多种隧道光环境工况，所述多种隧道光环境工况为预设光环境参数，即图像数据库中的图像根据分组数与所述隧道光环境工况种类数一致；
S2：建立模拟自然光系统、建立三维模拟隧道模型以及建立模拟驾驶系统；模拟自然光系统用于接近隧道入口段的自然光，可采用包括大尺寸或大功率灯具以及相应的控制系统来模拟接近隧道入口段的自然光，在隧道接近段设置180秒的适应时间，为驾驶员提供一个适应段使驾驶员进入实验环境；所述模拟驾驶系统结合三维模拟隧道模型可实现三维驾驶环境的模拟，模拟驾驶系统可根据实验需要设置相应的硬件，如方向盘、油门、刹车、换挡杆等，在此不再赘述；
S3：驾驶人员在三维模拟隧道模型环境中模拟驾驶进出隧道，采集模拟驾驶系统中车辆的车速，根据所述车速确定图像投影参数，将模拟隧道光环境的单组图像按所述投影参数呈现在所述三维模拟隧道模型的显示屏上；所投影参数包括投影图片顺序、投影时间、投影图片切换时间；根据北美规范亮度梯度降低曲线，在入口段1以及入口段2分别预先设置2.0秒，过渡段1持续3.2秒，过渡段2持续4秒，过渡段3持续6秒，中间段持续6秒，出口段持续3.8秒。其中，切换时间为开始时间加上图像播放时间。
S4：采集驾驶人员的体征参数；所述体征参数包括眼动、视觉响应参数和生理参数；
S5：重复步骤S3和S4，直至预设分组图像均投影完毕；
S6：分析所述驾驶人员体征参数，确定驾驶人员舒适性最优的图像组；通过分析在视觉背景亮度梯度降低过程中驾驶人员的视觉响应、生理和眼动参数来确定驾驶人员的平均反应时间和目标丢失率。具体分析内容如下：其一，分析在亮度梯度降低过程中驾驶人员平均反应时间、目标丢失率、适应时间、背景亮度、目标位置以及不同视觉背景对驾驶人员平均反应时间和目标丢失率的响应规律；其二，分析不同视觉背景和视标位置下，被测人员视觉功效随相对色温、边墙颜色、边墙路面对比度变化的响应规律；其三，分析在不同的相对色温、边墙颜色、边墙路面对比度变化视觉背景下，驾驶人员视觉功效随亮度梯度变化的响应规律。根据上述三个响应规律得出使得驾驶人员平均反应时间、适应时间和目标丢失率降低的投影图像组。在平均反应时间和目标丢失率较低的情况下，驾驶人员能够更加适应所提供的视觉环境，使得驾驶人员在行车过程中更加舒适；
S7：根据所述图像组获取驾驶人员舒适性最优的的隧道光环境参数数据。根据步骤S6中确定最优图像组，提取最优图像组的各项参数，获得隧道光环境参数数据。
通过上述技术方案，实现驾驶员视野的公路隧道光环境随车速的变化而变化，即车速与驾驶员视野的公路隧道光环境的动态联动，高度还原基于驾驶员视野的公路隧道光环境；为隧道照明环境的优化提供理论基础和实验数据的公路隧道光环境动态适应仿真实验方法。
在本实施例中，所述预设光环境参数包括隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比。所述相对色温包括2400K、5900K和9000K三组；所述隧道边墙颜色包括黄色和灰色；所述边墙路面亮度对比包括1:1、2:1和4:1三种；在本实施例中，所述隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比相互组合形成多种隧道光环境工况，所述多种隧道光环境工况为预设光环境参数，即图像数据库中的图像根据分组数与所述隧道光环境工况种类数一致；
在本实施例中，所述单组图像至少包括接近隧道入口段图像、隧道入口段Ⅰ图像、隧道入口段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅰ图像、隧道过渡段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅲ图像、隧道中间段图像和隧道出口段图像。单组图像的投影在所述三维隧道模型的显示屏上，用于模拟车辆接近隧道、驶入隧道和驶出隧道，因此单组图像必须包含上述图像，用于提高隧道模拟的准确性和完整性。
在本实施例中，所述图像投影参数至少包括单张图像投影时间，所述单张图像投影时间等于各段隧道长度除以车速，且单张投影时间不小于2秒。如果计算得出投影时间小于2秒时，则单张图像的投影时间为2秒。所述单张图像能提供一个非均匀公路隧道内部视觉背景，投影单张图像的相对色温、隧道边墙颜色、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比等参数均相同，而光亮度参数不同，通过投影具有不同亮度的相同图像来实现公路隧道光环境的动态变化。单张投影时间根据实际隧道各段的长度与速度关系来确定，且投影时间不小于2秒，给予驾驶人员充足的时间去感知、适应公路隧道各段的亮度以及亮度变化过程和行车动作信息的反馈。所述驾驶人员的动作信息为驾驶人员改变车辆行驶状态的操作信息。
在本实施例中，所述各段隧道长度采用如下方法确定，
接近隧道入口段的长度Ds与照明停车视距相等；
入口段Ⅰ的长度Dr1和入口段Ⅱ的长度DrⅡ相等，
其中，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，Ds表示照明停车视距，h表示隧道内净空高度；
过渡段Ⅰ的长度D过Ι采用如下方法确定，其中，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，Vt表示隧道设计车速；
过渡段Ⅱ的长度D过Π采用如下方法确定，Vt表示隧道设计车速；
过渡段Ⅲ从长度D过Ⅲ采用如下方法确定，Vt表示隧道设计车速；
出口段的长度D出为30米；
中间段的长度D中采用如下方法确定，
D中＝S-DrΙ-DrΠ-D过Ι-D过Π-D过Ⅲ-D出 (5)
其中，S表示目标隧道长度，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，D过Ι表示过渡段Ⅰ的长度，D过Π表示过渡段Ⅱ的长度，D过Ⅲ表示过渡段Ⅲ长度，D出表示出口段的长度。
通过上述技术方案，可准确获得隧道中各段长度，为单张图像投影时间提供数据基础。
在本实施例中，所述体征参数包括眼动、视觉响应参数和生理参数。在实验过程中，采集驾驶员在不同光环境参数的光环境中的眼动(扫视、注视、通孔变化等参数)、视觉响应(反应时间、阈值亮度)和生理参数(脑电、心率等参数)；上述参数的采集采用现有医学检测手段，如眼动仪、脑电波检测仪等，在此不再赘述；通过上述技术方案，为后续实现多参数综合分析提供实验数据，提升实验结果的可靠性。
在本实施例中，还包括根据车型模拟不同车型驶员视野的公路隧道光环境。使用时，驾驶人员完成实验准备后，位于被测位置，调整座椅高低以确保驾驶人员眉心位于标定位置，实现与背景控制点的齐平，以保证被测人员的眼睛和背景控制点位于一条水平线上，驾驶员视觉背景三维模拟隧道模型可实现180度*40度的视野范围内；根据小轿车和大货车驾驶员视野高度的不同，通过调节视野高度升降椅来调整驾驶人员位置高低(视线到底板的距离)，使驾驶员的视野与车型匹配，同时，播放视频的角度以及投射至曲屏的大小位置均不作调整，以保证视野范围内投影画面不变而驾驶人员的视野高度改变，从而实现根据车型模拟不同车型驶员视野的公路隧道光环境。通过上述技术方案，可实现不同车型驾驶员视野的公路隧道光环境的模拟，进一步，提升仿真的精确性。
相应的本发明还提供一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验装置，其特征在于：包括：
模拟自然光系统，用于模拟隧道外的自然光；可采用包括大尺寸或大功率灯具以及相应的控制系统来模拟接近隧道入口段的自然光，在此不再赘述；
三维模拟隧道模型，用于模拟隧道光环境；所述模拟驾驶系统结合三维模拟隧道模型可实现三维驾驶环境的模拟，在本实施例中，模拟隧道模型由向前环保的曲面屏构成，有曲面屏呈现三维影像，达到三维模拟的效果；
模拟驾驶系统，用于驾驶人员在三维模拟隧道模型环境中模拟驾驶进出隧道；模拟驾驶系统可根据实验需要设置相应的硬件，如方向盘、油门、刹车、换挡杆等，在此不再赘述；
通过上述技术方案，可高精度、高还原度模拟基于驾驶员视野的隧道动态光环境。
在本实施例中，所述三维模拟隧道模型包括曲面投影屏、投影仪、图像播放服务器、图像数据库、图像融合处理器，所述投影仪的输入端与所述图像播放服务器的输出端连接，所述图像播放服务器分别与图像数据库和图像融合处理器通信连接，所述曲面投影屏用于显示投影图像。所述曲面投影屏为向前环保的曲面屏，如BenQ 1007，所述“前”指与观影者相对的一方为前方，其能够提供广角度三维视角；在本实施例中，曲面屏半径为1m，水平角度为180°，高度为2.2米；在曲面屏中心设置观测点，试验中驾驶人员视线要求与测试背景控制点齐平，注视点集中在曲面屏中心处，用眼睛余光去察觉周边目标。驾驶人员的视觉范围位于曲面屏显示范围内，得到一个广角度视觉范围，更加贴近于人眼视野感知范围。所述投影仪有三台，均采用现有的投影仪产品，采用可移动投影支架同时架设三台投影仪，控制三台投影仪相对地面的高度一致，且投影仪间角度为两两互成60°；同时将仿真画面或图像划分成三块画面投影至曲面屏上，再通过荷兰Fly Elise-ng公司研发的ImmersiveCalibration PRO v3.4软件对三个投影仪的投影影像进行卷曲和融合，将三个分块、不连续的画面卷曲、融合成一个连续、整体的公路隧道动态三维仿真视觉场景，以实现180°×40°(水平视角×竖直视角)的广角度三维视觉背景；所图像数据库和图像播放服务器均采用现有的产品，在此不再赘述。在本实施例中，三台投影仪悬挂于可移动投影支架上，可前后左右移动室内仿真投影画面所处方位，用于模拟隧道的不同朝向。其次，驾驶人员就座于可调节视野高度升降椅上，驾驶座椅可上下调节，还原小车、货车驾驶高度，使驾驶人员获得不同高度的仿真视觉环境，更加贴近于真实复杂的隧道视觉环境。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：包括：
S1：创建模拟不同光环境参数的隧道光环境图像数据库，并对所述图像数据库中的图像按照预设光环境参数进行分组；
S2：建立模拟自然光系统、建立三维模拟隧道模型以及建立模拟驾驶系统；
S3：驾驶人员在三维模拟隧道模型环境中模拟驾驶进出隧道，采集模拟驾驶系统中车辆的车速，根据所述车速确定图像投影参数，将模拟隧道光环境的单组图像按所述投影参数呈现在所述三维模拟隧道模型的显示屏上；
S4：采集驾驶人员的体征参数；
S5：重复步骤S3和S4，直至预设分组图像均投影完毕；
S6：分析所述驾驶人员体征参数，确定驾驶人员舒适性最优的图像组；
S7：根据所述图像组获取驾驶人员舒适性最优的隧道光环境参数数据。
2.根据权利要求1所述基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：所述光环境参数包括隧道光亮度、隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比；所述预设光环境参数包括隧道相对色温、隧道边墙颜色和边墙路面亮度对比。
3.根据权利要求1所述基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：所述单组图像至少包括接近隧道入口段图像、隧道入口段Ⅰ图像、隧道入口段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅰ图像、隧道过渡段Ⅱ图像、隧道过渡段Ⅲ图像、隧道中间段图像和隧道出口段图像。
4.根据权利要求1所述基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：所述图像投影参数至少包括单张图像投影时间，所述单张图像投影时间等于各段隧道长度除以车速，且单张投影时间不小于2秒。
5.根据权利要求4所述基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：所述各段隧道长度采用如下方法确定，
接近隧道入口段的长度Ds与照明停车视距相等；
入口段Ⅰ的长度Dr1和入口段Ⅱ的长度DrⅡ相等，
其中，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，Ds表示照明停车视距，h表示隧道内净空高度；
过渡段Ⅰ的长度D过Ι采用如下方法确定，其中，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，Vt表示隧道设计车速；
过渡段Ⅱ的长度D过Π采用如下方法确定，Vt表示隧道设计车速；
过渡段Ⅲ从长度D过Ⅲ采用如下方法确定，Vt表示隧道设计车速；
出口段的长度D出为30米；
中间段的长度D中采用如下方法确定，
D中＝S-DrΙ-DrΠ-D过Ι-D过Π-D过Ⅲ-D出 (5)
其中，S表示目标隧道长度，Dr1表示入口段Ⅰ的长度，DrⅡ表示入口段Ⅱ的长度，D过Ι表示过渡段Ⅰ的长度，D过Π表示过渡段Ⅱ的长度，D过Ⅲ表示过渡段Ⅲ长度，D出表示出口段的长度。
6.根据权利要求1所述基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：所述体征参数包括眼动、视觉响应参数和生理参数。
7.根据权利要求1所述基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法，其特征在于：还包括根据车型模拟不同车型驶员视野的公路隧道光环境。
8.一种基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法的装置，其特征在于：包括：
模拟自然光系统，用于模拟隧道外的自然光；
三维模拟隧道模型，用于模拟隧道光环境；
模拟驾驶系统，用于驾驶人员在三维模拟隧道模型环境中模拟驾驶进出隧道；
驾驶人员体征采集系统，用于采集驾驶人员体征参数数据。
9.根据权利要求8所述基于驾驶员视野的隧道光环境动态暗适应实验方法的装置，其特征在于：所述三维模拟隧道模型包括曲面投影屏、投影仪、图像播放服务器、图像数据库、图像融合处理器，所述投影仪的输入端与所述图像播放服务器的输出端连接，所述图像播放服务器分别与图像数据库和图像融合处理器通信连接，所述曲面投影屏用于显示投影图像。
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